Politechnika Białostocka

Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Temat ćwiczenia: GENERATORY UDAROWE Część 2: Badania odporności udarowej urządzeń Ćwiczenie nr 8. Laboratorium z przedmiotu: Kompatybilność elektromagnetyczna 2 Kod: TZ2C200034 Opracowali: Dr inŝ. Renata Markowska Dr inŝ. Leszek Augustyniak Prof. dr hab. inŝ. Andrzej Sowa Białystok 2013

Generatory udarowe: część II 2 1. WSTĘP Generatory udarowe napięciowe i prądowe wykorzystywane są do symulacji zagroŝeń stwarzanych przez zakłócenia impulsowe docierające do urządzeń i systemów elektrycznych i elektronicznych. Podstawowe informacje o zachowaniu się tych urządzeń w warunkach zakłóceń impulsowych uzyskuje się badając ich odporność na udary napięciowe i prądowe docierające z sieci zasilającej i torów sygnałowych. Badania odporności udarowej urządzeń elektronicznych wykazały, Ŝe znaczna ich część zmienia swoje impedancje wejściowe od bardzo wysokich do niskich, np. podczas przebicia izolacji czy po zadziałaniu elementów zabezpieczających. Stosowanie w takich przypadkach do badań oddzielnych generatorów napięciowych i prądowych nie odzwierciedla rzeczywistego zagroŝenia. Normy przewidują w takich przypadkach stosowanie generatorów napięciowo-prądowych wytwarzających jednocześnie udary napięciowy i prądowy. Kształty udarów testujących wytwarzanych przez róŝne typy generatorów odwzorowują zakłócenia występujące w rzeczywistości. Celem ćwiczenia jest poznanie zasad wytwarzania róŝnorodnych udarów stosowanych w badaniach odporności udarowej urządzeń oraz obserwacja zachowania się generatorów udarowych przy róŝnym obciąŝeniu. 2. GENERATORY NAPIĘĆ UDAROWYCH Podstawową częścią generatora napięć udarowych jest układ formujący zawierający najczęściej połączenie kilku pojemności i rezystancji (rys. 1). R ład W R 1 R 3 R 4 U C 1 R 2 C 2 R 5 Rys. 1. Typowy schemat uniwersalnego generatora udarów napięciowych. Wartości rezystancji i pojemności dobiera się odpowiednio do wymaganego kształtu napięcia udarowego. Do badań wytrzymałości izolacji oraz odporności udarowej stosowane są najczęściej napięcia udarowe o kształtach 1,2/50 µs, 10/700 µs, 100/700 µs lub 10/1000 µs. Zalecane przez normy wartości poszczególnych elementów generatora w układzie z rys. 1 w zaleŝności od wymaganego kształtu napięcia zestawiono w tablicy 1. 3. GENERATORY PRĄDÓW UDAROWYCH Do badania urządzeń, które charakteryzuje niewielka wartość impedancji wejściowej, wykorzystywane są generatory wytwarzające prądy udarowe o ściśle określonych parametrach. (rys. 2).

Generatory udarowe: część II 3 Tablica 1. Wartości elementów generatora (rys. 1) potrzebne do uzyskania Ŝądanych kształtów napięcia udarowego. Normy Kształt C 1 [µf] C 2 [nf] R 1 [Ω] R 2 [Ω] R 3 [Ω] R 4 [Ω] R 5 [Ω] CCITT Reck K-17 IECpubl. No.60-2 CCITT-38812 10/700 µs 100/700 µs 0,5/700 µs 100/700 µs 20 20 20 40 200 2000 2000 50 50 3 50 2,5 VDE 0845 DIN 57 845 1,2/50 µs 20 1 1,4 33 24 2,8 76 50 13 IEEE P-587 1,2/50 µs 0,0 2 0 5 3000 OVE-FT 845 1,2/50 µs 100/700 µs 1 10 10 470 75 110 11 13 27 27 CCITT IX-Ree.12 CCITT 38550 0,1 5 1000 10 10 6 50 a) R τ R 1 L R 1 b) L R c U U C 1 C 1 C 1 C 1 R b R obc C c do oscyloskopu c) I Im 0,9 0,5 Rys. 2. Generator udarów prądowych: a) układ; b) obwód obliczeniowy; c) udar prądowy. 0,1 0 T 1 t T 2 Układ generatora udarów prądowych (rys. 2) jest podobny do układu jednostopniowego generatora udarów napięciowych, ale nie występuje w nim ani rezystancja rozładowcza, ani pojemność kształtująca czoło, a pojemność główna C 1 jest znacznie większa. Rozładowanie pojemności C 1 przez iskiernik I, rezystancję R 1, indukcyjność L i rezystancję obiektu badanego R 0 następuje przy silnie tłumionym przebiegu oscylacyjnym. Najczęściej stosowany udar pełny ma kształt T 1 /T 2 = 8/20 µs. Innym przykładem generatora unipolarnego jest generator wytwarzający udar prądowy 10/700 µs lub 100/700 µs (udary stosowane do badań sprzętu telekomunikacyjnego). Generatory te, zgodnie z zaleceniami CCITT, stosowane są do badania odporności na działanie zakłóceń występujących w torach sygnałowych.

