Прибор для измерения петли фаза ноль: Приборы для измерения параметров петли короткого замыкания и петли фаза-нуль

общее представление и методика, периодичность и приборы для измерения

Надежность электрической сети напрямую зависит от правильности срабатывания защитных устройств. Петля фаза ноль позволяет проверить их работоспособность в сети до 1 кВ с глухо-заземленной нейтралью. Поэтапно разберемся, что представляет собой схема «Ф-Н», а также нюансы ее проверки.

Содержание

• Общее представление о цепи «фаза ноль»
• Зачем проверяется петля «фаза ноль»
• Сроки проведения испытаний
• Методы и порядок проверки сопротивления контура «Ф-Н»
  • Визуальный контроль
  • Замер показателей контура «Ф-Н»
  • Вычисления и оформление документации
• Приборы для проведения измерений
• Подведение итогов и опасности от проведения неправильного измерения
• Протокол по проведенным замерам контура «фаза нуль»
• Техника безопасности при замере контура «Ф-Н»
• Испытание цепи «Ф-Н» измерителем MZC 300
  • Обязательные условия
  • Способы подключения
  • Считывание показаний о напряжении сети
  • Измерение характеристик контура «Ф-Н»
  • Вывод результатов измерения

Общее представление о цепи «фаза ноль»

Большинство потребителей электроэнергии запитаны сетями с уровнем напряжения до 1 кВ через трехфазный трансформатор. Для обеспечения безопасности в них используется глухо-заземленная нейтраль. В ней возможно появление тока из-за сдвига фаз в обмотках трансформатора, которые соединены по схеме звезды.

В случае возникновения контакта между линейным и нулевым или защитным проводом формируется контур «фаза-нуль». Указанная связь приводит к образованию короткого замыкания. В цепи могут находиться соединительные провода, коммутационная и защитная аппаратура, что сопровождается формированием определенного значения сопротивления.

Зачем проверяется петля «фаза ноль»

Изучение показателей схемы «Ф-Н» осуществляется для определения слабых мест в действующей сети. Это может своевременно предотвратить развитие более серьезных аварий в питающей цепи. Еще одной важной функцией указанного тестирования является проверка соответствия установленных коммутационных и защитных устройств токам короткого замыкания. Это требуется для предотвращения воспламенения проводки.

Проведение испытаний электросети

Сроки проведения испытаний

Электрические сети и оборудование эксплуатируются в различных режимах. Со временем наблюдается естественное старение изоляции кабеля, ухудшение свойств проводников из-за токовых перегрузок, отклонений напряжения, влияния окружающей среды и т. д. Этим обусловлена необходимость в периодической проверке целостности контура фаза ноль.

В соответствии с указаниями ПУЭ испытание петли «Ф-Н» проводится, как минимум, один раз в 36 месяцев, а для электрических сетей, эксплуатируемых в опасных или агрессивных средах, как минимум, один раз в 24 месяца. Также предусматриваются внеплановые проверки, в следующих ситуациях:

• при внедрении в работу нового оборудования;
• после осуществления модернизации, профилактики или ремонта действующей сети;
• по требованию поставщика электроэнергии;
• по факту запроса от потребителя.

Периодичность осмотров электрооборудования жилых домов

Методы и порядок проверки сопротивления контура «Ф-Н»

Проверка сопротивления петли «фаза нуль» подразумевает замер тока короткого замыкания на конкретном участке электрической цепи. В дальнейшем зафиксированное значение сопоставляется с отключающими уставками автоматов. При этом измерения проводятся либо непосредственно под рабочим напряжением, либо с питанием от постороннего источника. Далее рассмотрим требуемую последовательность действий при проверке сопротивления.

Визуальный контроль

Первоначально понадобится изучить имеющиеся схемы и документацию. В дальнейшем осуществляется визуальный осмотр всех элементов цепи на предмет выявления явных недостатков и повреждений. В процессе выполнения указанных мероприятий рекомендуется проверить качество затяжки контактных соединений. Иначе велика вероятность получения недостоверных измеренных данных.

Осмотр элементов электросети на соответствие схеме

Замер показателей контура «Ф-Н»

В ходе испытаний могут использоваться различные специализированные приборы, которые могут использовать следующие методики измерений:

1. Падения напряжения — проводится на обесточенной цепи с дальнейшим подсоединением сопротивления установленной величины. Зафиксированные показания сверяются с допустимыми нормами значениями после проведения расчетов.
2. Короткого замыкания — предполагает осуществление испытаний при наличии напряжения. Измерительное устройство формирует искусственное короткое замыкание на конечном участке от ввода питания с дальнейшей фиксацией величины тока и времени отработки защитных элементов.
3. Амперметра-Вольтметра — подразумевает применение понижающего трансформатора переменного тока с замыканием фазного провода на защитное заземление электрической цепи. Предварительно выполняется обесточивание питающей сети. Необходимые показания получаются после проведения расчетов.

Вычисления и оформление документации

Заключительным этапом испытания является расчет величины тока короткого замыкания. Он определяется по соотношению:

Iкз = Uф/R, где

Uф — фазное напряжение сети;

R — полное сопротивление цепи.

Вычисленная величина сопоставляется с пределом отключения Iкз защитными аппаратами. Для определения минимальной и максимальной уставки срабатывания понадобится номинальный ток автомата увеличить в определенное количество раз, в зависимости от типа установленного защитного устройства. Ниже приведена требуемая кратность для минимального и максимального тока отключения по отношению к номинальному для конкретных серий автоматов:

• В — 3 и 5;
• С — 5 и 10;
• D и К — 10 и 14.

Итог испытания подводится в специальном протоколе, о содержании которого будет указано далее с предоставлением примера заполнения.

Приборы для проведения измерений

Замерить основные показатели контура «Ф-Н» можно двумя типами приборов. Первые допускается использовать исключительно после снятия напряжения, а вторые способны работать под нагрузкой. Также имеются различия в выводе количества информации. Простые приборы выдают значения необходимые для вычисления Iкз. Более сложное исполнение измерителей позволяет сразу вывести значение Iкз.

