Część 7 Zaburzenia przewodzone a. Geneza i propagacja, normy i
advertisement
Część 7 Zaburzenia przewodzone a. Geneza i propagacja, normy i pomiar Wymagania kompatybilności elektromagnetycznej ● Wymagania normatywne ● emisja zaburzeń odporność na zaburzenia (UE) Poziomy norm Unia Europejska ● ● CISPR → EN55xxx IEC → EN50xxx EN60xxx, 61xxx obowiązują na podstawie dyrektywy „EMC” 2004/108/WE znak „CE” ● Dodatkowe zróżnicowanie USA, Kanada FCC Part 15 obecnie znacząco zbieżna z EN znak „FCC” ● podstawowe ogólne – środowiska (domowe – przemysłowe/biurowe) produktowe – urządzenia lub zastosowania (np. medyczne) pierwszeństwo ma bardziej szczegółowa emisja (emission) – odporność/podatność (immunity/susceptibility) drogi propagacji Wymagania funkcjonalne odporność na zaburzenia (USA) autokompatybilność (układ nie zakłóca własnej pracy) Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 2 Pojęcia normatywne ● Zaburzenie (disturbance) – przyczyna ● Zakłócenie (interference) – skutek ● emitowane przez źródło (source, culprit) propaguje się do ofiary ▶ przez przewodzenie (przepływ prądu) ▶ przez promieniowanie (pole elektromagnetyczne) nieprawidłowe działanie ofiary (victim) wywołane przez zaburzenie Terminologia potoczna „zakłócenie” w obu znaczeniach „EMI” zwykle w znaczeniu zaburzeń Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 3 Częstotliwości zaburzeń – normy a emisja z przekształtników elektronicznych 50 Hz 2 kHz 9 kHz 150 kHz Pasmo Wartości charakterystyczne Źródło 50 Hz … 2 kHz Częstotliwość sieciowa i jej harmoniczne Kondensatory prostowników Częstotliwość przełączania i jej harmoniczne Czas trwania impulsu Przełączanie łączników półprzewodnikowych 9 kHz … 150 kHz 150 kHz … 30 MHz 30 MHz Czas przełączania Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 4 Skutki zwiększania szybkości pracy przekształtników impulsowych ● Wzrost częstotliwości przełączania szersze pasmo zaburzeń ▶ niekorzystne ▶ istotne dopóki f < 150 kHz s ● Wzrost szybkości przełączania szersze pasmo zaburzeń intensywniejsza propagacja przez promieniowanie 1/πtp większe odległości między harmonicznymi ▶ mniejsza energia zaburzeń w paśmie chronionym ▶ korzystne ▶ wyraźne gdy f ≫ 150 kHz s intensywniejsza propagacja przez promieniowanie ▶ niekorzystne łatwość filtracji ▶ korzystne 1/Ts 1/πtsw 2/Ts Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 5 Układ pomiarowy zaburzeń przewodzonych dla urządzeń sieciowych napięcie odkładane przez prądy zaburzeń na normatywnej impedancji Analizator widma pomiar amplitudy napięcia zaburzeń w funkcji częstotliwości Sieć napięcia przemiennego małe odkształcenie napięcia Sieć sztuczna normalizacja impedancji, na którą oddziałuje badany układ Filtr zaburzeń Prostownik źródło zaburzeń niskiej częstotliwości (harmoniczne 50 Hz) Przetwornica impulsowa źródło zaburzeń średniej i wysokiej częstotliwości (częstotliwość przełączania i jej harmoniczne) Odbiornik zwykle o mocy znamionowej przekształtnika Badany przekształtnik Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 6 Sieć sztuczna ● Zadania ● filtracja napięcia sieci – minimalizacja wpływu zaburzeń obecnych w sieci zapewnienie standardowej, stałej impedancji źródła zasilającego (ofiary) mierzone urządzenie (napastnika) – powtarzalność wyników wytworzenie sygnału kompatybilnego z urządzeniami pomiarowymi Sygnał wyjściowy (wejście analizatora widma) niskie napięcie (wyłącznie w.cz.) występujące na normatywnej impedancji stąd jednostką mierzonych zaburzeń są dBμV Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 7 Konstrukcja sieci sztucznej ● Nazewnictwo ● sieć sztuczna = artificial mains – potoczne, ale w normach naukowo: obwód stabilizacji impedancji sieci = LISN – Line Impedance Stabilization Network Topologia i parametry ● Filtr górnoprzepustowy na wyjściu do analizatora ● określone w normie CISPR16 pasmo 150 (9) kHz … 3 MHz impedancja wyjściowa dla w.cz. 50 Ω (nienormatywne 75 Ω) określona charakterystyka częstotliwościowa dla ś.cz. kondensatory szeregowe 0,1 µF Filtr zaburzeń obecnych w sieci cewki 50 µH nie przepuszczają zaburzeń do urządzenia badanego kondensatory 1 µF zapewniają ścieżkę dla prądu zaburzeń Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 8 Charakterystyka częstotliwościowa impedancji wyjściowej Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 9 Impedancje elementów dla niskich i wysokich częstotliwości 30 MHz 50 Hz Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 10 Pełny schemat sieci sztucznej ● ● ● ● Rohde&Schwarz ENV216 Dodatkowe filtry od strony sieci Tłumik sygnału 10 dB + ogranicznik szybkich stanów przejściowych (transient suppressor) Sztuczna dłoń (artificial hand) Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 11 Sztuczna dłoń ● Standaryzowana impedancja człowieka ręka-ziemia ● do badania urządzeń przeznaczonych do trzymania w dłoni przyłączana do metalowych części obudowy oraz do folii przewodzącej owiniętej w miejscach chwytu Liczy się wynik pomiaru zaburzeń w gorszym z