18.04.2010

Имитаторы качества электрической энергии систем электроснабжения


Проблема обеспечения надёжной работы современных технических средств (ТС) в условиях воздействия помех и различных нестабильностей в сети электропитания всегда была актуальной. Существует большое число публикаций, посвящённых этой теме. Приняты и действуют отраслевые и государственные стандарты, которые регламентируют требования к качеству электрической энергии как в сети общего назначения, так и в автономных системах электроснабжения (СЭС) различных объектов. Разработаны и действуют отечественные и международные стандарты, в которых установлены требования и методы проверки ТС на соответствие качеству электропитания и электромагнитной совместимости (ЭМС).
Однако выполнение данных требований в полном объёме, с проведением испытаний ТС на восприимчивость к помехам в сети питания, до настоящего времени сдерживалось отсутствием аттестованного испытательного оборудования – имитаторов СЭС, которые обеспечивали бы моделирование всех необходимых показателей качества электроэнергии (ПКЭ). Попытки создания такого оборудования неоднократно предпринимались отечественной промышленностью, но выпущенные образцы не находили широкого применения по разным причинам, в том числе и технического характера.
Технически проще всего реализовывается имитация ПКЭ сети постоянного тока. Опытные образцы имитаторов авиационной СЭС 27 В постоянного тока ограниченной мощности в различное время выпускались отечественной промышленностью в виде лабораторных приборов, а некоторые модели до сих пор предлагаются на рынке.
Моделирование для сети переменного тока всех необходимых изменений частоты питающего напряжения (установившиеся и переходные отклонения, модуляция), а также различных искажений формы напряжения с требуемым спектром гармонических составляющих является довольно сложной технической задачей. Поэтому часто для имитации сети переменного тока приходится использовать источники питания на основе электромашинных агрегатов, т.е. уникальное, нестандартное оборудование, которое не предназначено для широкого применения.
Развитие силовой электроники и появление на современном рынке программно#управляемых источников постоянного и переменного тока позволяет максимально просто и с наибольшей эффективностью решить проблему моделирования любого из показателей качества электроэнергии и создавать комплексы имитации практически любых СЭС.
Разработчикам аппаратуры предлагается несколько вариантов комплексов имитации систем электроснабжения (КИСЭС) в различной комплектации:
  • «КИСЭС-Авиа» для проведения испытаний авионики, устанавливаемой на борт самолёта или вертолёта, на соответствие требованиям ГОСТ 19705-89, МУ-160, КТ-160, DO-160D;
  • «КИСЭС-Авто» для проведения испытаний аппаратуры, предназначенной для оснащения автомобилей  бронетанковой техники, на соответствие требованиям ГОСТ 28751-90, ГОСТ 21999-89;
  • «КИСЭС-Море» для проведения испытаний аппаратуры, устанавливаемой на борт кораблей и подводных лодок;
  • «КИСЭС-Связь» для проведения испытаний аппаратуры, предназначенной для оснащения передвижных пунктов связи, на соответствие ГОСТ РВ 51937-2002;
  • «КИСЭС-Космос» для проведения испытаний аппаратуры, предназначенной для установки на искусственные космические объекты.
Структурно каждый комплекс состоит из следующего серийно выпускаемого оборудования (см. рисунок):
  • программируемого источника питания, способного изменять выходное напряжение (частоту для источника переменного тока) в широких пределах, обеспечивая требуемые в нормативно-технической документации (НТД) параметры;
  • различных генераторов импульсных помех, обеспечивающих создание импульсов напряжения в зависимости от требований НТД – амплитудой от 50 В до 10 кВ длительностью от 50 нс до 700 мкс;
  • генератора гармонических помех;
  • устройства связи/развязки для ввода в сеть питания импульсов напряжения и гармонических помех.
Программируемые источники питания
Программное управление комплексом обеспечивает автоматическую установку требуемых в НТД напряжений (частот) в сети электропитания, которые подаются на испытуемое ТС
в заданной последовательности и длительности.
В качестве источников постоянного тока могут использоваться как модели на основе линейной стабилизации напряжения, так и с использованием импульсных методов преобразовании энергии.
Главными достоинствами источников питания на основе линейного стабилизатора напряжения является формирование очень чистого питания и возможность обеспечить очень быстрое (не более 200 мкс) программное изменение напряжения во всём выходном диапазоне. Эти свойства, в совокупности с прилагаемым программным обеспечением для построения кривых выходного напряжения, позволяют имитировать наложение на постоянное напряжение переменного напряжения с частотой до 2 кГц.
Кроме того, существуют возможности «подмешивать» в питание мощной нагрузки гармонические колебания до 100 кГц, вырабатываемые обычным лабораторным маломощным генератором. Есть и другие, полезные для испытания аппаратуры функции,
например, возможность кратковременной отдачи в цепь питания тока, в три раза превышающего номинальный (максимальный).
Комплексы имитации сети переменного тока строятся на основе программируемых источников питания как однофазных, так и чисто трёхфазных моделей с максимальной мощностью до 2250 Вт. Однофазные источники могут для увеличения мощности работать параллельно, а также их можно сконфигурировать в трёхфазные.
В режиме переменного тока эти программируемые источники питания позволяют выдавать любое напряжение питания от 0 до 300 В с частотой от 16 до 1000 Гц. Напряжение может быть модулировано как по амплитуде, так и по частоте, а для трёхфазных источников может быть запрограммирован фазовый сдвиг, изменяемый во времени, и разбаланс напряжений в различных фазах. Также возможно получение переменного напряжения со сдвигом на постоянную составляющую.
Набор устройств генерации импульсных и гармонических помех для разных типовых вариантов комплектации мало зависит от рода тока имитируемой сети, скорее – от требований НТД. В одних случаях используются вышеописанные возможности источников питания, в других – стандартные лабораторные генераторы в комплексе с широкополосными высокочастотными усилителями мощности, в третьих случаях – генераторы высоковольтных импульсов и мощные генераторы гармонических помех.
Генераторы высоковольтных импульсов и мощные генераторы гармонических помех формируют помехи, нормированные по форме, частоте и амплитуде согласно международной системе стандартов ЭМС для электросетей общего назначения. Форма, частота и амплитуда допустимых помех, регламентированная отраслевыми (точнее, «видовыми») стандартами, часто отличаются от сигналов, вырабатываемых серийно выпускаемыми генераторами. Например, импульсы напряжения, возникающие в электросети общего назначения, имеют длительность 100 мкс, а в авиационной СЭС по ГОСТ 19705-89 – 10 мкс. Используя различные схемы согласования («рассогласования»), аттенюаторы и дополнительные нагрузки, можно преобразовывать формы импульсов одного стандарта в импульсы другого стандарта.
Компактность и удобство пользования комплексом имитации бортовой сети позволяет использовать его на всех стадиях жизненного цикла ТС: от разработки до приёмо-сдаточных испытаний, а также при аттестации серийно выпускаемой продукции, в том числе и зарубежной.
В заключение следует добавить, что поставляемые комплексы имитации бортовых сетей, как правило, аттестовываются с участием 32-го ГНИИИ МО на возможность проведения испытаний ТС в соответствии с требованиями, установленными в конкретной НТД.