Politechnika Białostocka

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Temat ćwiczenia: BADAIE FITÓW SIECIOWYCH Ćwiczenie nr 17. aboratorium z przedmiotu: Ochrona przeciwzakłóceniowa 2 Kod: TS1C Opracowali: Dr inŝ. enata Markowska Dr inŝ. eszek Augustyniak Prof. dr hab. inŝ. Andrzej Sowa Białystok 2014

2 Badanie filtrów sieciowych 2 WPOWADZEIE Wzrost mocy wytwarzanej i pobieranej energii elektrycznej przy równoczesnym zmniejszaniu poziomów sygnałów stosowanych w systemach przekazywania i przetwarzania danych przyczynia się do zwiększenia zagroŝeń stwarzanych przez zakłócenia elektromagnetyczne. Oddziaływanie zaburzeń elektromagnetycznych jest najczęściej dwukierunkowe. Elementy i układy elektroniczne mogą same emitować zaburzenia, a równocześnie zaburzenia dochodzące z zewnątrz mogą wpływać na działanie tych urządzeń. ajczęstszym źródłem zaburzeń pojawiających się w przewodach są elementy i układy elektroniki przemysłowej, wśród których moŝna wymienić: - zasilacze impulsowe, - przekształtniki częstotliwościowe modulowane szerokością impulsu, - układy elektroniki cyfrowej, - regulatory z wycięciem kąta fazowego. Zaburzenia elektromagnetyczne szczególnie niekorzystnie oddziałują na urządzenia przetwarzające, przesyłające i magazynujące informacje. Do najczęstszych metod ochrony tych urządzeń przez zaburzeniami naleŝy zaliczyć filtry sieciowe, ekrany i wysokoczęstotliwościowe materiały uszczelniające. Filtry sieciowe muszą spełniać nie tylko wymagania kompatybilności elektromagnetycznej, ale równieŝ wymogi bezpieczeństwa. W niektórych zastosowaniach naleŝy dodatkowo stosować środki zapobiegające emisji poufnych informacji do sieci. ODZAJE SYGAŁÓW ZAKŁÓCAJĄCYCH Sygnały zakłócające dochodzące do urządzenia z instalacji elektrycznej określane są jako: symetryczne (ang. differential mode), zwane równieŝ normalnymi, podłuŝnymi, szeregowymi, róŝnicowymi; niesymetryczne (ang. common mode), zwane równieŝ asymetrycznymi, poprzecznymi wspólnymi lub równoległymi. Przykłady symetrycznych i niesymetrycznych sygnałów zakłócających w instalacji elektrycznej przedstawiono na rys. 1. a) b) c) U s Z s Z Z Z Z C ns ys. 1. Zaburzenia w instalacji elektrycznej: a) symetryczne, b) niesymetryczne, c) niesymetryczne (obudowa nie połączona z ziemią ). Prądy symetrycznych sygnałów zakłócających wpływają do urządzenia jednym przewodem (fazowym lub neutralnym) a wypływają drugim (neutralnym lub fazowym). W przypadku zakłóceń niesymetrycznych prądy płyną ze źródła do przewodu lub poprzez pasoŝytnicze pojemności do masy ( ziemi ). Filtr sieciowy musi wytłumić zarówno zakłócenia symetryczne, jak i niesymetryczne.