przypadków (z/bez sztucznej dłoni) Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 12 Bezpieczeństwo pracy z siecią sztuczną ● ● ● Gdyby sieć sztuczna była uziemiona przez przyłącze sieciowe, doprowadziłoby to do zadziałania zabezpieczeń Prąd filtrów wejściowych sieci sztucznej (~100 mA) zamyka się przez PE Ten prąd upływu jest większy od progu zabezpieczeń różnicowych nie może ich być w instalacji lub sieć sztuczna nie może być uziemiona przez przewód PE sieci zasilającej Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 13 Bezpieczeństwo pracy z siecią sztuczną (cd.) ● Niebezpieczeństwo ● Sieć zawsze musi być osobno połączona w pewny sposób z dobrym uziomem ● awaryjny, przypadkowy lub intencjonalny brak uziemienia poprzez kondensatory na obudowie wytworzy się potencjał 115 V (AC) przewody nieizolowane aby dostrzec uszkodzenie duży przekrój – mniejsza rezystancja i ryzyko przerwania System pomiarowy cały może być galwanicznie połączony z siecią sztuczną (analizator, komputer) Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 14 Przykładowe limity zaburzeń przewodzonych wysokiej częstotliwości ● Sprzęt komputerowy i naukowy ● EN50022 = CISPR22, EN50011 FCC Part 15 Klasy A – środowisko przemysłowe (i biurowe) B – środowisko domowe Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 15 Detektory analizatorów widma ● Szczytowy (peak, PK) ● Uśredniający (average, AV) ● wartość maksymalna w czasie nie odzwierciedla czasu trwania impulsu ani częstotliwości powtarzania wartość średnia nie odzwierciedla amplitudy Quasi-szczytowy (quasipeak, QP) faza ataku i rozładowania odzwierciedla zarówno amplitudę, jak i współczynnik wypełnienia Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 16 Podział zaburzeń przewodzonych ze względu na drogę propagacji ● Zaburzenia różnicowe (symetryczne) DM – differential-mode (symmetric) przez przewody zasilania z udziałem pasożytniczych R i L w pętli obwodu mocy wywoływane przez prąd model źródła – char. napięciowy ● Zaburzenia wspólne (asymetryczne) CM – common mode (asymmetric) przez sprzężenia do ziemi zwykle pasożytnicze C wywoływane przez napięcia model źródła – char. prądowy Icm/2 – przy założeniu równych impedancji połączeń Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 17 Skutki nierównych impedancji połączeń ● ● Nierówne impedancje spowodują różne prądy w L i N Przykład – wyniki pomiaru ● Rzeczywiste prądy: ● 2 µA ← w L 5 µA → w N CM 3 µA (→ w L/N, ← w E) DM 3,5 µA (← w L, → w N) Niesymetryczny CM jest równoważny kombinacji CM i DM (analogia: AC i DC) Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 18 Obwody prądów zaburzeń różnicowych i wspólnych Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 19 Generacja zaburzeń różnicowych w przekształtniku ● ● Gdyby kondensator wejściowy był idealny, zaburzenia zamknęłyby się przez niego Model ● Niższe częstotliwości ● źródło napięcia kiedy diody są załączone źródło prądu kiedy są wyłączone częstotliwość przełączania i jej harmoniczne Bardzo niskie częstotliwości pomijamy częstotliwość sieci i jej harmoniczne: f ≪ 150 kHz jednak podmagnesowują rdzenie filtrów, wpływając (negatywnie) na ich skuteczność Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 20 Generacja zaburzeń wspólnych w przekształtniku ● ● Sprzężenie pojemnościowe Wyższe częstotliwości ● Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 wyższe harmoniczne przełączania strome zbocza Przy tych częstotliwościach znacząca staje się emisja przez promieniowanie 21 Wpływ podkładek izolacyjnych ● Metalowa część obudowy przyrządu półprzewodnikowego ● Rezystancja cieplna ● Pojemność elektryczna ● Wobec tego Zewnętrzny radiator ● zwykle połączona elektrycznie z jedną z końcówek (podłożem technologicznym) ● często uziemiony ze względu na bezpieczeństwo użytkownika Podkładka izolacyjna pasożytnicza pojemność między obwodem a ziemią propagacja zaburzeń, szczególnie w.cz., dla których impedancja jest mała Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 22 Uproszczony model sieci sztucznej widzianej przez analizator widma ● ● L – na tyle mała by nie blokować 50 Hz, ale na tle duża, że dla 150 kHz stanowi rozwarcie C - na tyle mała by blokować 50 Hz, ale na tle duża, że dla 150 kHz stanowi zwarcie Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 23 Sygnał mierzony a składowe zaburzeń ● ● Model obwodowy sieci sztucznej zawiera w sobie również impedancję kabla do analizatora widma (50 Ohm) Normy muszą spełnić VL i VN, nie Icm i Idm Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 24 Rozdział zaburzeń na składowe ● ● ● Niemniej systematyczna (rozmyślna) minimalizacja zaburzeń często wymaga pomiaru składowych CM i DM Sieci sztuczne o tej funkcjonalności rzadko spotykane Układ Nave a ● Układy transformatorowe ● tłumi DC o 50 dB, CM o 4 dB transformator przenosi wyłącznie sygnały różnicowe Obie metody wymagają modyfikacji LISN aby dostępne były jednocześnie VL i VN Łukasz Starzak, Optymalizacja parametrów przekształtników, zima 2011/12 25