Специалисты рекомендуют использовать следующие модели приборов:

1. MZC 300 — современный микропроцессорный измеритель, о нюансах работы которого мы расскажем далее.
2. М-417 — зарекомендовал себя с наилучшей стороны много лет назад. Испытания ведутся по методу падения напряжения. При этом измеритель можно использовать под рабочим линейным напряжением в сетях с глухо-заземленной нейтралью. Размыкание испытываемой схемы осуществляется за 0,3 с. Предварительно понадобится выполнить калибровку.
3. ИФН-200 — предназначен для проверки цепей с сопротивлением до 1 кОм, с допустимым напряжением от 180 до 250 В. Помимо замера схемы «Ф-Н», способен функционировать и в других режимах. Память ИФН-200 может хранить данные о тридцати пяти крайних вычислениях.

Измеритель сопротивления ИФН-200

Подведение итогов и опасности от проведения неправильного измерения

По полученной в результате измерений информации делается заключение о возможности дальнейшей эксплуатации сети. При выявлении несоответствия отключающих уставок защитных аппаратов зафиксированному Iкз, выносится решение о необходимости их замены. В противном случае велика вероятность образования пожара и разрушения электрооборудования под воздействием Iкз.

Протокол по проведенным замерам контура «фаза нуль»

На основании произведенных измерений оформляется специальный протокол. Он используется для хранения зафиксированных показаний, а также для осуществления сравнительного анализа с последующими тестами.

В протоколе отображается следующая информация:

• дата проведения;
• номер протокола;
• цель проведения тестирования;
• данные об организации, проводящей испытания;
• информация о заказчике;
• действующие климатические условия: атмосферное давление, температура и влажность воздуха;
• диапазон измерения, класс точности и вид расцепителя;
• измеритель, используемый для тестирования;
• зафиксированные показания;
• итог испытаний;
• должности, фамилии и подписи лиц, проводивших замеры и проверивших протокол.

Обратите внимание! В случае положительного итога цепь допускается к эксплуатации без ограничений. При выявлении недостатков составляется перечень требуемых действий для восстановления необходимых показателей.

Техника безопасности при замере контура «Ф-Н»

Процедура замера контура фаза ноль должна вестись специалистами в возрасте от 18 лет, сдавшими экзамен по межотраслевым нормам и правилам техники безопасности. Работы должны осуществляться в соответствии с ПУЭ и при наличии требуемых приборов и инструментов.

Проведение работ должно оформляться нарядом или распоряжением. В состав бригады должны входить, как минимум, два специалиста с третьей группой по электробезопасности. Запрещается производить тестирование в условиях повышенной влажности и опасности.

Проведение проверки цепи фаза-ноль

Испытание цепи «Ф-Н» измерителем MZC 300

Измерение петли фаза ноль прибором MZC 300 требует соблюдения определенной последовательности действий, учитывая некоторые особенности устройства.

Обязательные условия

Первоначально рекомендуется включить MZC 300 и убедиться в отсутствии на экране надписи bAt. Она сигнализирует о разряженных батарейках, а следовательно, провести достоверные измерения не удастся.

В процессе осуществления замеров могут появляться характерные ошибки, обусловленные следующими причинами:

1. Напряжение сети менее 180 или более 250 Вольт. В первом случае на экране высветится буква U в сопровождении с двумя звуковыми сигналами, а во втором надпись OFL и одно продолжительное звучание.
2. Высокая нагрузка на измеритель, сопровождающаяся перегревом. На дисплее высветится буква T, а зуммер выдаст два длительных звука.
3. Обрыв нулевого или защитного провода в исследуемой схеме, что сопровождается появлением на дисплее символа «— —» и продолжительным звуком.
4. Превышено допустимое значение общего сопротивления исследуемой схемы — два продолжительных звука и символ «—».

Способы подключения

С помощью MZC 300 можно произвести замеры различных участков цепи. При этом необходимо обеспечить качественный контакт наконечников прибора.

Далее представлен порядок подключения измерителя в зависимости от вида проводимого тестирования:

1. Снятие характеристик с петли «Ф-Н» — один наконечник измерителя фиксируется к нулевому (N) проводу, а второй поочередно устанавливается на линейные (L) провода.
2. Проверка защитной цепи — один контакт поочередно крепится к линейным проводникам, а второй к защитному заземлению (PE).
3. Тестирование надежности заземления корпуса электрооборудования производится в зависимости от типа сети — с занулением (TE) или с защитным заземлением (TT). При этом порядок производства измерений идентичен. Один наконечник прибора цепляется к корпусу электрооборудования, а второй поочередно к питающим проводникам.

Считывание показаний о напряжении сети

MZC 300 рассчитан на выдачу показаний фазного напряжения в пределах от 0 до 250 В. Для снятия данных понадобится нажать на клавишу «Start». При отсутствии указанных манипуляций измерительное устройство автоматически выведет на дисплей полученное значение, по истечении пяти секунд с момента начала тестирования.

Измерение характеристик контура «Ф-Н»

Для получения основных показателей в MZC 300 используется методика искусственного короткого замыкания. Она позволяет измерить полное сопротивление петли, разлагая на активную и реактивную составляющую, а также выдавая данные по углу сдвига фаз и величине предполагаемого Iкз. Для их поочередного просмотра понадобится нажимать кнопку «Z/I».

Измерительный ток протекает по тестируемому контуру в течение 30 мс. Для ограничения величины тока в схеме прибора смонтирован ограничивающий резистор на 10 Ом. При этом прибор автоматически устанавливает требуемую величину измерительного тока, учитывая уровень напряжения в сети и величину сопротивления схемы «Ф-Н».

Обратите внимание! При проведении тестирования важно учитывать, что прибор ведет расчеты с учетом номинального значения напряжения 220 В, независимо от действующих показаний в сети. Поэтому в дальнейшем необходимо осуществить корректировку полученного значения предполагаемого Iкз в цепи «Ф-Н». Для этого необходимо измерить действующее значение напряжения и разделить на 220. Полученное значение умножить на измеренный прибором Iкз.

При наличии в схеме УЗО следует предварительно исключить защитный аппарат из тестируемого контура посредством установки шунта. Это обусловлено тем, что подаваемый от MZC 300 измерительный ток приводит к отключению УЗО.

Вывод результатов измерения

После осуществления необходимых подключений на экране прибора будет отражаться уровень напряжения сети. Процесс измерения начинается после нажатия кнопки «Start». По факту окончания тестирования на дисплей выводится информация о величине полного сопротивления или предполагаемого Iкз, в зависимости от первоначальных установок. Для отображения других доступных показаний понадобится использовать клавишу «SEL».