3 Badanie filtrów sieciowych 3 FITY SIECIOWE Do zmniejszania poziomów zaburzeń docierających z instalacji elektrycznej do urządzeń elektrycznych i elektronicznych stosowane są przeciwzakłóceniowe filtry sieciowe. Typowy filtr sieciowy zbudowany jest z elementów C w takim układzie połączeń, który zapewnia maksymalne niedopasowanie pomiędzy impedancjami źródła zasilania i obciąŝenia. Filtry najczęściej włączane są pomiędzy gniazdkami zasilania a urządzeniem lub bezpośrednio w urządzeniu. Do zaprojektowania lub właściwego doboru filtru naleŝy posiadać następujące informacje: napięcie i częstotliwość sieci, w której będzie instalowany filtr, przewidywany pobór prądu przez chronione urządzenia, dopuszczalne prądy upływu filtru, charakterystyki częstotliwościowe źródeł zaburzeń w danej instalacji, charakterystykę częstotliwościową podatności chronionego urządzenia na zaburzenia. Właściwie zaprojektowany i wykonany lub tylko dobrany filtr sieciowy powinien zapewnić ochronę urządzenia przed zaburzeniami dochodzącymi z instalacji elektrycznej oraz tłumić zaburzenia wytwarzane przez samo urządzenie. Skuteczność działania filtru zaleŝy od częstotliwości. Miarą tej skuteczności jest tłumienie zakłóceń (w telekomunikacji zwane tłumiennością wtrąceniową) zwykle podawane w mierze logarytmicznej. Pomiar tłumienności filtru wykonuje się dwiema metodami: - do pierwszego rodzaju pomiaru wykorzystywana jest impedancja obciąŝenia, - drugi rodzaj pomiaru wymaga impedancji wejściowej 0,1Ω i impedancji obciąŝenia 100Ω (i odwrotnie). Przy pomiarach wymagających obciąŝenia otrzymuje się dwie charakterystyki tłumienia filtru. Pierwsza opisuje tłumienie dla składowej niesymetrycznej, druga dla składowej symetrycznej sygnału zakłócającego. Dla lepszego zobrazowania działania filtru dla składowej symetrycznej wykonywane są pomiary w warunkach 0,1/100Ω. Pomiary takie, dzięki niedopasowaniu impedancji, umoŝliwiają otrzymanie charakterystyk w bardziej realistycznym połączeniu filtru z innymi urządzeniami. Pomiary właściwości filtru przeprowadzane są bez prądu obciąŝenia. W rzeczywistych warunkach, na skutek zjawisk nasycenia mogą się zmieniać indukcyjności i z tego powodu równieŝ zmieniać się krzywe tłumienności filtrów. Przykłady podstawowych układów pomiarowych przedstawiono na rys. 2. a) b) E s FIT SIECIOWY E s FIT SIECIOWY ys. 2. Schematy układów do pomiaru tłumienia przez filtr sygnałów zakłócających: a) symetrycznych, b) niesymetrycznych. W celu uzyskania jednoznaczności wyników pomiarów, w skali międzynarodowej przyjmowana jest impedancja źródła zakłóceń i obciąŝenia równe i w takich warunkach skuteczną tłumienność wtrąceniową określa zaleŝność:

4 EZ Az[ db] = 20log 2 U gdzie: E Z - SEM źródła (np. generatora pobudzającego filtr), U 2 - napięcie na wyjściu (obciąŝeniu). 2 Badanie filtrów sieciowych 4 Charakterystyka częstotliwościowa filtru (przebieg tłumienia napięcia A Z w funkcji częstotliwości) podawana jest zwykle przez producentów w danych katalogowych urządzenia. Typowy zakres oddziaływania filtru leŝy najczęściej powyŝej częstotliwości 50 khz. ie zawsze jest to zakres zadowalający uŝytkowników, szczególnie dotyczy to systemów komputerowych, których pracę mogą zakłócić nawet sygnały o częstotliwości 400 Hz. Sieciowe filtry przeciwzakłóceniowe budowane są zasadniczo z elementów C. Przewody łączące kondensatory powinny być moŝliwie najkrótsze (mała indukcyjność pasoŝytnicza). Jest to szczególnie istotne w przy tłumieniu zakłóceń o większych częstotliwościach (zakres powyŝej kilku kilkunastu MHz). Dodatkowo filtry są najczęściej ekranowane, a ich elementy rozmieszczone podłuŝnie względem linii zasilania w celu uniknięcia sprzęŝeń pomiędzy wejściem a wyjściem filtru. Ochrona przed zakłóceniami asymetrycznymi wymaga zapewnienia duŝych pojemności od strony urządzenia (kondensatory włączane pomiędzy przewody fazowy i neutralny a przewód ochronny) zaś od strony zasilania naleŝy zastosować bardzo duŝą impedancję szeregowa (np. układ dwóch cewek sprzęŝonych). Przykład takiego rozwiązania przedstawia rys. 3. ys. 3. Schemat funkcyjny filtru do tłumienia zaburzeń niesymetrycznych. Kondensatory podłączone do przewodu ochronnego lub uziemionej obudowy urządzenia (nazywane kondensatorami klasy Y lub kondensatorami trybu asymetrycznego) nie powinny wprowadzać zbyt duŝego prądu do przewodu ochronnego. Wymagane jest, aby wartość prądu upływu w przewodzie ochronnym nie przekraczała 0,25 ma lub 3,5 ma w zaleŝności od rodzaju urządzenia. W przypadku urządzeń medycznych wartości tych prądów są jeszcze mniejsze i filtry stosowane w takich przypadkach nie posiadają kondensatorów klasy Y. Ochrona przeciwzakłóceniowa w przypadku sygnałów symetrycznych polega na rozdzieleniu duŝą impedancją (indukcyjnością) sieci od obciąŝenia w celu jak największego ich niedopasowania i podłączenia kondensatorów od strony sieci. Przykład takiego rozwiązania przedstawia rys. 4. ys. 4. Schemat funkcyjny filtru do tłumienia zaburzeń symetrycznych.