4. GENERATORY NAPIĘCIOWO PRĄDOWE Generatory udarowe: część II 4 Generator napięciowo-prądowy umoŝliwia wytwarzanie eksponencjalnego napięcia udarowego przy otwartych zaciskach wyjściowych oraz prądu udarowego przy zwartych zaciskach wyjściowych generatora. Stosunek wartości szczytowych tych udarów, tj. napięciowego na zaciskach otwartych do prądowego na zaciskach zwartych nazywany jest impedancją wewnętrzną generatora. Wynosi ona zwykle kilka Ω (zalecana w normach wartość to 2 Ω). Najczęściej wykorzystywanym generatorem napięciowo-prądowym jest generator wytwarzający: napięcie udarowe 1,2/50 µs/µs o wartości szczytowej napięcia regulowanej od 500 V do 4 kv (rys. 3a) w przypadku otwartego wyjścia generatora, prąd udarowy 8/20 µs/µs o wartości szczytowej prądu od 0, ka do 2 ka (rys. 3b) na wyjściu zwartym. a) b) T T c p = 1,67 T 1 = 50µ s± 20% = 1,2µ s± 30% T T c p = 1, T 1 = 20µ s± 20% = 8µ s± 20% Rys. 3. Udary: a) napięciowy 1,2/50 µs/µs, b) prądowy 8/20 µs/µs. Rysunek 4 przedstawia schematy generatorów udarów napięciowo-prądowych, a w tablicach 2 i 3 podano wartości elementów pozwalających na uzyskanie udarów napięciowych i prądowych o parametrach: udar napięciowy 1,2/50 µs na zaciskach otwartych i udar prądowy 8/20 µs na zaciskach zwartych. R 2 a) L 1 b) R 2 L 1 C 1 R 1 C 2 C 1 R 1 R 3 Rys. 4. Schematy generatorów udarów napięciowo-prądowych. Tablica 2. Wartości elementów generatora z rys. 4a potrzebne do uzyskania udarów napięciowoprądowych (udar napięciowy 1,2/50 µs na zaciskach otwartych i udar prądowy 8/20 µs na zaciskach zwartych). Normy C 1 [µf] C 2 [nf] L 1 [µh] R 1 [Ω] R 2 [Ω] IEEE Std. 587 16 340 8 4 1,3

Generatory udarowe: część II 5 Tablica 3. Wartości elementów generatora z rys. 4b potrzebne do uzyskania udarów napięciowoprądowych (udar napięciowy 1,2/50 µs na zaciskach otwartych i udar prądowy 8/20 µs na zaciskach zwartych). Normy C 1 [µf] L 1 [µh] R 1 [Ω] R 2 [Ω] R 3 [Ω] IEC 664 VDE 0185 14.76/DIN 57 845 5,75 11 21 0,78 26 11,5 5,5 10,5 0,39 13 IEEE P587-1F 30 2,2 0,2 FTZ 477 71 TV 1 30 200 1000 1000 VDE 0845 14.76/DIN57 845 VDE 0845 14.76/DIN 57 845 40 1 0,21 10 5,5 1,5 5. BADANIA ODPORNOŚCI UDAROWEJ URZĄDZEŃ W trakcie badań laboratoryjnych odporności urządzeń stwarzane są warunki zbliŝone do najbardziej niekorzystnych występujących w czasie eksploatacji. Badane urządzenie jest zasilane napięciem znamionowych i dodatkowo do wybranych punktów doprowadzane są napięcia lub prądy udarowe. Źródłem udarów jest generator podłączany do wybranych punktów układu za pomocą obwodów sprzęgających, umoŝliwiających przekazanie energii od generatora do badanego układu. Ogólny schemat blokowy układu do badania odporności udarowej przedstawia rys. 5. ZASILENIE URZĄDZENIA GENERATOR PROBIERCZY OBWÓD SPRZĘGAJĄCY WPROWADZANE UDARU POZOSTAŁA CZĘŚĆ SYSTEMU URZĄDZENIE SEPARUJĄCE URZĄDZENIE BADANE Rys. 5. Ogólny schemat blokowy układu do badania odporności urządzenia na udary dochodzące z sieci zasilającej. Obwody sprzęgające są najczęściej obwodami pojemnościowymi (rys. 6a) lub indukcyjnymi (rys. 6b), rzadziej wykorzystujące iskierniki (rys. 6c). a) b) c) Rys. 6. Podstawowe elementy sprzęgające.