Вывод результатов испытания на экран

Для получения достоверных измерений цепи «Ф-Н» рекомендуется воспользоваться услугами профессионалов. От правильности испытаний зависит дальнейшая безопасность эксплуатации электрической сети.

Измерение сопротивления петли фаза-ноль | Элкомэлектро

Электролаборатория » Услуги электролаборатории » Виды измерений » Измерение сопротивления петли фаза-ноль

Проведение данного замера регламентируется Правилами Технической Эксплуатации Электроустановок Потребителя (ПТЭЭП) в таблице 28, пункт 28.4 и проводится через каждые два года (ПТЭЭП п. 2.7.16), и если у Вас передвижная электроустановка, то после каждой перестановки электрооборудования и монтажа нового, в электроустановках до 1000 Вольт, перед его включением (ПТЭЭП п. 2.7.17).

Вполне очевидно, что при наличии неполадок в цепи обычное короткое замыкания может привести не только к поломке бытовой техники, но и возникновению пожароопасных ситуаций. Испытание петли фаза-ноль с последующим вычислением тока короткого замыкания позволяет сделать вывод о правильности выбора аппарата защиты. Сопротивление цепи путём не хитрых вычислений переводится в ток короткого замыкания, который может возникнуть в случае аварии. Уровень тока короткого замыкания должна быть больше уставок автоматических выключателей, только при соблюдении данного условия сработает защита и проводка будет защищена!

Наша электролаборатория проводит измерение сопротивления петли «фаза-нуль» с выдачей технического отчёта установленного образца. Наш – офис находится в Москве.

Обязательный и необходимый комплекс лабораторных замеров и исследований, которые производятся при первичном подключении, текущей эксплуатации или после окончания капитального ремонта является измерение петли фаза нуль. Полученный результат в обязательном порядке фиксируется в техническом отчёте и является основанием для получения заключения о безопасности электроустановки.

Ни один объект не может быть допущен к эксплуатации, если на нем не было сделано измерение петли фаза нуль. Всем организациям и предприятиям следует регулярно проводить работы подобного плана, так как это один из обязательных параметров проверки и контроля состояния электрооборудования. Отдельные частные лица могут самостоятельно проводить данный замер для избегания неприятных последствий, в профилактических целях или же в случае возникновения неполадок домашней электросети.

Такой вид электроизмерительных работ проводится для установления соответствия электросети всем требованиям безопасности в случае аварийных ситуаций. Специалисты нашей лаборатории при помощи специальных инструментов осуществляют проверку срабатывания автоматической защиты, кроме того они рассчитывают полное сопротивление, которое при коротком однофазном замыкании оказывает петля фаза-нуль. Показания должны соответствовать ПУЭ п. 7.3.139 и 1.7.79.

Мы проводим измерения в соответствии с методикой измерения петли фаза-ноль. Данная методика подразумевает использование вольтметра и амперметра. Ситуация короткого однофазного замыкания создается искусственно и в этот момент наши специалисты проводят все требуемые вычисления. Однако, такой способ считается устаревшим и не таким эффективным, поскольку требует больших временных затрат для проведения и отключения электросети.

Наши инженеры проводят измерение петли фазы ноль, используя прибор MZC-300. Этот высокоточный прибор предназначен специально для проведения электроизмерительных работ электроустановок. Измерение должно проводиться в условиях строгой точности. С помощью высокоточного прибора MZC-300 можно в короткий срок осуществить все требуемые измерения с возможными минимальными погрешностями.

Полученные данные зависят от времени суток, температуры, влажности. Максимально достоверные данные о состоянии сети можно получить лишь в том случае, когда проверка проводки проводится в условиях максимально приближенных к эксплуатационным. Затем эти данные переносятся в протокол измерения петли фаза ноль. В этом случае не приходится отключать электрозащитные установки и электроснабжение, все измерительные работы осуществляются под напряжением, в рабочем режиме.

Проверку петли фаза нуль стоит проводить в соответствии с техническим регламентом электротехнических измерений с учетом особенностей электроустановок и требованиям безопасности во время электроизмерительных работ.

Измерение обратной связи с обратной связью | Electronic Design

Импульсные источники питания основаны на контурах управления с обратной связью, чтобы гарантировать, что требуемое напряжение и ток поддерживаются при различных условиях нагрузки. Конструкция контура управления с обратной связью влияет на многие факторы, включая регулирование, стабильность и переходную характеристику.

Контур управления с обратной связью будет колебаться, если имеется частота, на которой коэффициент усиления контура равен единице или больше, а общее отставание по фазе равно 360°. Стабильность обычно измеряется двумя факторами:

• Запас по фазе, разница между фактическим отставанием по фазе и 360°, когда коэффициент усиления контура равен единице, выражается в градусах.
• Запас по усилению, величина, на которую усиление упало ниже единицы, когда общее отставание по фазе составляет 360°, выражается в децибелах.

Для большинства систем управления с обратной связью запас по фазе превышает 45° (менее 315°), когда усиление контура превышает 0 дБ. Запас по усилению составляет -20 дБ или ниже, когда фазовая задержка контура достигает 360°.

Если эти условия соблюдены, реакция контура управления будет близка к оптимальной; он будет безусловно стабильным и не будет иметь ни недостаточного, ни чрезмерного демпфирования. Обычно измерение частотной характеристики выполняется далеко за пределами рабочей полосы частот контура управления, чтобы гарантировать выявление всех вероятных условий.

График Боде, показанный в модели . На рис. 1 представлены кривые усиления контура управления и фазовой характеристики для импульсного источника питания с одним выходом. Измерения проводились с использованием анализатора фазы усиления GP102, автономного прибора для оценки запаса по усилению и фазе контура управления, а затем импортировались в электронную таблицу.

В этом случае запас по фазе, измеренный от точки пересечения 0 дБ до 360°, составляет 82° (от 360° до 278°). Запас по усилению составляет -35 дБ, измеренный от 0 дБ до точки, в которой фаза пересекает 360°. Сравнение этих запасов по усилению и фазе с целевыми значениями запаса по усилению -20 дБ и запаса по фазе 60° подтверждает, что переходная характеристика и стабилизация протестированного источника питания будут чрезмерно демпфированы и неприемлемы.

