19.04.2011

Оборудование для проведения испытаний технических средств на соответствие требований к электропитанию


программируемые источники питанияПроблема обеспечения надёжной работы технических средств (ТС), особенно современной радиоэлектронной аппаратуры, в условиях воздействия помех и различных нестабильностей в сети электропитания всегда была актуальной. Существуют и действуют нормативнотехнические документы (НТД), регламентирующие требования и методы испытаний ТС в части электропитания. Нормы качества электрической энергии на клеммах питания ТС установлены в отраслевых и государственных стандартах на системы электроснабжения (СЭС), к которым подключаются данные ТС. Это может быть как сеть общего назначения 220 В, 50 Гц, так и автономные СЭС постоянного и переменного тока ограниченной мощности различных объектов, в которых напряжение и частота могут изменяться в очень широких пределах. 
Помехи, наводимые на шины питания ТС различными внутренними и внешними источниками (гармонические и импульсные помехи от радио частотного излучения, коммутации, разрядов молний, электростатики), регламентируются группой стандартов по электромагнитной совместимости (ЭМС). Таким образом, ТС должны быть работоспособны как при заданных нормах качества электроэнергии питающих СЭС, так и в условиях воздействия помех, заданных требованиями по ЭМС. 
Проведение испытаний по требованиям ЭМС вызывает определённые сложности, но испытательное оборудование для их проведения (генераторы гармонических и импульсных помех) всегда можно выбрать из номенклатуры серийно выпускаемых изделий. Испытательное оборудование, которое обеспечивало бы моделирование всех необходимых показателей качества электроэнергии (имитаторов СЭС) до настоящего времени серийно не выпускалось. По пытки создания такого оборудования неоднократно предпринимались отечественной промышленностью (особенно для имитации авиационных СЭС), но выпущенные образцы не на ходили широкого применения по разным причинам, в том числе и технического характера. 
Развитие силовой электроники и появление на современном рынке программноуправляемых источников постоянного и переменного тока позволило в настоящее время максимально просто и с наибольшей эффективностью решить проблему моделирования любого из показателей качества электроэнергии и, соответственно, создавать имитаторы практически любых СЭС в диапазоне мощностей от 500 Вт до 50 кВт. 
Такие источники способны имитировать: 
  • установившиеся и переходные отклонения напряжения (частоты) в широких пределах, обеспечивая любые параметры, требуемые НТД; 
  • пульсацию напряжения различной формы в сети постоянного тока и наличие любого спектра высших гармонических составляющих напряжения в сети переменного тока (искажения формы кривой напряжения); 
  • амплитудную (частотную) модуляцию в широких пределах модулирующих частот; 
  • перерывы питания в пределах любых параметров, требуемых НТД. 
Трёхфазные источники способны создавать также любой небаланс и сдвиг фаз. Совместное использование источников – имитаторов СЭС с различными генераторами помех позволяет создавать испытательные комплексы, способные обеспечить проведение испытаний любых ТС на воздействие всего многообразия процессов, имеющих место в цепях электропитания. 
Существуют испытательные комплексы для проведения испытаний на соответствие требованиям, установленным в следующей НТД: 
  • ГОСТ 1970589 (MILSTD 704), МУ 160, КТ160(DO160) для ТС, устанавливаемых на борт самолетов или вертолетов; 
  • ГОСТ 2875190, ГОСТ 2199989 для ТС, устанавливаемых на автомобильную и бронетанковую технику; 
  • ГОСТ РВ 2090042008, ГОСТ РВ 2090 062008, ГОСТ Р51317 4.ХХ (EN 61000) для ТС, устанавливаемых на борт кораблей;
  • ГОСТ Р51317 4.ХХ (EN61000), ITU K, ISO,ГОСТ Р В 519372002 для ТС связи. 
Возможно создание также универсального комплекса-имитатора, охватывающего весь объём необходимых требований. Структурно комплекс (см. рисунок) состоит из следующего оборудования:
  • программируемого источника – имитатора постоянного тока; 
  • программируемого источника – имитатора переменного тока (однофазного или трёхфазного); 
  • генератора сигналов произвольной формы, обеспечивающих создание пульсации напряжения в сети постоянного тока и наведение гармонических и импульсных помех с амплитудой до 20 В в диапазоне час тот до 10 МГц; 
  • генератора импульсных помех, обеспечивающего создание импульсов напряжения амплитудой от 250 до 4000 В длительностью от 50 нс до 800 мкс;
  • генераторов гармонических помех, обеспечивающих наведение на шины питания гармоник в диапазоне частот от 100 кГц до 300 МГц;
  • различных типов устройств связи и развязки для ввода в сеть питания импульсных и гармонических помех. 
Программное управление комплексом обеспечивает автоматическую установку требуемых НТД значений напряжений (частот) электропитания и подачи их на испытуемое ТС с заданной последовательностью и длительностью. Основой комплекса является источник питания, который выбирается в зависимости от рода имитируемой сети и требуемой мощности. Для имитации только сети постоянного то ка предлагаются программируемые источники питания немецкой фирмы Toellner Electronik Instrumente серий TOE 88X5YY и TOE 8871(8872)YY. 
Серия TOE 88X5YY (см. таблицу 1) представлена широким модельным рядом с диапазоном выходного напряжения 0…16; 18; 20; 24; 32; 40; 48; 64;80;100 В и токами от 0 до 320 А в зависимости от модели.

