تحلیل کیفیت توان الکتریکی و بررسی سیستم‌های الکترونیکی

چکیده

در این مطالعه، برد پیش‌تطابقی با هزینه‌ای مناسب برای ارزیابی کیفیت الکترومغناطیسی (EMC) معرفی شده است که به عنوان یک راهکار برای تحلیل دستگاه‌های الکترونیکی در محیط‌های ارتباطی و شبکه‌های هوشمند کاربرد دارد. به‌طور کلی، مدارهای مجتمع (IC) جزو عواملی هستند که موجب انتشار و کپسوله‌سازی غیر عمدی میدان‌های الکترومغناطیسی می‌شوند. به همین دلیل، برای ارزیابی آثار زیان‌آور این میدان‌ها بر عملکرد کلی سیستم، تست‌های ویژه‌ای در نظر گرفته شده است. برای این منظور، یک برد پیش‌تطابقی طراحی و ساخته شده که در بازه فرکانسی ۱۵۰ کیلوهرتز تا ۳۰ مگاهرتز عمل می‌کند. نتایج حاصل از شبیه‌سازی و آزمایش‌های تجربی برای اعتبارسنجی تنظیم تست با یکدیگر مقایسه شده‌اند.

معرفی

با توجه به رشد روزافزون سیستم‌های ریزالکترونیک و الکترونیک تعبیه‌شده، امروزه هر دستگاه الکترونیکی باید تحت تست‌های سخت‌گیرانه EMC قرار گیرد، و ورود آنها به بازار به‌طور مستقیم به عملکردشان در این تست‌ها وابسته است. جالب است که مسائل مربوط به کیفیت الکترومغناطیسی (EMC) تنها در اواخر دهه ۷۰ میلادی به‌طور عام شناخته شد، که ناشی از مشکلاتی بود که تلویزیون‌ها، دستگاه‌های ارتباطی، و نمایشگرهای صوتی و تصویری ایجاد کردند. به همین دلیل، برخی رویکردها برای تقویت روند تنظیمات تست پیش‌تطابقی (EMC/EMI/EMS) طراحی شده‌اند، که این رویکردها به‌عنوان جایگزین تجهیزات مشهور تست (مانند اتاق آنئکویک، اتاق چرخشی، اتاق آزمایش آبی و غیره) به حساب نمی‌آیند، اما اطلاعات ارزشمندی درباره رفتار دستگاه‌ها ارائه می‌دهند.

از سوی دیگر، فناوری شبکه‌های هوشمند به موضوع مورد توجهی تبدیل شده است، چرا که کیفیت توان و کارایی انرژی را به طرز قابل توجهی تحت تأثیر قرار می‌دهد. با این وجود، هوش این شبکه‌ها توسط الکترونیک تامین می‌شود؛ در حالی‌که این الکترونیک به طور عمومی مسئول اصلی انتشار غیر عمدی میدان‌های الکترومغناطیسی می‌باشد. به‌طور کلی، هرچه که کنترل شبکه‌های هوشمند با استفاده از قطعات ریزالکترونیکی توسعه یابد، نیاز است که سطح انتشار هدایت‌شده از هر دستگاه خانگی با دقت مورد تحلیل قرار گیرد تا عملکرد صحیح شبکه تأمین شود. علاوه بر این، رفتار شبکه باید تأیید شود تا از صحت عملکرد دستگاه‌های متصل به آن از نظر کیفیت الکترومغناطیسی اطمینان حاصل گردد.

روش انتشار هدایت‌شده EMC

شبکه‌های برق الکتریکی بر پایه تعداد محدودی از نیروگاه‌های AC (۵۰ یا ۶۰ هرتز با قدرت بسیار بالا) و ارتباط میان AC و DC طراحی شده‌اند، که به همراه بسیاری از ایستگاه‌های فرعی، پاسخگوی تقاضاهای خانگی یا صنعتی کم‌قدرت هستند. شبکه‌های هوشمند (SG) نسل جدیدی از شبکه‌های برقی هستند که بر پایه بهره‌وری بهینه از زیرساخت‌های تولید، انتقال و توزیع تأسیس شده‌اند. استفاده از این شبکه‌ها الزامی است، چرا که به مدیریت روابط بین تقاضا و تأمین انرژی کمک کرده و از بروز حوادث غیرمترقبه در سیستم برق جلوگیری می‌کند.

