ОЦЕНИВАЯ ПОГРЕШНОСТЬ

Андрей Смирнов,
Доктор технических наук, руководитель направления ЭМС и радиоизмерений АО «НПФ «Диполь» 
smirnov@dipaul.ru

Екатерина Смирнова,
Инженер по метрологии и стандартизации ООО «Профигрупп»
SmirnovаEA@dipaul.ru

Филипп Колдашов,
Технический специалист АО «НПФ «Диполь» 
KoldashovFG@dipaul.ru

В рамках испытаний электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств (ТС) в части вносимых искажений в линии питания для межлабораторных сличений может применяться программируемый источник питания (ПИП). Выходное напряжение ПИП с внесенными известными искажениями по гармоникам, изменениям и колебаниям напряжения, а также с заданным фликером используется как стабильная мера физической величины, предназначенная для оценки погрешности испытательной лаборатории.

Введение

Измерения искажений, создаваемых техническими средствами в подключенных к ним линиях питания, являются обязательной частью сертификационных испытаний ТС различного назначения в области оценки электромагнитной совместимости (ЭМС). Данные требования в полной мере относятся к ТС, эксплуатируемым или связанным с объектами судостроения [1]. К числу этих измерений относятся:

• измерения уровня вносимых гармоник тока частоты питающего напряжения, проводимые в соответствии с [2];

• измерения вносимых отклонений и нестабильности напряжения, а также фликера, проводимые в соответствии с [3].

Кроме указанных стандартов, регламентирующих требования и методы измерений, существует значительное количество продуктовых стандартов, содержащих перечисленные требования, а также стандарты, аналогичные [2, 3], но для токов потребления свыше 16 А. Сертификационные испытания проводятся в аккредитованных лабораториях с помощью соответствующих поверенных средств измерений. Однако актуальные требования к испытательным лабораториям [4] обусловливают необходимость проведения межлабораторных сличений (МС). В статье предлагается возможный путь организации МС при измерениях вносимых искажений от ТС в линии питания. 

Постановка задачи и решение

Средства измерений (СИ) характеристик вноси­мых искажений достаточно просты. В техническом плане они представляют, по сути, встроенный бы­стродействующий АЦП и некоторое программное обеспечение (ПО), выполняющее измерения таких ха­рактеристик. Обычно подобные измерения и требо­вания к характеристикам ТС присутствуют совместно [2, 3]. Поэтому рационально рассматривать алгорит­мы МС в данных областях измерений параллельно.

Для измерений уровня вносимых гармоник тока процедура состоит в определении частоты и напря­жения в сети на основной частоте и вычислении уровня гармонических составляющих на частотах, кратных частоте питающего напряжения, всего до 40 гармоник. Как минимум обычно измеряется уровень нелинейных искажений, который фактически являет­ся некоторой интегральной характеристикой и равен отношению суммы всех гармоник к основной гармо­нике. Однако при испытаниях измерению и проверке нередко подлежит каждая составляющая. Решение о сертификации ТС принимается по результатам про­верки каждой гармоники, что может привести к за­браковке ТС по одной составляющей.

Рис.1.1 – Программируемый источник питания

Рис.1.2 – СИ искажений сети питания

СИ уровня вносимых гармоник включают процедуру извлечения времен­ной выборки, выполнение ее спектрального анализа и оценку соответствующих спектральных составляющих. Понятно, что оценка основной частоты питающе­го напряжения, а не его номинального значения играет существенную роль, а погрешность ее измерений будет накапливаться с ростом номера гармоники. Вероятно, что алгоритмы выполнения измерений должны учитывать этот фак­тор, принимая в качестве оценки максимальное значение спектральной состав­ляющей в ближайшей окрестности частоты гармоники. Очевидно, что в данной области измерений исключительно важна правильность работы ПО. И целью МС фактически должна быть проверка правильности функционирования ПО, алгоритмы работы которого обычно скрыты.

Поскольку источником возникающих гармоник напряжения является нелинейность входной нагруз­ки ТС, то наиболее естественным путем организации МС может стать выбор некоторой нелинейной на­грузки с известными стабильными характеристи­ками нелинейности и использование ее в качестве эквивалента ТС. Тогда МС могли бы быть реализо­ваны путем сравнительного измерения уровня вно­симых нелинейных искажений, создаваемых данной нагрузкой. Однако такой подход обеспечивает из­мерения только при одном значении номинального тока, в то время как стандарты нормируют требова­ния к уровням нелинейных искажений для ТС с раз­ными токами (как минимум в диапазоне 16 А).

Поэтому в качестве метода обеспечения МС был выбран иной метод. Его суть заключалась в из­начальном задании питающего напряжения с опре­деляемыми относительными уровнями гармоник. Данное напряжение питания с внесенными искаже­ниями являлось исходным питанием проверяемого СИ. При этом в качестве объекта испытаний исполь­зовалась пассивная линейная резистивная нагрузка. Для этих целей был предложен прецизионный про­граммируемый источник питания (ИП), например источник питания NSG 1005-3 (Ametek) (рис. 1.1 и 1.2). В нем предусмотрена возможность добавления выходного напряжения АС гармонических составля­ющих в требуемом частотном диапазоне.

