Уровни совместимости, пределы и запасы оборудования.

За нашу практику у Заказчиков постоянно возникают вопросы по определению уровней помех и воздействий, которым должны соответствовать их изделия. Не все стандарты на виды продукции однозначно устанавливают нормы. Многие лаборатории и органы по сертификации по-разному определяют требования и выбирают методы, если они не прописаны в явном виде. Тяжелее приходится производителям. Откуда им заранее знать чему соответствовать, если нет своих специалистов и какие меры или решения применять? Как быть уверенным при разработке, что устройство пройдет испытания наверняка? Это касается и рынка и бытовых приборов и промышленных устройств, и военных изделий. Каждый производитель хочет, чтобы его продукция “не фонила”, не сбивалась и был запас. Тема запаса по устойчивости к помехам или отношению к норме из стандартов поднимается практически каждый раз при испытаниях или поставках ИО как вопрос гарантии для изготовителя, что его меры эффективны, а время и средства не потрачены зря.

Приведем краткое описание и интерпретация основопола-гающих концепций и практик по данному вопросу в качестве отправной точки для исследо-вательских работ предприятий – изготовителей, научных работ и производственных задач.

Базовая концепция такова: основные устройства можно разделить на две группы:

1) источники помех: излучатели, устройства, создающие возмущающие напряжения, токи и

2) приемники помех (восприимчивые устройства), т. е. устройства, оборудование или системы, работа которых может ухудшиться из-за этих возмущений.

Некоторые устройства могут принадлежать одновременно к обеим группам. Между ними существует взаимосвязь, подробнее можно ознакомится здесь. Концепция выбора уровней международной электротехнической комиссии (МЭК/IEC) заключается в том, что уровень эмиссии помехи всегда должен быть ниже ее уровня устойчивости (восприимчивости). Так в стандартах выбирается норма для излучения, которой изделия определенного типа и применения должны соответствовать. Т.е. все устройства (например, при сертификации) должны иметь уровни излучений ниже нормы. А амплитуды воздействие должны быть не менее уровня устойчивости для определенного типа устройств или мест их размещения (условий применения). Частично мы затрагивали этот вопрос, рассказывая про формирование стандартов MIL-STD и АЭС США. Аналогичный подход используется и в стандартах IEC 61000.

На рис.1 изображены уровни эмиссии и устойчивости (и связанные с ними пределы) на одном графике.

Рис. 1 Проектный запас

Из графика видно, что стандартизация в области ЭМС же предупредила вопрос посмотрела Аналогичный подход используется и в стандартах IEC 61000.

На рис.1 изображены уровни эмиссии и устойчивости (и связанные с ними пределы). Указанный запас и является прерогативой производителя (проектанта). На рис. 2 показан запас совместимости (электромагнитной). Вы можете анализировать его не только в данной полосе частот, но и по конкретному виду воздействий, способу применения, виду испытуемого изделия или способу возникновения. Уровень совместимости выражается в тех же единицах, что и пределы.

Рис. 2 Запас совместимости

Когда электромагнитная обстановка (среда) является известной, то сначала может быть выбран уровень совместимости, после этого выведены пределы эмиссии и устойчивости. Тогда ЭМС в этой обстановке может быть достигнута наиболее экономичным способом, например, когда первоначальный выбор уровня совместимости осуществляется по финансовым и техническим причинам. Если электромагнитная среда не контролируется, уровень выбирается исходя из существующих или ожидаемых уровней воздействий (проведение исследований, расположение возможных источников, проектная или нормативная документация и т.п.). Однако, пределы еще предстоит оценить, чтобы гарантировать, что существующие или ожидаемые уровни помех не увеличатся при установке нового оборудования и что такое оборудование обладает достаточной устойчивостью. Если испытания или расчеты показывают, что существующая обстановка должна или может быть улучшена из-за финансовых или технических последствий (категорирование помещений, плановое обследование электромагнитной обстановки (ЭМО) и мониторинг сбоев, уровень совместимости должен быть скорректирован, что приведет к более экономичному решению для всей системы (проекта).

Для первоначальной оценки, если других данных нет, разработчик может использовать для оценок ЭМО, в которой его продукцию будут применять, такие стандарты как:

ГОСТ 30804.6.1, 6.3 – ЭМС ТС в жилых, коммерческих зонах.

ГОСТ 30804.6.2, 6.4 – ЭМС в производственных зонах.

ГОСТ 34594.1/2 – ЭМС умного города.

ГОСТ Р 51317.2.4 – Электромагнитная обстановка.

В общем, хорошо описана методология обеспечения ЭМС в ГОСТ Р 51317.1.2.