بدین ترتیب، توسعه یک چارچوب کامل ارتباطات برای اجرای موفق شبکه‌های هوشمند ضروری است. به‌طور ذاتی، این ویژگی به تعامل قوی نیاز دارد که شامل شبکه‌های ارتباطی، نظارت در زمان واقعی و مدیریت داده‌ها می‌باشد. به این ترتیب، در حال حاضر، ادغام این عناصر تحولی در کل سناریوی انرژی الکتریکی ایجاد می‌کند.

در این چارچوب، سطح انتشار هدایت‌شده از وسیله خانگی با هدف اطمینان از عملکرد صحیح دستگاه‌های متصل به شبکه از نظر EMC مورد بررسی قرار می‌گیرد. تداخل الکترومغناطیسی (EMI) به فرآیند انتقال انرژی الکترومغناطیسی از یک دستگاه الکترونیکی به دیگری اشاره دارد که می‌تواند از طریق انتشار تابشی یا هدایت‌شده و یا ترکیبی از هر دو اتفاق بیفتد. از طرف دیگر، حساسیت الکترومغناطیسی (EMS) به دستگاه‌هایی که نسبت به تداخل از سایر دستگاه‌ها حساس هستند مربوط می‌شود. بنابراین، آزمایش‌های EMC معمولاً شامل اندازه‌گیری هر دو جنبه EMI و EMS دستگاه‌های الکترونیکی مشابه هستند.
در این زمینه، چندین پلتفرم تست EMC طراحی شده‌اند تا عملکرد مدارها و دستگاه‌های الکترونیکی را ارزیابی کرده و از بروز مشکلات مربوط به تداخل یا ایمنی در یک محیط الکترومغناطیسی جلوگیری کنند. یکی از رایج‌ترین و مؤثرترین پلتفرم‌های EMC اتاق آنئکویک است که برای سال‌ها به‌عنوان روش اصلی ارزیابی رفتار الکترومغناطیسی آنتن‌ها، دستگاه‌های الکترونیکی، وسایل نقلیه و حتی هواپیماها شناخته شده است. با این حال، هزینه بالای ساخت و نگهداری آن و نیز پیچیدگی سیستم عملیاتی‌اش به قدری است که استفاده از آن برای تحلیل دستگاه‌های الکترونیکی کوچک ممکن نمی‌شود. به همین دلایل، روش‌های ساده‌تر و کم‌هزینه‌تری وجود دارد که نتایج مطلوبی را در زمینه تحلیل تداخل و ایمنی ارائه می‌دهند و به آن‌ها تست پیش‌تطابقی می‌گویند.

روش‌های مختلف تست پیش‌امتیاز

تعداد زیادی روش برای تست پیش‌امتیاز وجود دارد که هر یک تحت استانداردها و قواعد خاص خود عمل می‌کنند. این روش‌ها شامل سلول‌های TEM/GTEM، حلقه‌های مغناطیسی، پروب‌های مغناطیسی، قفس فارادی در محل کار، OATS – سایت تست فضای باز، ۱/۱۵۰ Ω هدایت‌شده، Lisn – شبکه تثبیت امپدانس خط و موارد دیگر هستند.

استانداردهای تست پیش‌امتیاز

تست‌های تنظیم پیش‌امتیاز در سطح سیستم‌های الکترونیکی طبق استانداردهای مشخصی انجام می‌شوند. استانداردهای CISPR ۲۵/۲۰۰۲ (کمیته بین‌المللی ویژه در مورد تداخل رادیویی) برای نشر ناخواسته و ISO-۱۱۴۵۲ برای اندازه‌گیری‌های حساسیت به تداخل، دو استاندارد اصلی در این زمینه هستند. این استانداردها به وضوح معیارهایی را برای نشر رادیویی و هدایت‌شده و همچنین تست ایمنی RF تعیین می‌کنند.

اختلالات هدایت‌شده

اختلالات هدایت‌شده به وضعیتی اشاره دارد که در آن انرژی الکترومغناطیسی ناخواسته به همراه اختلالات بین خط فاز و منبع تغذیه زمین از طریق یک هادی انتقال می‌یابد. این اختلالات تحت استاندارد IEC ۶۱۹۶۷-۴ قرار دارند. برای انجام تست‌های هدایت‌شده، متدولوژی‌ها و ابزارهای مختلفی وجود دارد و دامنه فرکانسی که معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرد، از ۱۵۰ کیلوهرتز تا ۳۰ مگاهرتز متغیر است؛ به‌خصوص در کاربردهای نظامی که نیاز به فرکانس‌های وسیع‌تری دارند.