Точка пересечения 0 дБ составляет 160 Гц, что способствует замедлению цикла. В идеале желательно положительное усиление контура на частоте 1 или 2 кГц, и, учитывая очень консервативные запасы по усилению и фазе, можно улучшить динамику контура, не приближаясь к областям нестабильности. Требуются небольшие изменения в компонентах компенсации усилителя ошибки. После модификации контур управления может быть повторно протестирован для обеспечения безусловной стабильности.

Эти измерения обычно выполняет анализатор частотной характеристики (FRA) или анализатор фазы усиления. В этих приборах используются методы дискретного преобразования Фурье (ДПФ), поскольку измеряемые сигналы часто малы и маскируются шумом и искажениями, создаваемыми переключающим каскадом источника питания. ДПФ используется для извлечения интересующего сигнала.

Подача тестового сигнала

Для выполнения измерения FRA подает сигнал помехи или ошибки известной частоты в контур управления. Два канала измерения FRA используются для определения того, сколько времени проходит помеха от входа усилителя ошибки до выхода источника питания.

Инжекция должна происходить там, где сигнал обратной связи контура управления ограничивается одним путем и подается от источника с низким импедансом. Соединение пути обратной связи с выходом источника питания или выходом усилителя ошибки является хорошим местом для ввода сигнала помехи.

Часто генератор сигналов подключается к тестируемой цепи через изолирующий трансформатор, как показано на рис. 2 , что обеспечивает электрическую изоляцию между генератором сигналов FRA и тестируемой цепью. Метод инжекции, представленный на рис. 2, добавляет сигнал возмущения на вход усилителя ошибки. Этот метод подходит для выходных напряжений источника питания в пределах максимального предела входного напряжения FRA.

Если проверяемый источник питания выдает высокое выходное напряжение, то метод первой подачи не применяется. В Рис. 3 сигнал помехи был введен после усилителя ошибки, где напряжение контура управления относительно земли низкое. Этот метод инжекции следует использовать, если выходное напряжение источника питания превышает входной диапазон FRA.

После выбора подходящей точки впрыска необходимо тщательно настроить амплитуду сигнала возмущения. Реакцию на возмущение можно посмотреть на осциллографе, подключенном к выходу источника питания.

Амплитуда генератора сигналов FRA должна быть установлена ​​равной нулю и низкой частоте, обычно в нижней части полосы пропускания контура управления. Медленно увеличивайте амплитуду генератора FRA. Хорошей отправной точкой для амплитуды генератора сигналов FRA является момент, когда на осциллографе видно небольшое возмущение, около 5% от номинального выходного напряжения источника питания.

Этот процесс следует повторить в верхней части полосы пропускания контура управления, чтобы понять, можно ли использовать один и тот же уровень привода во всей полосе пропускания контура. Генератор FRA не должен занижать или перегружать контур управления. Любые измерения, сделанные в этих условиях, будут неверными.

Маловероятно, что одна и та же настройка генератора сигналов FRA может использоваться во всей полосе пропускания контура управления. В этих условиях можно использовать сжатие амплитуды для поддержания устойчивого сигнала помехи при качании частоты и изменении коэффициента усиления контура. Это достигается за счет управления амплитудой генератора сигналов FRA для поддержания постоянного входного сигнала усилителя ошибки.

Выполнение измерения

Два входа FRA подключены к двум концам вторичной обмотки инжекторного изолирующего трансформатора, как показано на рисунках 2 и 3. Канал 3 измеряет выходной сигнал контура управления, а канал 2 измеряет управляющий сигнал. -петлевой вход. Измерения производятся относительно земли.

Произведите свипирование от 10 Гц до 30 кГц и обратите внимание на воспроизводимость измерений усиления и фазы как на хорошие индикаторы того, что в контуре управления применяется правильный уровень инжекции. Оцените запасы по усилению и фазе контура управления, обращаясь к рекомендациям по фазе усиления.

Подходящие компоненты компенсации могут быть применены к каскаду усилителя ошибки. Выполнение новой развертки покажет эффект изменений значений компенсации. В идеале петлевой коэффициент усиления должен снижаться до -20 дБ за декаду, особенно там, где петлевой коэффициент усиления превышает единицу.

Цепи коррекции коэффициента мощности

Цепи управления с обратной связью не ограничиваются регулировкой выхода импульсного источника питания. Активная коррекция коэффициента мощности (PFC), обычно используемая после мостового выпрямителя, использует два контура управления для достижения синусоидального входного тока, что приводит к коэффициенту мощности нагрузки, близкому к 1,0. Схемы PFC обычно основаны на специальной микросхеме контроллера, коммутационном устройстве и катушке индуктивности для накопления энергии — так называемом звене постоянного тока.
Первый контур, контур напряжения, пытается поддерживать постоянное напряжение постоянного тока в звене постоянного тока или на выходе схемы PFC. Эта петля относительно медленная, пересекая 0 дБ примерно на 10 Гц. Второй контур, контур управления током, эффективно управляет формой волны входного тока. Эта схема прерывателя с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) должна отслеживать выпрямленную синусоидальную форму волны напряжения, поэтому, по сути, задание для контура управления током является динамическим. Поскольку текущий контур управления должен отслеживать частоту линии, точка пересечения может составлять несколько килогерц.

Тестирование контура управления напряжением

Тестирование медленного контура управления напряжением и быстрого контура управления током требует различных подходов:

Контур управления напряжением PFC

Контур напряжения прост. Никаких модификаций схемы не требуется, и фактически контур управления током остается активным во время проверки контура напряжения. В отношении выбора точки инъекции применяются обычные правила. Вы должны найти место в петле, где источник является точкой с низким импедансом и ограничивается одним путем. Мощность инжекторного резистора, вероятно, будет 1000 Вт.