Определение пределов от уровня совместимости регулируется вероятностными соображениями. В общем случае эти ограничения не находятся на равных расстояниях от уровня совместимости, а уровень совместимости определяется для идеализированной ситуации, когда предполагается, что функции плотности вероятности известны.

Пример 1:

Предположим, что предел невосприимчивости (устойчивости) должен быть определен в отношении гармоник частоты общественной низковольтной сети питания и подключенного к ней оборудования. Ограничимся для простоты рассмотрением нечетных гармоник. Уровень гармонических составляющих в сети общего пользования трудно контролируем. Нагрузки постоянно меняются, единой системы контроля нет. Поэтому рассмотрение начинается с принятия уровня совместимости, задаваемого в процентах от номинального напряжения 220В.

Чтобы обеспечить приемлемую высокую вероятность ЭМС, необходимо выполнить два требования:

а) на каждой частоте уровень помех Uп имеет высокую вероятность.

б) на каждой частоте должна быть высокая вероятность того, что уровень устойчивости Uуст каждого устройства, подключенного к сети, удовлетворяет соотношению Uуст > Uп.

Первое требование в значительной степени удовлетворяется путем взятия уровней совместимости из IEC 61000-2-2 “Окружающая среда. Уровни совместимости для низкочастотных кондуктивных помех и сигнализации в общественных системах низкого напряжения питания” или другой НД для качества электроэнергии, электросетей.

На рис. 3 приведены пределы, если известно количество источников, которые вносят вклад в Uп, а также известно, как складываются гармонические составляющие.

Рис. 3 Гармонические составляющие тока в сети питания

Из стандарта IEC 60555-2 “Помехи в сетевых источниках питания, вызванные работой электроприборов бытового и аналогичного назначения. Часть 2. Гармоники” (табл.1) приведен максимально допустимый ток гармонических составляющих в амперах – это предел эмиссии. Перевод в % от напряжения может быть получен, когда известен импеданс сети. В примере этот импеданс равен опорному импедансу IEC 60555-2.

Фактический уровень помех, конечно, сильно зависит от количества источников помех, т. е. количества работающих приборов, подключенных к сети. Количество низкочастотных источников помех, которые могут внести значительный вклад, обычно намного больше, чем высокочастотных. Следовательно, неопределенность фактического уровня на более низких частотах намного больше, что отражено на рис. 3.

Для выполнения второго требования необходим достаточно строгий предел устойчивости, пример которого приведен на рис. 3. Расстояние между этим пределом – запас невосприимчивости (устойчивости). Нужно учитывать следующее: существует вероятность того, что в определенном месте и в течение определенного времени уровень помех будет выше уровня совместимости и внутренний импеданс источника помех во время испытаний, как правило, не будет равен импедансу реальной сети.

Пример 2:

Устойчивость к радиочастотным полям оборудования малых размеров. Хорошо известно, что устойчивость оборудования во многом определяется его восприимчивостью к синфазным наведенным на кабельных портах токам. Уровень эмиссии на рис.1 можно выразить как напряженность электрического поля (в дБмкВ/м), а уровень устойчивости как напряжение источника, например, испытательного генератора (в дБмкВ). На рис.2 уровень совместимости может быть выражен в дБмкВ/м или в дБмкВ. Понятно, что этот уровень зависит от выбранной единицы. Кроме того, выбор уровня совместимости может также определяться свойствами конкретного оборудования. Если проблема электромагнитного излучения (ЭМИ) касается демодуляции радиочастотного сигнала, то деградация качества функционирования (в первом приближении) пропорциональна квадрату уровня радиочастотного поля. Следовательно, запас по устойчивости должен быть выбран таким образом, чтобы он был больше запаса эмиссии (рис.4).

Рис. 4 Запас устойчивости больше запаса эмиссии

Однако, пример на рис. 4 не гарантирует, что ЭМС будет обеспечена в реальной ситуации, поскольку существуют неопределенности, упомянутые в первом примере. Это значит, что после выбора уровня совместимости необходимо определить границы между этим уровнем и предельными значениями эмиссии и устойчивости. Пунктирные линии определяют проектный запас оборудования, который выбирается производителем, исходя из его задач, опыта и средств.

В испытаниях имеют место две важные неопределенности, которые влияют на величину разницы между уровнем совместимости и определяемыми пределами:

1) релевантность метода испытаний

2) нормальный разброс характеристик компонентов в случае серийно выпускаемого оборудования.

Стандартизированные методы испытаний стремятся при очень ограниченном числе моделируемых ситуаций охватить почти бесконечно большое число реальных исходов. Релевантность метода как раз и определяется тем, насколько он охватывает реальную ситуацию, а это известно лишь в ограниченной степени.