میشود گفت رایج‌ترین روشی که برای این نوع تحلیل به کار می‌رود، LISN است، که به AMN – شبکه برق مصنوعی نیز شهرت دارد و از طریق منبع برق AC دستگاهی که تحت تحلیل قرار دارد، عمل می‌کند. اگرچه حداقل فرکانس تست‌های نشر هدایت‌شده معمولاً حدود ۱۵۰ کیلوهرتز است، با سوئیچینگ قدرت LISN می‌توان حداقل فرکانس‌هایی در حدود ۹ کیلوهرتز را نیز بدست آورد. مزیت استفاده از LISN در تست‌های هدایت‌شده به دلیل این واقعیت است که این ابزار عایق‌کاری الکترومغناطیسی در برابر محیط خارجی را فراهم کرده و امپدانس دستگاه زیر تست (DUT) را مشخص می‌کند. اما باید توجه داشت که هزینه این ابزار می‌تواند یک عامل محدودکننده باشد.

روش ۱/۱۵۰ Ω

یکی دیگر از روش‌های متداول برای اندازه‌گیری اختلالات هدایت‌شده، ۱/۱۵۰ Ω است. در این روش امکان اندازه‌گیری جریان نویز در هر پین رانده شده DUT وجود دارد. مدل پایه این روش شامل یک مقاومت با مقدار کم است که به‌صورت سری با پین خروجی DUT قرار می‌گیرد. این امکان را فراهم می‌آورد تا ولتاژ در سراسر مقاومت شناخته‌شده اندازه‌گیری شود و از این طریق جریان نویز تعیین گردد. از آنجایی که اکثر مشکلات نشر IC از طریق نویز حمل‌شده از طریق پین‌های IC به وجود می‌آید، این روش به‌عنوان یک شاخص قابل اعتماد شناخته می‌شود. با این حال، برای هر DUT و کاربرد خاص، مدار معادل باید متناسب با آن تنظیم و تطبیق داده شود.

تخته پیش‌امتیاز هدایت‌شده

برای ارزیابی نشر هدایت‌شده‌ای که یک لپ‌تاپ ایجاد می‌کند، تخته‌ای از سازگاری الکترومغناطیسی طراحی و ساخته شد که شامل مقاومت‌ها، خازن‌ها و سلف‌ها است. مدار طراحی‌شده در شکل ۲ نشان داده شده است. سلفی که به‌صورت سری در مدار قرار دارد، مانع انتقال نویز ناشی از دستگاه زیر تست به شبکه شده و به مقاومت 1KΩ که اندازه‌گیری‌ها با استفاده از تجزیه‌گر طیف انجام می‌شود، هدایت می‌شود. هرگونه نویز موجود در خط توسط خازن ۱ میکروفارادی که به‌طور موازی با شبکه قرار گرفته است، حذف می‌شود تا از تأثیر بر اندازه‌گیری جلوگیری گردد.

شکل ۱. مدار تخته پیش‌امتیاز سازگاری الکترومغناطیسی.

برای انجام شبیه‌سازی‌ها از نرم‌افزار Multisim بهره گرفته شد. این تخته برای کار در ولتاژ ۱۲۷ ولت و فرکانس ۶۰ هرتز مطابق با استانداردهای کلاسیک برزیلی طراحی شده است. برای به‌دست آوردن تغییرات امپدانس مدار به‌عنوان تابعی از فرکانس، تحلیل‌های AC و امپدانس معادل صورت گرفت. در شکل ۳، تخته EPCB که به DUT متصل نیست و سپس به DUT متصل شده و تغییرات امپدانس آن به‌عنوان تابعی از فرکانس نشان داده شده است که به ۵۰ Ω میل می‌کند.

شکل ۲. امپدانس مشخصه.

تنظیم تست، همان‌طور که در شکل ۴ مشاهده می‌شود، بر اساس استانداردهای CISPR و FCC – کمیسیون ارتباطات فدرال که مسئول استانداردسازی ارتباطات رادیویی و کابل در ایالات متحده است، انجام می‌شود. تجهیزات تست شامل یک تجزیه‌گر طیف BK Precision سری 2650A و یک لپ‌تاپ کلاس B تأییدشده از FCC است که به‌عنوان DUT و EPCB عمل می‌کند. در شکل ۵، مسح نشر هدایت‌شده لپ‌تاپ کلاس B تأییدشده و کاملاً پیکربندی‌شده به نمایش درآمده است. برای مقایسه پاسخ ارائه‌شده توسط EPCB، همچنین اندازه‌گیری با یک LISN تجاری انجام شده است. هر دو نتیجه با استانداردهای CISPR و FCC مقایسه گردید. بررسی نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد که این تست پیش‌امتیاز با هزینه پایین به خوبی با استانداردها تطابق دارد. از آنجایی که لپ‌تاپ تأیید شده است، انتظار می‌رفت که سطوح نشر رادیویی معیارهای استاندارد را برآورده کند. با این حال، در فرکانس حدود ۳۰ مگاهرتز رزونانس‌هایی مشاهده می‌شود که می‌تواند ناشی از اختلالات مرتبط با شارژر باتری، اتصالات بین مادربرد و دستگاه‌های جانبی و حتی گرمایش باشد. به‌علاوه، باید تأکید کرد که این سطوح رزونانس در حداقل هستند و احتمالاً به دلیل پلتفرم تست نیز ایجاد شده‌اند.