Контур управления током PFC

Тестирование более быстрого контура управления током требует большой осторожности и внимания, поскольку для получения достоверной оценки запаса по усилению и фазе требуется несколько модификаций схемы:

1. Используйте источник от 0 до 400 В постоянного тока для подайте питание на вход схемы PFC. Источник переменного тока не требуется и должен быть отключен.
2. Отключить контур управления напряжением, но не всю микросхему.
3. При необходимости подайте вспомогательное питание на микросхему контроллера PFC, обычно +18 В.
4. Используйте источник питания от 0 до 10 В постоянного тока для управления выходным током PFC для соответствующего уровня входного напряжения. По сути, источник питания от 0 до 10 В постоянного тока будет управлять усилением в контроллере и заменять опорное напряжение, которое обычно изменяется со скоростью от 100 до 120 раз в секунду для частоты сети 50 или 60 Гц. Цепь обратной связи по току должна отслеживать входное напряжение, поэтому для установки различных условий используется источник питания от 0 до 10 В постоянного тока.
5. Примените переменную нагрузку к выходу PFC.
6. Используйте инжекционный резистор на 100 Вт, подключенный между резистором датчика тока и входом датчика PFC.
7. Развертка от 50 Гц примерно до половины частоты коммутации. Проверьте реакцию контура с различными настройками и комбинациями, описанными в пунктах 4 и 5. Например, контур следует проверить при нулевом токе, пиковом токе и на полпути.

Измерения в зоне PFC опасны. Изолируйте входные каналы АЧХ и генератора от земли и друг от друга.

Об авторах

Кен Зальц является президентом компании Clarke-Hess Communication Research. До прихода в компанию он был президентом и основателем North Atlantic Instruments. Г-н Зальц написал множество статей, посвященных измерению и моделированию переменного тока, и получил степень B.S.E.E. Университет Хофстра и степень магистра делового администрирования Нью-Йоркского технологического института. Clarke-Hess Communication Research, 21-09 43rd Ave. Long Island City, NY 11101, 718-784-0445, электронная почта: [email protected]

Вернуться на домашнюю страницу EE

Опубликовано EE-Evaluation Engineering
Все содержание © 2001 Nelson Publishing Inc.
Запрещается перепечатывать, распространять или повторно использовать на любом носителе
без явного письменного согласия издателя.

Декабрь 2001 г.

Понимание стабильности контура источника питания и компенсации контура — часть 1: основные понятия и инструменты

к Генри Чжан Скачать PDF

Введение

Проектирование контуров и испытания на устойчивость являются важными задачами для энергетика. Сила источник питания, как импульсный, так и линейный, должен быть разработан с учетом быстрых переходных процессов. ответ и достаточный запас устойчивости. Нестабильная или предельно стабильная власть источник питания может колебаться и вызывать повышенные пульсации, напряжение, ток и тепловые напряжения и, возможно, повредить источник питания и его устройства критической нагрузки.

Для проверки полосы пропускания и стабильности контура обратной связи источника питания, диаграммы Боде контура широко используются для получения точных и количественных значений характеристик контура. В этой статье будут рассмотрены критические концепции и важность стабильности цикла, от критерия графика Найквиста к графикам Боде. Затем он предоставляет примеры Боде графики и инструменты, а также лабораторные измерения для создания графиков Боде, чтобы продемонстрировать как лучше всего оценить стабильность петли. Практичная установка измерения контура соображения также будут объяснены.

Обзор концепции базовой петли обратной связи: критерий устойчивости и график Боде

График Найквиста и критерий Найквиста

Для оценки устойчивости системы с линейной обратной связью, один базовый и оригинальный понятием является критерий Найквиста, использующий график Найквиста. Он был назван в честь Гарри Найквист, инженер Bell Telephone Laboratories, опубликовавший классический статья об устойчивости усилителей с обратной связью в 1932 году. Его критерий устойчивости Найквиста теперь можно найти во всех учебниках по теории управления с обратной связью.

Предполагая, что передаточная функция усиления разомкнутой системы с обратной связью равна T(s), ее Найквист график представляет собой график T (s) с s = jɯ = j2πf в комплексной плоскости Re (T (s)) и IM(T(s)), так как частота ɯ изменяется как параметр, изменяющийся от 0 до бесконечности. График можно описать с помощью полярных координат, где величина петля — радиальная координата, а фаза передаточной функции — соответствующая угловая координата от точки (0, 0). Стабильность петли определяется посмотрев на количество окружений точки (-1, 0) на этом графике. Для типичного аналоговый источник питания с обратной связью, его передаточная функция без обратной связи обычно стабильный (то есть без RHP). В этом случае замкнутая система устойчива, если T(jɯ) график не окружает точку (-1, 0) по часовой стрелке по мере увеличения частоты, как показано на Рисунок 1. С другой стороны, если график Найквиста T(jɯ) окружает точку (-1, 0) по часовой стрелке по мере увеличения частоты, как показано на рисунке 4, система становится нестабильной.

Рис. 1. Типичный график Найквиста для устойчивой линейной системы с отрицательной обратной связью (источник питания).

Чтобы иметь некоторый запас устойчивости, важно держать график T(jɯ) подальше от критической (-1, 0) точки. Таким образом, с помощью критерия Найквиста и графика запас устойчивости системы обратной связи по электроснабжению определяется расстоянием графика T(jɯ) от точки (-1, 0). Строго говоря, минимальное расстояние между точкой (-1, 0) и графиком T(jɯ) следует использовать для количественной оценки запаса устойчивости, представленного значением dm на рисунке 2. Однако для упрощения задачи частотной области анализа (с использованием графиков Боде) запас по фазе (PM) определяется как соответствующий фазовый угол точки, где график T(jɯ) пересекается с единичной окружностью (|T(jɯ)| = 1 или 0 дБ), а запас усиления (GM) определяется |T(jɯ)| значение, где график T(jɯ) пересекается с действительной осью (т. е. фаза = –180°), как показано на рис. 2.

Рис. 2. Запасы устойчивости (запас по фазе (PM) и запас по усилению (GM)) на графике Найквиста.