Таблица 1. Максимальные выходные токи источников питания TOE  88X5-YY, А

МодельВыходное напряжение
 16  18  20  24  32  40  48  64  80  100 
TOE 8805YY 10  9  8 7 5 4 3,5  2,5  2 1,6 
TOE 8815YY 20 18 16  14  10  8  7  5  4  3,2 
TOE 8825YY  40   36  32  27  20  16  14  10  8  6,4
TOE 8835YY 60  54  48  42  30  24  21  15  12  10 
TOE 8845YY 80  72  64  56  40  32  28  20  16  13
TOE 8855YY 100  90  80  70  50  40  35  25  20  16
TOE 8865YY 120 110  100  80  60  50  40  30 25 20
TOE 8885YY 160  145  130  110  80  65  55  40  32  26 
TOE 88105YY 200  180  160  135  100  80  70  50  40  32
TOE 88115YY 220  200  180  150  110  90  77 55 45 36
TOE 88125YY 240  215 195  160  120  96  80 60 48 40
TOE 88145YY 280  250  225  190  140  115  95  70  56  45
TOE 88165YY 32 285 260  215 160 130 110  80  64  52 

Главными достоинствами этой серии являются выработка довольно чистого питания (т.к. источники по строены на основе линейных стабилизаторов напряжения) и высокое быстродействие по изменению напряжения во всём выходном диапазоне (время изменения напряжения от 10 до 90% диапазона не более 200 мкс). В совокупности с прилагаемым программным обеспечением для построения кривых выходного напряжения и тока (ArbNet), это позволяет создавать близкие к реальным кривые переходных процессов и имитировать пульсацию напряжения с частотой до 2 кГц. Кроме того, для этих источников существуют дополнительные модули, позволяющие создавать пульсации напряжения с гармониками до 100 кГц с помощью обычного маломощного генератора. Есть и другие полезные для испытаний возможности, например, кратковременная отдача в цепь питания тока, в три раза превышающего номинальный (максимальный). 
Программируемые источники питания

Важным аспектом выбора модели источника серии TOE 88X5YY является обеспечение требуемой мощности при минимальном значении установившегося напряжения питания испытуемого ТС. Например, для авиационных ТС при нештатном режиме работы СЭС минимальное установившееся значение напряжения питания составит 18 В, а переходное значение напряжения может достигать 80 В. Таким об разом, для испытаний ТС с номинальной потребляемой мощность 500 Вт требуется источник с диапазоном выходных напряжений от 0 до 80 В и то ком до 27,7 А. Такие параметры могут обеспечить только модель ТОЕ 8885 80 и другие модели с более высокой мощностью. Это связано с тем, что модели серии TOE 88X5YY не работают в режиме поддержания постоянной выходной мощности. Выходной ток ограничивается только одним заданным значением во всём диапазоне выходных напряжений. Конструктивно источники данной серии строятся с использованием модульного принципа: один модуль является ведущим, остальные – ведомыми (бустерами). Количество бустеров устанавливается в зависимости от необходимой мощности. Максимально ведущий модуль поддерживает до 15 бустеров, что позволяет, например, построить имитатор бортовой авиационной СЭС с номинальным напряжением 27 В и мощностью до 1,28 кВт. 
Источники серии TOE 8871YY(мощностью 1000 Вт) и TOE 8872YY (мощностью 1500 Вт) на основе импульсных методов преобразования работают в режиме автоматического поддержания постоянной мощности, отдаваемой в нагрузку. Они обеспечивают изменение выходного напряжения от 0 до 40; 60; 80; 130; 200; 400 В в зависимости от модели (см. таблицу 2), но имеют существенно меньшее быстродействие, чем источники серии TOE 88X5YY(время изменения выходного напряжения от 5 до 10 мс). 

Таблица 2. Максимальные выходные токи источников питания TOE 8871-YY и TOE 8872-YY, А

Модель Входное напряжение (xx в названии модели), В 
40 60  80  130  200  400 
TOE 8871YY50 39  25  16  10  5 
TOE 8872YY100 65  50  25  15  7,5

На основе данных источников можно создавать комплексы для имитации более 1,5 кВт, поскольку имеется возможность параллельной работы до трёх модулей. В этом случае максимальная мощность сети постоянного тока может достигать 4,5 кВт. 
Для имитации сети переменного то ка наиболее перспективно применение источников питания фирмы California Instruments, США, Compact i/iX или i/iX Series II. Эти источники специально разработаны для тестирования авиационного бортового оборудования и в полной мере могут называться имитаторами СЭС, т.к. могут работать не только в режиме АС, но и в режимах DC и AC+DC.  
В модельном ряде представлены источники мощностью 750, 1500, 3000, 5000 и 10 000 ВА, которые можно включать параллельно (до трёх модулей) для увеличения мощности, а также конфигурировать в трёхфазные источники с максимальной мощностью до 30 кВА (см. таблицу 3). 