5 Badanie filtrów sieciowych 5 Kondensator umieszczany między przewodem fazowym a neutralnym lub między przewodami fazowymi (kondensator klasy X, zwany równieŝ kondensatorem trybu róŝnicowego) powinien być o moŝliwie największej pojemności. Wartość tej pojemności moŝe być ograniczona jedynie przez dopuszczalne wartości prądu występujące przy załączaniu urządzenia. Stosowanie kondensatorów o zbyt duŝych wartościach pojemności powoduje wcześniejsze zuŝycie wyłącznika sieciowego. W większości przypadków producenci filtrów łączą w jednym układzie właściwości ochrony przed zakłóceniami symetrycznymi i niesymetrycznymi. Przykłady takich rozwiązań przedstawiono na rys ys. 5. óŝnorodne przykłady połączeń filtrów sieciowych chroniących przed zaburzeniami symetrycznymi i niesymetrycznymi. Przedstawione filtry przeciwzakłóceniowe nie zawsze zapewniają pełne zabezpieczenie przed zaburzeniami zewnętrznymi. Szczególnie dotyczy to przypadków, w których zakłócenia pojawią się we wszystkich przewodach instalacji elektrycznej. Przedstawione filtry wytłumiają jedynie zakłócenia w przewodzie fazowym i neutralnym. Zakłócenia występujące w przewodzie ochronnym dostają się do urządzenia. Zredukowanie zaburzeń występujących w tym przewodzie wymaga zastosowania dodatkowego dławika (rys. 6). W celu zapewnienia odpowiedniej ochrony przez poraŝeniem elektrycznym wartość indukcyjności takiego dławika nie powinna być zbyt duŝa (najczęściej nie większa od 400µH). Dławik uziemiający powinien równieŝ mieć zdolność tłumienia drgań rezonansowych. Zastosowanie tego rodzaju filtru jest szczególnie wskazane w instalacji zasilającej urządzenia informatyczne, układy sterowania, generatory ultradźwiękowe. 15nF(x2) 2x2,2nF(Y) 0,28uH ys. 6. Filtr sieciowy z dławikiem w przewodzie ochronnym.

6 Badanie filtrów sieciowych 6 W przypadku małych wartości impedancji obciąŝeń dla sygnałów wspólnych dla uzyskania jak najpełniejszego niedopasowania impedancji obciąŝenia naleŝy zastosować filtry z dwoma dławikami prądów asymetrycznych. Takie filtry przedstawiają duŝe wartości impedancji z obu stron. Przykłady rozwiązań takich filtrów przedstawiono na rys. 7. ys. 7. Przykłady filtrów sieciowych z dwoma dławikami prądów asymetrycznych. W przypadku układów trójfazowych filtry ze sprzęŝonymi fazami mają trzy (system sieci T-C) lub cztery przewody (system T-S) nawinięte na wspólnym rdzeniu. ównieŝ, w zaleŝności od systemu sieci, stosowane są trzy lub cztery kondensatory połączone z przewodem ochronnym ys. 8. Przykład trójfazowego filtru sieciowego. Uwagi dotyczące montaŝu filtrów Skuteczność filtrów sieciowych, szczególnie w zakresie wielkich częstotliwości jest szczególnie uzaleŝniona od starań włoŝonych w ich montaŝ. Optymalne właściwości filtrów otrzymujemy stosując przedstawione poniŝej środki zapobiegawcze: Filtr naleŝy przykręcić do szyny odniesienia bezpośrednio (blacha do blachy) dzięki temu ograniczamy impedancję szeregową.