Графики Боде и критерий устойчивости

Хотя график Найквиста обеспечивает точный критерий устойчивости системы с обратной связью, он не показывает визуально значения частоты на графике T(jɯ). Использовать этот график для анализа передаточной функции и расчетов с полюсами и нулями в частотной области непросто. В 1930-х годах другой инженер Bell Labs, Хендрик Уэйд Боде, разработал простой метод построения графиков усиления и фазового сдвига. Они известны как пара графиков Боде, включая соответствующий график усиления и график фазы в зависимости от частоты. Более интуитивным способом один график Найквиста можно перерисовать с помощью пары графиков Боде, как показано на рисунке 3. График амплитуды Боде представляет собой график функции |T(s = jɯ)| значения частоты ɯ = 2πf. Здесь горизонтальная ось частоты логарифмическая. Величина (усиление) указывается в децибелах, т. е. значение величины |T| откладывается на оси при 20log10|T|. Фазовый график Боде представляет собой график фазы, обычно выражаемый в градусах, передаточной функции arg(T(s = jɯ)) значения частоты ɯ. Значение фазы нанесено на линейную вертикальную ось. Используя графики Боде, частота, при которой график усиления достигает 0 дБ (ось x), определяется как полоса пропускания с обратной связью f _BW системы. Это та же самая точка, в которой график Найквиста T(jɯ) пересекает единичную окружность. Следовательно, при f _BW разность фаз между фазовым графиком и –180° является запасом фазовой устойчивости (PM), показанным на графике Найквиста, то есть PM = 180 + arg(T(jɯ)) при f _БВ . Обратите внимание, что PM ≤ 0 указывает на нестабильную систему. По мере увеличения частоты фаза питания может еще больше уменьшаться. В точке, где фаза достигает –180°, это та же точка, где график Найквиста T(jɯ) пересекает ось Re, где запас усиления (GM) определяется как 1/|T(jɯ)|. Таким образом, критерий устойчивости Боде представляет собой упрощенный критерий Найквиста, представленный на графиках Боде.

Рис. 3. Типичная стабильная система: график Найквиста — график Боде и соответствующая полоса пропускания, запас по фазе (PM) и запас по усилению (GM).

В качестве примера на рис. 4 показана типичная неустойчивая система и ее графики Найквиста и соответствующие графики Боде. На графике Найквиста траектория петли T(jɯ) окружает точку (-1, 0) по часовой стрелке по мере увеличения частоты. График пересекается с осью x еще до того, как |T(jw)| величина, то есть расстояние до точки (0, 0), падает до 1. График T (jɯ) пересекает единичный круг с отрицательным фазовым углом. Соответственно, на его графиках Боде фазовый график достигает –180°, а график усиления все еще превышает 0 дБ. На частоте кроссовера f _BW значение фазы ниже –180°. По графикам Боде легко сказать, что это неустойчивая система с PM < 0°.

Рис. 4. Типичный график Найквиста для неустойчивой системы и соответствующие ему графики Боде.

Еще одно важное преимущество графиков Боде заключается в очень наглядном представлении передаточной функции, ее полюсов и нулей с их точным расположением частот и влиянием на графики усиления и фазы. Это делает проектирование компенсации контура стандартным инженерным процессом.

Наконец, хотя запасы по коэффициенту усиления и фазе на диаграмме Боде являются классическими мерами устойчивости, которые долгое время использовались при проектировании систем управления, обратите внимание, что интерпретация запасов устойчивости на диаграмме Боде может быть неправильной или неточной, если имеется несколько точек (частот). что график Найквиста пересекает или приближается к единичному кругу (то есть график усиления Боде пересекает 0 дБ). Например, на рис. 5 показан пример системы с хорошими запасами по фазе и усилению на графиках Боде. Однако график Найквиста показывает, что он опасно близок к точке (-1, 0) с нестабильным риском. В этом примере система ненадежна. Таким образом, даже на графиках Боде важно рассматривать графики целиком, а не просто фокусироваться на двух точках PM (при f _BW ) и GM.

Рисунок 5. Концептуальная система с хорошими PM и GM, но с риском нестабильности.

В заключение можно сказать, что метод диаграммы Боде оказался простым и успешным для анализа стабильности петли. Поэтому он широко используется в системах с линейной обратной связью, в том числе в источниках питания. Инженерам просто нравится простота (а кому нет?) использования запаса по фазе для определения и количественной оценки стабильности контура. Многие полевые инженеры, возможно, забыли изначальную концепцию Найквиста из школьных учебников. Необходимо отметить, что концепции критерия Найквиста и графика Найквиста по-прежнему полезны, особенно при наличии необычных и запутанных графиков Боде.

Стабильность цепи питания

Существует два основных типа источников питания: источники питания линейного режима и импульсные источники питания (SMPS). Источники питания с линейным режимом относительно просты. Их компенсационная сеть обычно интегрируется внутри ИС; поэтому пользователям просто нужно следовать рекомендациям по минимальным и максимальным требованиям к выходной емкости, указанным в паспорте. SMPS обычно имеют более высокий КПД и, следовательно, более высокий уровень мощности, чем линейные источники питания. Многие контроллеры SMPS позволяют пользователям настраивать контур компенсации извне для обеспечения оптимальной стабильности и переходных характеристик.

SMPS являются нелинейными, изменяющимися во времени системами из-за коммутационных действий. Однако их можно смоделировать с помощью линеаризованной модели с усредненным малым сигналом, которая действительна до частоты коммутации источника питания f _SW /2. Следовательно, можно применить анализ устойчивости линейного контура управления с использованием графиков Найквиста и Боде. Обычно максимальная полоса пропускания SMPS составляет примерно от 1/10 до ~1/5 частоты переключения f _SW . Обычно допустим запас по фазе 45°, особенно для понижающих преобразователей. Запас по фазе 60° предпочтителен не только как консервативное значение, поскольку он также помогает сгладить график выходного импеданса с обратной связью для хорошей конструкции сети распределения электроэнергии (PDN). Обычно требуется запас по усилению от 8 дБ до ~10 дБ, хотя следует помнить, что усредненная модель и ее графики Боде действительны только до f _SW /2.

Кроме того, для ослабления шумов переключения в контуре компенсации обратной связи желательно ослабление усиления на ≥8 дБ при f _SW /2, что является еще одним ориентиром при проектировании запаса усиления или ослабления усиления. Дополнительные сведения о моделировании слабых сигналов и проектировании компенсации контура см. в примечании к приложению Analog Devices AN149. ¹

Инструменты для создания диаграмм Боде контура источника питания

Анализ диаграммы Боде

является стандартным и обязательным методом количественной оценки стабильности контура источника питания. Существует множество инструментов проектирования и измерений для построения графиков Боде.

Средство проектирования LTpowerCAD

Средство проектирования LTpowerCAD ^® от ADI (бесплатно для загрузки на сайте Analog. com/LTpowerCAD) — это мощный инструмент для проектирования и оптимизации источников питания. Это позволяет инженеру спроектировать SMPS за пять простых шагов, включая поиск/выбор деталей, проектирование силового каскада, оптимизацию эффективности, проектирование контура и нагрузки в переходных режимах, а также создание сводного отчета по проекту. Полный бумажный дизайн можно сделать всего за несколько минут. Внутри LTpowerCAD петлевые графики Боде в реальном времени генерируются с помощью линейных моделей слабого сигнала силовых продуктов ADI. Модель контура каждого продукта была проверена на демонстрационной плате ADI для обеспечения хорошей точности. Графики Боде в реальном времени и переходная форма сигнала позволяют инженеру быстро проектировать и оптимизировать контур обратной связи.