Таблица 3. Максимальные выходные токи источников питания серии Compact i/iX и i/iX Series II, А

МодельВыходное напряжение, В
 AC, 150  AC, 300  DC, 200  DC, 400 
Compact i/iX Series
751i/iX 6,5 3,25 3,25 1,6
501i/iX 13 6,5 6,5 3,25
2253i/iX* 19,5 9,75 9,75 4,8
i/iX Series II
3001i/iX 22,2 11,1 15,6 7,8
5001i/iX 37 18,5 26 13
9003i/iX* 66,6 33,3 46,8 23,4
10001i/iX 74,0 37,0 52,0 26,0
15001i/iX* 111,0  55,5  78,0 39,0
15003i/iX* 111,0 55,5 78,0 39,0
30003i/iX* 74,0 37,5 52,0 26,0
* Сборка из 3 источников питания

В режиме АС эти программируемые источники питания работают в двух диапазонах напряжений: нижний диапазон от 0 до 150 В; верхний диапазон от 0 до 300 В, и выдают частоту от 16 до 1000 Гц. Напряжение может быть модулировано как по амплитуде, так и по частоте, а для трёхфазного режима может быть запрограммирован фазовый сдвиг, изменяемый во времени, и не баланс напряжений в различных фазах. Также возможно получение от источника переменного напряжения со сдвигом кривой напряжения на постоянную величину (режим AC+DC). Мощность, отдаваемая в нагрузку в режиме АС, максимальна в диапазоне выходных напряжений от 50 до 90% верхнего значения диапазона, что оптимально для имитации авиационной бортовой сети 115/200 В с частотой 400 Гц. В комплект поставки, например, для испытания авиационных ТС, могут быть включены уже готовые программные пакеты для проведения испытаний на соответствие DO160 и MilStd 704D/E. 
В режиме DC напряжение также может изменяться от 0 до 200 В (нижний диапазон) или от 0 до 400 В (верхний диапазон). Максимальная мощность отдаётся в нагрузку при выходном напряжении, равном 65% верхнего значения диапазона, а затем линейно снижается при уменьшении выходного напряжения. Эту особенность источников необходимо учитывать при использовании их для имитации низковольтных сетей постоянного тока. Так, для имитации авиационной бортовой сети 27 В мощностью до 500 Вт с диапазоном установившегося напряжения 18…32 В необходимо использовать сборку из трёх источников i/iX Series II. В этом случае комплекс будет обеспечивать имитацию сетей как постоянного, так и переменного тока. Такое решение с использованием единого источника питания Compact i/iX или i/iX Series II получается оптимальным по критерию цена/качество, если требуется имитировать мощную сеть переменного тока и относительно мало мощную низковольтную сеть постоянного тока. Подбор устройств генерации импульсных и гармонических помех для разных типовых вариантов комплектации слабо зависит от рода тока имитируемой сети и в основном определяется требованиями НТД. В одних случаях используются вышеописанные возможности источников питания, в других – стандартные лабораторные генераторы в комплексе с широкополосными высокочастотными усилителями мощности или специализированные генераторы высоковольтных импульсов и мощные генераторы гармонических помех. Последние формируют помехи, нормированные по форме, частоте и амплитуде международной системой стандартов по ЭМС для электросетей общего назначения. Форма, частота и амплитуда допустимых помех, регламентированная отраслевыми (точнее, «видовыми») стандартами, часто отличаются для сигналов, вырабатываемых серийно выпускаемыми генераторами. Например, импульсы напряжения, возникающие в электро сети общего назначения, имеют длительность до 100 мкс, а в авиационной СЭС по ГОСТ 1970589 – до 10 мкс. Используя различные схемы согласования («рассогласования»), аттенюаторы и дополнительные нагрузки, можно преобразовывать формы импульсов одного стандарта в импульсы другого стандарта. 
Всегда можно подобрать оптимальный вариант испытательного комплекса требуемой мощности. Компактность и удобство использования предлагаемых комплексов позволяет использовать их на всех стадиях жизненного цикла ТС – от разработки до приёмосдаточных испытаний, а также при аттестации серийно выпускаемой продукции, в том числе и зарубежной. 
В заключение следует добавить, что комплексы имитации могут быть аттестованы с участием 32 ГНИИИ МО на возможность проведения испытаний ТС в соответствие требованиями, установленными конкретной НТД.