Предложения опробовались для СИ типа Profline 2100 (Ametek) c внедренным ПО WIN 2100. Результаты измерений представлены на рис. 2. Как видно из результатов, СИ корректно измерило вносимые искажения, приняв их как результат не­линейных искажений от нагрузки. Таким образом, предложенный подход может быть использован для МС в части измерений по [2].

Рис. 2 – Результаты измерений относительного уровня гармоник для заданного уровня гармоник

Следующее направление — разработка МС для СИ искажений типа изменения и колебания напря­жения, а также фликера. Источником данных помех становится нестабильность нагрузки. Обычно среди трех указанных показателей два первых — обяза­тельные, а измерения фликера необходимы лишь для некоторых ТС.

Измерения колебаний и изменений напряжения основаны на мониторинге среднеквадратических полупериодных напряжений, нормированных отно­сительно устоявшегося напряжения. Национальные стандарты различных годов выпуска, аналогичные [3], содержат ошибки перевода, касающиеся терми­нов в области вносимых искажений. Это относится к таким используемым выражениям, как «установив­шееся напряжение», «изменение установившегося напряжения», и ряду других понятий и критериев. Поэтому, несмотря на то что собственно процедура регистрации полупериодных напряжений и монито­ринга их изменений не должна вызывать трудностей, неоднозначность толкования терминов и критериев, динамические изменения опорных величин, расплыв- чатость временных моментов для съема измери­тельной информации могут приводить к различным алгоритмам работы ПО и, следовательно, к погреш­ности измерений. Таким образом, для измерений данных параметров важна роль используемого ПО и то, насколько его разработчиком учтены все критерии соответствия выдаваемых оценок. Надо отметить, что [3] вводит некоторый контрольный временной профиль изменения напряжения пита­ния для проверки правильности работы программ­ного обеспечения. Однако, на наш взгляд, данный контрольный профиль достаточно прост, содержит лишь однократные явления, отражающие особен­ности критериев.

В частности, при однократных и быстрых скачках напряжения нет гарантии, что используемое ПО успе­ет отследить факт изменения напряжения. В целом для повышения объективности имеет смысл разно- образить используемые профили напряжения, при­меняемые для проверки правильности работы ПО, в том числе с включением в профиль напряжения непродолжительных, но быстрых изменений напря­жения. Для этих целей также может быть использо­ван программируемый ИП с заданием совокупности произвольных профилей напряжения питания (рис. 3).

Рис.3 – Пример профиля измерительной информации и оцениваемые значения (изменения и колебания напряжений)

В качестве примера были выбраны те же ИП NSG 1005-3 с внедренным аттестованным ПО WIN 2100. Результаты сравнения вводимых показателей и данных измерений продемонстрировали кор­ректность вводимых профилей напряжения более широкой номенклатуры, что обусловливает воз­можность их использования для тестирований дру­гих аналогичных СИ и ПО.

В отличие от рассмотренных ранее фликер, яв­ляющийся мерой физического восприятия мерца­ния светового потока некоей лампы под действием изменения напряжения в сети, оценивается как ре­зультат статистической обработки изменяющегося относительного напряжения сети при подключении ТС. Конструктивно фликерметр состоит из ряда бло­ков, моделирующих цепь восприятия «свет-чело­век-мозг», и блока статистической обработки для вычислений дозы фликера (различают кратковре­менную и долговременную дозу фликера).

Создание амплитудной модуляции питающего напряжения синусоидальной формы или меандра с помощью программируемого ИП (рис. 1) позволя­ет оценить ожидаемое значение фликера и тем са­мым проверить правильность работы ПО по оценке фликера. Полученные результаты (рис. 4) показали хорошее совпадение, тем самым подтвердив рабо­тоспособность предложенного подхода.

Рис.4 – Сравнительные результаты (расчет и измерение) фликера Pst для питания c разной АМ (глубина и частота)

Выводы

1. Для проведения межлабораторных сличений при измерени­ях вносимых искажений в линиях питания предложено использовать программируемый источник питания с вводимыми априорно искаже­ниями сети питания.

2. Результаты опробования подхода для измерений вносимых гар­моник, изменений и отклонений напряжения, а также фликера пока­зали работоспособность предложенного подхода.

Литература

1. Российский морской регистр судоходства. Правила классификации и построй­ки морских судов. Часть XI. Электрическое оборудование. СПб, ФАУ «Российский морской регистр судоходства», 2019.
2. ГОСТ IEC 61000-3-2-2017. Электромагнитная совместимость (ЭМС). Часть 3-2. Нормы. Нормы эмиссии гармонических составляющих тока (оборудование с вход­ным током не более 16 А в одной фазе). Введ. 2018-12-01. М.: Стандартинформ, 2018.
3. ГОСТ IEC 61000-3-3-2015. Электромагнитная совместимость (ЭМС). Часть 3-3. Нормы. Ограничение изменений напряжения, колебаний напряжения и фликера в общественных низковольтных системах электроснабжения для оборудования с номинальным током не более 16 А (в одной фазе), подключаемого к сети электро­питания без особых условий. Введ. 2016-03-01. М.: Стандартинформ, 2016.
4. ГОСТ ISO/IEC 17025-2019. Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий. Введ. 2019-09-01. М.:ч Стандартинформ, 2021