Generatory udarowe: część II 6 W układzie badawczym stosowane są równieŝ obwody odsprzęgające (oddzielające), które uniemoŝliwiają przechodzenie udarów testujących do instalacji elektrycznej. Dzięki temu inne urządzenia zasilane z danej instalacji nie są zagroŝone. Do odsprzęgania wykorzystywane są: transformatory separujące (rys. 7a), dławiki (rys. 7b), mieszane układy LC lub RC (rys. 7c). a) b) c) Rys. 7. Podstawowe układy odsprzęgające. W podobny sposób bada się równieŝ odporność urządzeń na udary dochodzące z linii przesyłu sygnałów. Ogólny schemat blokowy typowego układu do badania odporności urządzeń na udary dochodzące do portów sygnałowych przedstawia rys. 8. SYGNAŁZE SPRZĘTU DODATKOWEGO GENERATOR PROBIERCZY OBWÓD SPRZĘGAJĄCY WPROWADZANIE UDARU SPRZĘT DODATKOWY SPRZĘT ZABEZPIECZAJĄCY UKŁAD ODSPRZĘGAJĄCY URZĄDZENIE BADANE Rys. 8. Ogólny schemat blokowy układu do badania odporności urządzenia na udary dochodzące z linii przesyłu sygnałów. 6. GENERATORY NAPIĘĆ OSCYLACYJNYCH GASNĄCYCH Umowne impulsy testujące o postaci gasnącej fali oscylacyjnej dzielimy, ze względu na ich fazę początkową, na udary o charakterze sinusoidalnym i kosinusoidalnym. W praktyce moŝna wyróŝnić dwa sposoby generacji impulsów o postaci gasnących fal oscylacyjnych. Pierwszy z nich polega na wykorzystaniu energii zgromadzonej w elemencie reaktancyjnym. Wytwarzany udar jest kształtowany w obwodzie formującym, podobnie jak w przedstawionych generatorach unipolarnych. Schematy obwodów formujących zalecanych przez obowiązujące normy przedstawiono na rys. 9. Przedstawione obwody zaprojektowano do uzyskania udarów o określonych kształtach. Zalety takiego rozwiązania to wysokie poziomy wytwarzanych napięć i prądów. Generatory tego rodzaju charakteryzują się ograniczonymi moŝliwościami zmiany parametrów wytwarzanych impulsów. Drugim sposobem jest wytwarzanie wymaganych kształtów impulsów w układzie niskiego napięcia, a następnie ich wzmacnianie do poziomów wymaganych do badań odporności udarowej.

Generatory udarowe: część II 7 a) 300 Ω 0,0uF 0,75uH 300 Ω f = 500 khz ANSI C 3790a (1974), IEEE 472 (1974) b) 2,5 Ω Ω 0,5 uf 6 uh 5 nf f = 100 khz IEEE Std. 587 (1980) c) 2,5 Ω Ω 0,5uF 5 uh 10 nf 5 nf f = 500 khz IEEE P 587 1/F (1979) Rys. 9. Schematy typowych układów formujących wykorzystywanych do generacji gasnących impulsów oscylacyjnych. Układy zgodnie z: ANSI-C-3790A (a), IEEE-587 (b), IEEE-D 587 (c). 7. METODYKA BADAŃ. Program badań obejmuje badanie wybranych przez prowadzącego generatorów: napięć lub prądów udarowych, napięciowo-prądowych, gasnących impulsów oscylacyjnych. Do badań wykorzystany zostanie program PSPICE. NaleŜy zamodelować badane układy generatorów dla róŝnych obwodów obciąŝeń: R, LC i RLC, przy róŝnych wartościach poszczególnych elementów R, L i C. Następnym etapem jest zamodelowanie w programie kompletnego układu do badań odporności udarowej przyłączy zasilania róŝnych urządzeń elektronicznych (rys. 10), zasilanych z sieci prądu przemiennego AC 230 V wraz z układami sprzęgającymi i odsprzęgającymi. W najprostszym przypadku jako zasilanie AC moŝna przyjąć źródło napięcia sinusoidalnie zmiennego 230 V, 50 Hz. W dalszej kolejności układ naleŝy stopniowo rozbudować dołączając transformator energetyczny w sieci zasilającej budynek oraz linię zasilającą (w postaci linii długiej) pomiędzy transformatorem a układem odsprzęgającym. Jako badane urządzenie naleŝy kolejno włączać obwody zastępcze reprezentujące przyłącza zasilania typowych urządzeń AGD/RTV (rys. 11).