شکل ۳. تنظیم تست نشر هدایت‌شده.

نتایج

تمام اندازه‌گیری‌ها از طریق تخته پیش‌امتیاز نمایش‌شده در شکل ۱ انجام شد. دستگاه‌های الکترونیکی به این تخته متصل شدند که خود به شبکه برق وصل می‌باشد.

نتایج به‌دست‌آمده برای بخاری الکتریکی، جاروبرقی، بلوری، دیکودر تلویزیون ماهواره‌ای، مخلوط‌کن و سشوار با استاندارد CISPR ۱۴-۱ مقایسه شدند، در حالی که روتر، تلفن بی‌سیم، تلویزیون LED و لوله‌ای، لپ‌تاپ شخصی و چاپگر با استاندارد CISPR ۲۲ مقایسه گردیدند. نتایج به تفکیک در شکل‌های ۴ تا ۸ نمایش داده شده‌اند. به‌طور کلی، باید گفت که با توسعه کنترل شبکه هوشمند با استفاده از اجزای میکروالکترونیک، سطوح نشر هدایت‌شده از دستگاه‌های خانگی باید به‌طور دقیق مورد بررسی قرار گیرد تا عملکرد صحیح شبکه تضمین شود.

براحتی می‌توان دید که بیشتر دستگاه‌های مورد تجزیه و تحلیل از استانداردها خارج هستند. بنابراین، بدون اجرای راهکارهای لازم برای مقابله با نشرهای ناخواسته، عملکرد شبکه بدون تردید تحت تأثیر منفی قرار خواهد گرفت.

نتایج اندازه‌گیری انتشار الکتریکی

تصویر ۴. نتایج اندازه‌گیری انتشار الکتریکی جاروبرقی و بخاری در مقایسه با استاندارد CISPR.

تصویر ۵. نتایج اندازه‌گیری انتشار الکتریکی بلوری و دیکودر در مقایسه با استاندارد CISPR.

تصویر ۶. نتایج اندازه‌گیری انتشار الکتریکی مخلوط‌کن و سشوار در مقایسه با استاندارد CISPR.

تصویر ۷. نتایج اندازه‌گیری انتشار الکتریکی روتر و تلفن در مقایسه با استاندارد CISPR.

تصویر ۸. نتایج اندازه‌گیری انتشار الکتریکی تلویزیون LED و تلویزیون لامپی در مقایسه با استاندارد CISPR.

نتیجه‌گیری

در خطوط توزیع، ولتاژ و جریان معمولاً تحت تأثیر نوسانات، اعوجاج‌ها و اختلالات مختلف قرار می‌گیرند. این مشکلات می‌توانند ناشی از عوامل طبیعی نظیر رعد و برق و همچنین عملکرد دستگاه‌های الکتریکی و الکترونیکی باشند. تداخل‌های ایجادشده می‌توانند به مسافت‌های طولانی منتقل شوند و بر سایر تجهیزات متصل به شبکه تأثیر بگذارند.

در این پژوهش، یک تخته پیش‌همخوانی سازگاری الکترومغناطیسی (EMC Pre-Compliance Board) طراحی و ساخته شد تا در محدوده فرکانسی ۱۵۰ کیلوهرتز تا ۳۰ مگاهرتز کار کند. توسعه این دستگاه پیشنهادی شامل مراحل مختلفی از قبیل طراحی، شبیه‌سازی و اندازه‌گیری‌های تجربی بود. همچنین، سطوح انتشار الکتریکی برخی وسایل خانگی مورد بررسی قرار گرفت تا از سازگاری الکترومغناطیسی دستگاه‌های متصل به شبکه اطمینان حاصل شود.

