Уровни совместимости, пределы и запасы оборудования

За всё время работы специалисты Emctestlab подметили одну интересную особенность: у заказчиков, обращающихся в компанию, постоянно возникают вопросы по определению уровней помех и воздействий, которым должны соответствовать их изделия. Не все стандарты на виды продукции однозначны, а установленные нормы могут значительно отличатся в зависимости от региона или страны-производителя из-за того, что многие лаборатории и органы по сертификации по-разному определяют требования и выбирают методы исследования оборудования, если они не прописаны в явном виде.

И тут тяжелее всего 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 обладала хорошей устойчивостью к разного рода помехам. 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 основополагающих концепций и практик по данному вопросу в качестве отправной точки для исследовательских работ предприятий-изготовителей, научных работ и производственных задач.

Базовая концепция предполагает деление основных устройств на две группы:

• источники помех: излучатели, устройства, создающие возмущающие напряжения, токи;
• 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, так как между ними существует взаимосвязь. 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 или условий применения (этот вопрос уже рассматривался в статье про формирование стандартов MIL-STD и АЭС США). Аналогичный подход используется и в стандартах IEC 61000.

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

Из графика видно, что стандартизация в области ЭМС предупредила этот вопрос, «подсмотрев», что такой же подход используется и в стандартах IEC 61000. Указанный запас и является прерогативой производителя или проектировщика оборудования. На рисунке 2 показан запас электромагнитной совместимости. Анализировать его можно не только в данной полосе частот, но и по конкретному виду воздействий, способу применения, виду испытуемого изделия или способу возникновения. Степень совместимости выражается в тех же единицах, что и пределы.

Когда электромагнитная обстановка или среда является известной, то сначала может быть выбран уровень совместимости, а 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 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,который определяется для идеализированной ситуации, когда предполагается, что функции плотности вероятности известны.

Пример № 1

Предположим, что предел невосприимчивости 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 220 В.

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

• на каждой частоте уровень помех Uп имеет высокую вероятность;
• на каждой частоте должна быть высокая вероятность того, что уровень устойчивости U_уст каждого устройства, подключенного к сети, удовлетворяет соотношению U_уст>U_п.

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 рисунке 3 приведены пределы, если известно количество источников, которые вносят вклад в U_п, а также известно, как складываются гармонические составляющие.

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 наличия 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 гораздо выше, что отражено на рисунке 3.

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

Пример № 2. Стойкость к воздействию радиочастотных полей оборудования малых размеров

Хорошо известно, что устойчивость оборудования во многом определяется его восприимчивостью к синфазным, наведенным на кабельных портах, токам. Уровень эмиссии на рисунке 1 можно выразить как напряженность электрического поля, которая выражается в дБ(мкВ/м), а уровень устойчивости как напряжение источника, например, испытательного генератора в дБ(мкВ). На рисунке 2 уровень совместимости может быть выражен как в дБ(мкВ/м), так и в дБ(мкВ). Понятно, что этот уровень зависит от выбранной единицы. Кроме того, выбор уровня совместимости может также определяться свойствами конкретного оборудования. Если проблема электромагнитного излучения 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, что хорошо видно на рисунке 4.

Однако пример на рисунке 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:

• релевантность метода испытаний;
• 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, подключенных и размещенных 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 или 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 (см. рисунок 5). Поэтому существует неопределенность относительно того, будет ли случайно выбранное изделие соответствовать предъявляемым требованиям. Эта неопределенность лежит в основе формирования норм СИСПР как «правило соответствия 80 %». Эти распределения также определяются воспроизводимостью конкретного метода испытаний.

Из рисунка 5 можно сделать вывод: вероятности того, что оборудование не будет соответствовать норме помехоэмиссии или будет сбоить крайне малы. График также показывает, что производитель выбрал определенный проектный запас для своего оборудования. В некоторых случаях правило соответствия 80 % создает необходимость в минимальном проектном запасе оборудования, зависящий 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:

• как суперпозиция однотипных помех, где вклад каждой из них зависит от условий нагрузки на источник, свойств среды распространения, восприимчивостью приемника и времени (фаз, длительности);
• 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

Рассмотрим рисунок 6. Предполагается, что существует три типа однотипных излучателей, воздействующих на техническое средство. Как и на рисунке 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 также возможны и другие.

Для конкретной системы, располагаемой в конкретной ЭМО, где каждый тип устойчивости будет обладать своими специфическими свойствами (см. рисунок 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 рисунке 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. Иногда отсутствие определенных исходных данных имеет важное значение, например, когда оборудование, которое первоначально предназначалось для конкретных условий или определенных задач, затем становится широко используемым.

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.