7 Badanie filtrów sieciowych 7 Przewody zasilające i odbiorcze naleŝy prowadzić w przeciwnych kierunkach. Dzięki temu ograniczamy moŝliwości wystąpienia przesłuchu asymetrycznego pomiędzy równoległymi przewodami. Przewody zasilające i odbiorcze naleŝy układać tak, aby przylegały do powierzchni wyrównania potencjałów (szyny odniesienia). Ograniczamy w ten sposób tzw. efekt anteny pętlowej. Zaniedbanie zasad montaŝu filtrów powoduje, Ŝe stają się praktycznie bezuŝyteczne przy częstotliwościach powyŝej 10 MHz. Dodatkowe wymagania stawiane są filtrom, jeśli mają dodatkowo chronić przed napięciami lub prądami udarowymi (przepięcia łączeniowe, udary wywołane przez wyładowania piorunowe, lub eksplozje nuklearne). W takich przypadkach rozwiązaniem są układy ograniczające udary składające się z odpowiednio połączonych warystorów i odgromników gazowanych lub diod. W niektórych przypadkach rozwiązaniem skuteczniejszym od filtrów, chociaŝ znacznie droŝszym, jest zastosowanie transformatorów o znacznej wytrzymałości izolacji i z dodatkowymi ekranami pomiędzy uzwojeniem pierwotnym a wtórnym. Wówczas tłumione są zakłócenia zarówno te dochodzące do urządzenia, jak i od niego wychodzące. ZAKES WYKOYWAYCH POMIAÓW 1. Wykonać pomiary charakterystyk częstotliwościowych filtrów w układzie symetrycznym i niesymetrycznym. 2. Zaobserwować odpowiedzi filtrów na napięcia udarowe. PZEPISY BHP Podczas badań naleŝy przestrzegać zasad i przepisów bezpieczeństwa pracy omówionych podczas zajęć wstępnych w laboratorium, zawartych w egulaminie porządkowym laboratorium Kompatybilności Elektromagnetycznej i Ochrony Przeciwzakłóceniowej z uwzględnieniem przepisów BHP. egulamin dostępny jest w pomieszczeniu laboratoryjnym w widocznym miejscu. ITEATUA 1. Augustyniak.: aboratorium kompatybilności elektromagnetycznej. Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, Białystok, Ott H. W.: Electromagnetic compatibility engineering. J: Wiley, Hoboken, Alain Charoy: Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych: zasady i porady instalacyjne, tom 1, Źródła, sprzęŝenia, skutki; Warszawa: WT, Alain Charoy: Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych: zasady i porady instalacyjne, tom 2, Uziemienia, masy, oprzewodowanie; Warszawa: WT, Alain Charoy: Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych: zasady i porady instalacyjne, tom 3, Ekrany, filtry, kable i przewody ekranowane; Warszawa: WT, Wydawnictwo AFA WEKA Sp. z o.o. Certyfikat CE w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej. 7. Gonschorek K. H., Singer H.: Elektromagnetische Vertäglichkeit Grundlagen. Analysen. Maßnahmen. B. G. Teubner Stuttgart Konczakowska A., Spiralski., Hasse., Kołodziejski J.: Zakłócenia w aparaturze elektronicznej, adioelektronik Sp. z o.o. Warszawa Ott W.H.: Metody redukcji zakłóceń i szumów w układach elektronicznych. WT Warszawa 1979.