نتایج به‌دست‌آمده با استانداردهای تعیین‌شده مقایسه گردید و مشخص شد که بیشتر دستگاه‌ها از حد مجاز فراتر رفته‌اند، که این موضوع می‌تواند به عملکرد کلی شبکه آسیب بزند.

قدردانی

نویسندگان بدین‌وسیله از حمایت مالی جزئی شرکت Rogers Corporation و دانشگاه فدرال توکانتینز (UFT) – برنامه پژوهشگران جدید (Novos Pesquisadores Program) تقدیر و تشکر می‌کنند.

مراجع

1. A. Gunnar, K. Dursun, B. G. Hauge and B. Bremdal, Established Sustainable and Reliable Smart Grids, Applied Measurements for Power Systems (AMPS), 2013 IEEE International Workshop on., Aachen, Germany, 2013.
2. Montrose, M. I. e E. M. Nakauchi, Testing for EMC Compliance, New York, 2004.
3. F. R. L. Silva, L. R. Ribeiro, L. P. Dias, W. J. Santos, C. E. Capovilla, and H. X. Araujo, The Design and Implementation of an EMC Pre-Compliance Board, Progress In Electromagnetics Research Symposium Proceedings, Stockholm, Sweden, 2013.
4. CISPR14-1 ed 5.1, Electromagnetic Compatibility – Requirements for household appliances, electric tools and similar apparatus – Part 1: Emission. International Electrotechnical Commission, 2009.
5. CISPR22 ed 6.0, Information technology equipment – Radio disturbance characteristics – Limits and methods of measurement. International Electrotechnical Commission, 2008.
6. V. C. Gungor, D. Sahin, T. Kocak, S. Ergut, C. Buccella, C. Cecati, and G. P. Hancke “A Survey on Smart Grid Potential Applications and Communication Requirements” IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol. 9, n. 1, Feb. 2013.
7. Y. Yan, Y. Qian, H. Sharif, and D. Tipper, “A survey on smart grid communication infrastructures: Motivations, requirements and challenges,” IEEE Commun. Surveys & Tutorials, vol. PP, no. 99, pp. 1–16.
8. Z. X. Ji Chen and Z. Chen, “Low Frequency Modeling for Electromagnetic Analysis of Arbitrary Anechoic Chambers”, IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, 2016.

نویسندگان

پرفسور H. X. Araujo، دانشگاه فدرال توکانتینز، Avenida NS ۱۵ ALC NO ۱۴, ۱۰۹ Norte – ۷۷۰۰۱-۰۹۰, پالمس – TO، برزیل، ایمیل: hxaraujo@uft.edu.br

پرفسور M.D. B. Melo، دانشگاه فدرال توکانتینز، Avenida NS ۱۵ ALC NO ۱۴, ۱۰۹ Norte – ۷۷۰۰۱-۰۹۰, پالمس – TO، برزیل، ایمیل: maxwellmelo@uft.edu.br

پرفسور I. R. S. Casella، دانشگاه فدرال ABC، Rua Santa Adélia, ۱۶۶ – ۰۹.۲۱۰-۱۷۰, سانتو آندره -SP، برزیل، ایمیل: carlos.capovilla@ufabc.edu.br

پرفسور C. E. Capovilla، دانشگاه فدرال ABC، Rua Santa Adélia, ۱۶۶ – ۰۹.۲۱۰-۱۷۰, سانتو آندره -SP، برزیل، ایمیل: ivan.casella@ufabc.edu.br

شناسایی صاحبان منبع و ناشر: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN ۰۰۳۳-۲۰۹۷, R. ۹۳ NR ۳/۲۰۱۷. doi:۱۰.۱۵۱۹۹/۴۸.۲۰۱۷.۰۳.۶۲

منتشر شده توسط PQBlog

مهندس برق

بیشتر پست‌ها را مشاهده کنید

پرسش‌های متداول

کیفیت توان الکتریکی چیست؟

کیفیت توان الکتریکی به عدم وجود اختلالات در سیستم‌های الکتریکی و هم‌چنین حفظ پایداری ولتاژ و جریان اطلاق می‌شود.

چگونه می‌توان کیفیت توان را بهبود داد؟

استفاده از فیلترهای هارمونیک، بهینه‌سازی تجهیزات و طراحی مناسب شبکه‌های توزیع می‌توانند به بهبود کیفیت توان کمک کنند.

تست‌های پیش‌تطابقی چه هستند؟

تست‌های پیش‌تطابقی به ارزیابی دستگاه‌ها در شرایط شبیه‌سازی شده در راستای الزامات کیفی و استانداردهای EMC می‌پردازند.

منبع: powerquality.blog