На рис. 6а показана стартовая страница инструмента LTpowerCAD. Пользователи могут начать проектирование блока питания, щелкнув значок Supply Design . На рис. 6b показан пример диаграмм Боде контура LTpowerCAD и переходных процессов нагрузки с использованием LTM4638, понижающего регулятора высокой плотности 20 В _IN / 15 A µModule ^® . LTM4638 — это полностью интегрированный понижающий стабилизатор, включающий управляющую микросхему, полевые транзисторы, катушку индуктивности и несколько входных и выходных конденсаторов, в крошечном корпусе размером 6,25 мм × 6,25 мм × 4 мм. Он имеет возможность разрешить внешнюю компенсацию контура для гибкой настройки контура для различных условий работы, особенно с различными значениями выходного конденсатора. Следовательно, контур и его переходные характеристики всегда можно оптимизировать по мере необходимости.

На диаграммах Боде LTpowerCAD на рисунке 6b вертикальная зеленая линия указывает полосу пропускания питания (частоту кроссовера). Фазовый график построен как фаза + 180° для удобства чтения запаса по фазе. Это также популярный способ для инструментов построения графика. Вертикальная красная линия указывает частоту переключения питания. Поскольку усредненные модели слабого сигнала действительны только до f _SW /2, странные зигзагообразные графики усиления и фазы после f _SW в любом случае не имеют смысла.

Рис. 6. (a) Инструмент проектирования источников питания LTpowerCAD и (b) его страница проектирования контуров.

Пользователь может просто ввести/изменить значения R/C сети компенсации контура или использовать ползунки значений R/C и установить флажок Freeze Plots , чтобы настроить и сравнить результаты диаграммы Боде в реальном времени. Кроме того, пользователь также может установить желаемую полосу пропускания контура (от ≤1/10 до ~1/5 f _SW ), а затем установить флажок Use Suggested Compensation . Инструмент LTpowerCAD автоматически предложит набор значений цепи компенсации R/C для оптимизации контура с высокой пропускной способностью и достаточным запасом по фазе независимо от изменения C _OUT в этом примере. Это делает проектирование компенсации петли простым действием, выполняемым одним щелчком мыши.

Наконец, после проектирования источника питания в LTpowerCAD с оптимальными параметрами, проект можно экспортировать в инструмент моделирования LTspice ^® для динамического моделирования во временной области.

Инструмент моделирования цепей LTspice

LTspice — очень популярный инструмент моделирования цепей от ADI. Его также можно бесплатно загрузить с сайта Analog.com/LTspice. LTspice можно использовать для моделирования стационарных и переходных процессов цепи питания во временной области, а также для моделирования цепи переменного тока в частотной области. Тем не менее, он еще не предлагает быстрого и удобного способа моделирования графиков Боде импульсного питания, если только для данной схемы питания импульсного режима не разработана специальная схема модели среднего слабого сигнала. ^3,4,5 Инженер может использовать инструмент LTpowerCAD для проектирования источника питания, включая компенсацию контура, а затем экспортировать проект в LTspice для более детального моделирования схемы.

График Боде Лабораторные измерения

Зачем проводить лабораторный тест? Рассмотрение изменений параметров

Из-за неточности и вариаций значений внешних компонентов смоделированные петлевые графики Боде могут быть хорошими отправными точками, но могут быть не очень точными. Наиболее значительные изменения обычно происходят из-за сети выходных конденсаторов. Например, на рис. 7 показано, что значение емкости многослойного керамического конденсатора (MLCC) с высокой емкостью может значительно варьироваться в зависимости от напряжения смещения постоянного тока или напряжения пульсации переменного тока, что приводит к погрешности значения емкости от 40% до ~60%. Изменение смещения постоянного тока встроено в библиотеку конденсаторов LTpowerCAD, а изменение смещения переменного тока еще нет. Еще одним популярным типом конденсаторов являются проводящие полимерные конденсаторы. Они обладают высокой емкостью, но также имеют более высокие значения паразитного сопротивления ESR, чем MLCC. К сожалению, типичное значение ESR полимерных конденсаторов, указанное в паспорте, может быть неточным. Хуже того, многие полимерные конденсаторы чувствительны к влаге (MSL3). Значение ESR может значительно измениться со временем, если деталь не хранится в запечатанном сухом пакете.

Рис. 7. Большие колебания значения MLCC в зависимости от условий эксплуатации.

Зачем проводить лабораторный тест? С учетом паразитных составляющих печатных плат

Иногда паразитная индуктивность или емкость трассировки печатной платы также может вызвать дополнительные ошибки для контурных моделей Боде. Пример показан на рисунке 8 для демонстрационной платы понижающего преобразователя. След компенсационного ITH-вывода длиной 3 см и размером 10 мил может иметь паразитную емкость относительно земли 10 пФ. В результате это вызывает заметное падение запаса по фазе ~10°. Точно так же имейте в виду, что паразитная емкость вывода обратной связи по питанию (FB) может вызвать тот же эффект.

Рис. 8. Компенсация паразитной емкости трассировки вывода ITH на печатной плате (~10 пФ) влияет на фазовые графики контура.

В заключение, смоделированные петлевые графики Боде не могут быть очень точными. Таким образом, стендовый тест диаграммы Боде всегда является обязательным шагом для квалификации источника питания на этапе разработки.

Измерение петлевой диаграммы Боде и соображения

Типовая установка

Сетевой (частотный) анализатор, такой как RidleyBox ^® от Ridley Engineering или Bode 100 от Omicron Lab, является типичным коммерческим оборудованием для измерения графиков Боде подачи. Рисунок 9показана типичная установка для измерения диаграммы Боде контура тестируемого устройства питания (DUT). В дополнение к стандартному резистору обратной связи в цепь обратной связи вставлен небольшой вводной резистор Ro от 10 до 50 Ом. Анализатор цепей подает небольшой сигнал переменного тока от 10 мВ до 100 мВ через Ro, чтобы «разорвать» петлю. Анализатор цепей изменяет частоту сигнала переменного тока от низкой к высокой, затем измеряет сигнал в точках A и B через Ro. Передаточная функция контурного усиления T(s) измеряется в VA(s)/VB(s) (или ch3/ch2). Анализатор цепей вычисляет усиление и фазу VA(s)/VB(s) в каждой частотной точке и, следовательно, генерирует графики Боде усиления и фазы.