Generatory udarowe: część II 8 Generator napięciowo-prądowy układ odsprzęgający R = 10Ω C = 9µF Źródło zasilania AC 230 V L N PE L=1,5mH ziemia odniesienia Badane urządzenie Rys. 10. Schemat układu do badania odporności udarowej przyłącza zasilania urządzenia. Odbiornik telewizyjny 80 Ω Magnetowid 5 kω 100 nf 1 Ω 2 µh 50 Ω 20 nf 200 µh 300 nf WieŜa stereo 10 Ω 3 nf 20 µh 1 kω 1 nf 40 µh 20 Ω 200 pf Komputer osobisty 100 Ω Monitor 200 Ω 20 Ω nf 20 µh 200 nf 10 Ω 40 µh 70 nf 5 Ω 1 µh Lodówka Kuchenka mikrofalowa Zmywarka 2 µh 1 kω 20 kω 10 Ω 1,5 nf 0,5 nf 0,5 nf 0 nf 1 Ω 5 µh Rys. 11. Schematy zastępcze reprezentujące impedancje przyłączy zasilania pomiędzy zaciskami L-N typowych urządzeń AGD/RTV Protokół pomiarów powinien zawierać wyniki obliczeń charakterystycznych parametrów wytwarzanych udarów napięciowych i prądowych (wartość szczytową, czas narastania czoła, czas do półszczytu na grzbiecie udaru, częstotliwość oscylacji itp.) oraz wydruki komputerowe wybranych przebiegów udarów napięciowych i prądowych wytwarzanych w badanych układach. W szczególności naleŝy zbadać: wpływ rodzaju i wartości elementów obwodu obciąŝenia generatora na kształty udarów napięciowych i prądowych wytwarzanych w badanych układach generatora napięciowoprądowego oraz kształty udarów napięciowych i prądowych w róŝnych miejscach całego układu do badania odporności udarowej urządzeń,

Generatory udarowe: część II 9 wpływ wartości elementów obwodu obciąŝenia na kształty udarów dla wybranych generatorów napięciowych (10/700 µs, 100/700 µs, 1,2/50 µs) lub gasnących impulsów oscylacyjnych. 7.1. Opracowanie wyników badań W sprawozdaniu naleŝy zamieścić wykresy zaleŝności podstawowych parametrów udarów (czas narastania czoła, czas do połowy wartości szczytowej, sprawność generatora itp.) od impedancji lub wartości elementów obwodu obciąŝenia oraz przykładowe przebiegi wytwarzanych udarów. Przedyskutować wpływ zmian typu i wartości obciąŝenia na kształty wytwarzanych udarów. PRZEPISY BHP Podczas badań naleŝy przestrzegać zasad i przepisów bezpieczeństwa pracy omówionych podczas zająć wstępnych w laboratorium, zawartych w Regulaminie porządkowym laboratorium Kompatybilności Elektromagnetycznej i Ochrony Przeciwzakłóceniowej z uwzględnieniem przepisów BHP. Regulamin dostępny jest w pomieszczeniu laboratoryjnym w widocznym miejscu. LITERATURA 1. Augustyniak L.: Laboratorium kompatybilności elektromagnetycznej. Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, Białystok, 2010. 2. Więckowski T. W.: Badania kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2001. 3. Więckowski Tadeusz Wiesław: Badanie odporności urządzeń elektronicznych na impulsowe naraŝenia elektromagnetyczne; Wrocław: Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, 1993. 4. Flisowski Z.: Technika Wysokich napięć. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2009. 5. Machczyński W.: Wprowadzenie do kompatybilności elektromagnetycznej. Wydaw. Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2010. 6. Alain Charoy: Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych: zasady i porady instalacyjne, tomy 1, 2 3 i 4; Warszawa: WNT, 1999, 2000.