Стандартные измерения эмиссии радиопомех всегда проводится с использованием четко определенных средств измерений и испытаний, подключенного и размещенного определенным способом. То же самое и при испытаниях на устойчивость: каждая влияющая деталь четко определена стандартом. При этом, испытания предусматривают только одно явление (воздействие или фактор излучения) за один раз. В реальной ситуации все явления действуют одновременно и это снижает актуальность и достоверность результатов лабораторных испытаний. Во многих случаях рекомендуется проводить испытания по месту установки (применения) технических средств. Поэтому, вследствие ограниченной релевантности стандартных испытаний, необходимы запасы между уровнем совместимости и пределами.

Неопределенность разброса характеристик. Понятно, что не все устройства выпускаемые и устанавливаемые в большом количестве будут испытаны перед применением. Если бы все оборудование было испытано, то были бы найдены распределения результатов испытаний в зависимости от разброса характеристик компонентов (рис.5). Поэтому, существует неопределенность относительно того, будет ли случайно выбранное изделие соответствовать предъявляемым требованиям. Эта неопределенность лежит в основе формирования норм СИСПР как “правиле соответствия 80%”. Эти распределения также определяются воспроизводимостью конкретного метода испытаний.

Рис.5. Плотность вероятности уровеня помех

Из рис.5 можно сделать вывод, что вероятности того, что оборудование не будет соответствовать норме помехоэмиссии или будет сбоить крайне малы. Рисунок также показывает, что производитель выбрал определенный проектный запас для своего оборудования. В некоторых случаях, правило соответствия 80% создает необходимость в минимальном проектном запасе оборудования, где этот запас зависит от размера выборки для испытаний.

Испытания по месту эксплуатации и суперпозиция помех. Суперпозиция добавляет еще одну неопределенность, связанную с релевантностью испытаний. Для конкретного вида помех в конкретном месте их уровень определяется следующим образом:

а) как суперпозиция однотипных помех, где вклад каждого каждой из них зависит от условий нагружения источника, свойств среды распространения, восприимчивостью приемника и времени (фаз, длительности).

б) как влияние других типов помех, имеющих составляющие в рассматриваемом диапазоне приема, где каждый из них подчиняется упомянутым условиям сложения. Такая неопределенность фактического значения предельного уровня помех, конечно, также создает потребность в запасах.

Пример суперпозиции:

а) приведен на рис.6. Предполагается, что существует три типа однотипных излучателей, воздействующих на техническое средство. Как и на рис. 5, можно рассматривать результаты только для одной независимой переменной за один раз. Предельная функция плотности вероятности p(D) в значительной степени определяется кривой 3. В примере использованы распределения Гаусса, но возможны и другие типы распределений.

Рис.6. Распределение вероятности уровня помех

Для конкретной системы, располагаемой в конкретной ЭМО, где каждый тип устойчивости будет обладать своими специфическими свойствами (см. рис.7), эти типы должны соответствовать одному и тому же пределу. Кроме того, одновременное воздействие помех может приводить к нарушениям одного типа или функционально связанным нарушениям.

Неопределенность отсутствия данных. Как правило уровни помех не измеряются во всех возможных местах размещения технических средств из-за нехватки времени, сложности, экономики или по другим причинам, хотя это иногда делается на АЭС, военных объектах, в космической отрасли и т.п. Поэтому, плотность вероятности, приведенная на рис. 7, редко когда известна, как и распределение уровня устойчивости. Последнее имеет место в том случае, когда превышение уровня устойчивости приводит к высокому риску повреждения или отказа. Испытания при этом проводят, определяя уровни восприимчивости, равных или выше установленных стандартами или требованиями (например, MIL-STD-461, некоторые ГОСТ РВ). Отсутствие подтверждающих данных снова создает необходимость в запасах между уровнем совместимости и предельными значениями. В некоторых случаях отсутствие определенных исходных данных имеет важное значение, например, когда оборудование, которое первоначально предназначалось для конкретных условий или определенных задач, затем становится широко используемым.

Рис. 7. Плотность вероятности помех

Например, широкое применение видеодисплеев и электронных микроскопов. Когда имеется достаточная информация о сети питания, рабочих частотах и гармониках, но нет информации о магнитных полях и создаваемых ими помехах, которые могут сильно влиять на отображение информации, отклонение электронного пучка, результаты показаний прибора. Кроме того, экранировать низкочастотные магнитные поля в приемлемых объемах, особенно экономически эффективным способом практически невозможно.