Рис. 9. Типичная установка для измерения полосы пропускания контура источника питания (коэффициент усиления контура = ch3/ch2).

Возмещение SNR

Необходимо учитывать отношение сигнал-шум (SNR) при измерении контура в другом диапазоне частот. В частности, контур источника питания обычно имеет очень высокий коэффициент усиления на очень низкой частоте для достижения высокой точности регулирования выходного постоянного тока. С увеличением частоты коэффициент усиления контура уменьшается. Поскольку коэффициент усиления контура измеряется как VA(s)/VB(s), сигнал VB(s) может быть очень маленьким на очень низкой частоте. В результате график коэффициента усиления контура очень низких частот может быть зашумлен. Вот почему измеренная фазовая диаграмма обычно не очень гладкая на низких частотах, в то время как коэффициент усиления остается высоким. Для улучшения отношения сигнал-шум иногда полезно иметь переменный ввод переменного сигнала по частоте. Например, зеленая линия на рис. 8b показывает переменный сигнал переменного тока, установленный с помощью анализатора цепей. Сигнал переменного тока выше на более низкой частоте и линейно уменьшается с увеличением частоты.

Кроме того, чтобы свести к минимуму шум измерений, выводы заземления датчика цепей должны быть подключены к проводу заземления тихого сигнала рядом с микросхемой контроллера источника питания на печатной плате.

Измерение силового модуля со встроенными резисторами обратной связи

На рис. 10 показаны два варианта установки двух типовых резисторов обратной связи источника питания. На рис. 10а показан дискретный источник питания с резистивным делителем обратной связи RT и RB, доступным извне. Таким образом, его схема измерения контура такая же, как на рисунке 9.. Однако многие встроенные источники питания, такие как модули питания ADI серии LTM, уже имеют один или оба резистора обратной связи внутри литого модуля, подключенного к V _OUT . Поэтому сложно разорвать петлю, чтобы вставить резистор Ro. Вместо разрыва исходного пути считывания V _O альтернативный способ измерения контура показан в методе параллельного соединения на рисунке 10b, если контакт обратной связи (FB) все еще доступен. В этом случае внешняя резисторная пара гораздо меньшего номинала (1 кОм) создает R-делитель RT1/RB1 вне модуля. По сравнению с рис. 10а, внешние резисторы теперь составляют 1/60 от предыдущего значения. Из-за более низкого сопротивления внешнего параллельного R-делителя большая часть переменного тока сигнала протекает по этому внешнему пути, а не по внутреннему пути. Поэтому инжекторный резистор Ro можно вставить во внешний R-делитель RT1 и RB1. На рис. 11 показано сравнение диаграмм Боде усиления и фазы источника питания, измеренных с помощью установок на рис. 10а (метод 2) и рис. 10b (метод 1). Два графика усиления перекрываются друг с другом. Метод 1 показывает уменьшенное неточное усиление на более низкой частоте. К счастью, это не важно, так как нас интересуют в основном графики с более высокими частотами, особенно на частоте, близкой к полосе пропускания источника питания, где измеряются запасы стабильности.

Рис. 10. Типичные схемы измерения диаграмм Боде тестируемого источника питания: (a) источник питания с внешними резисторами обратной связи и (b) модуль питания с внутренними резисторами обратной связи.

Рис. 11. Пример графиков Боде с методами измерения рис. 10a и рис. 10b для одного и того же источника питания.

Кроме того, если исходная цепь резисторов обратной связи имеет конденсатор прямой связи C _FF , в методе параллельного R-делителя значение конденсатора C _FF должно быть увеличено пропорционально отношению RT/RT1, чтобы сохранить то же значение R /C значение постоянной времени и частоты полюсов/нулей. На рис. 12 показан пример.

Рис. 12. Пропорциональное увеличение значения C _FF с параллельным внешним делителем R.

Заключение

Критерий Найквиста и соответствующий критерий устойчивости петли Боде важны для инженера, чтобы понять и спроектировать быстрый и стабильный источник питания. Хотя графики Боде широко используются для определения устойчивости петель, иногда для объяснения необычных графиков Боде можно использовать критерий Найквиста. Имея в виду четкие концепции устойчивости контура, инженер может использовать инструмент проектирования LTpowerCAD для быстрого проектирования и оптимизации источника питания. Кроме того, из-за различий компонентов и паразитных характеристик печатных плат измерение Боде в лабораторном контуре является обязательным шагом для точной настройки контура. Для получения точного результата следует учитывать практические измерения контура и параметры настройки.

Рекомендации

¹ Генри Дж. Чжан. «Примечание по применению 149: Моделирование и схема компенсации контура импульсных источников питания». Линейные технологии, январь 2015 г.

² Генри Чжан. «Проектирование параметров источника питания за пять простых шагов с помощью инструмента проектирования LTpowerCAD». Analog Devices, Inc., сентябрь 2015 г.

³ Ватче Форпериан. «Упрощенный анализ преобразователей ШИМ с использованием модели переключателя ШИМ, часть I: режим непрерывной проводимости». IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems , Vol. 26, № 3, май 1990 г.

⁴ Ватче Форпериан. «Упрощенный анализ преобразователей ШИМ с использованием модели переключателя ШИМ, часть II: режим прерывистой проводимости». IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems , Vol. 26, № 3, май 1990 г.

⁵ Рэймонд Б. Ридли. «Точная и практичная модель слабого сигнала для управления текущим режимом». Ридли Инжиниринг, 1999.

Автор

Генри Чжан

Генри Чжан (Henry Zhang) — директор по приложениям ADI Power by Linear™. Он получил B.S.E.E. степень Чжэцзянского университета, Китай, в 1994 г. и его степень магистра. и доктор философии получил степень в области электротехники в Политехническом институте Вирджинии при Государственном университете, Блэксбург, Вирджиния, в 1998 и 2001 годах соответственно.