Прилади та методики вимірювань для розробки та виробництва джерел живлення, інверторів та перетворювачів AC/DC, DC/DC, DC/AC, AC/AC

Короткий вступ

У цій статті ми розповімо про сучасні прилади та методики вимірювань, які застосовуються при розробці, дослідженні та виробництві джерел вторинного електроживлення з потужністю від часток вата до сотень кіловат.

Інформація, представлена на цій сторінці, буде корисна інженерам, які працюють над проектами імпульсних та лінійних джерел живлення, інверторних перетворювачів, стабілізаторів напруги, джерел безперебійного живлення, станцій заряду електромобілів, інтелектуальних приводів електродвигунів та інших пристроїв, що виконують перетворення електроенергії.

Для зручності весь текст поділено на тематичні розділи:
- лабораторний блок живлення на вході
- електронне навантаження на виході
- вимірювання в точці підключення до мережі змінного струму (AC)
- вимірювання характеристик внутрішніх компонентів джерела живлення
- вимірювання в точці підключення до мережі постійного струму (DC)
- вимірювання між входом та виходом джерела живлення
- перевірка електробезпеки джерела живлення

Прилади та методики вимірювань, описані в цій статті, використовуються при роботі з джерелами вторинного електроживлення та перетворювачами всіх типів: AC/DC, DC/DC, DC/AC та AC/AC (скорочення AC означає Alternating Current, тобто змінний струм, а DC означає Direct Current, тобто постійний струм).

Лабораторний блок живлення на вході

Для роботи з прототипом джерела живлення, що розробляється, до його входу необхідно підключити лабораторний блок живлення достатньої потужності з можливістю регулювання напруги. Тип вихідної напруги (постійна або змінна) залежить від першого каскаду джерела живлення, що розробляється. Для перетворювачів DC/DC та DC/AC знадобиться блок живлення постійного струму, а для AC/DC та AC/AC змінного (однофазного або трифазного).

Лабораторний блок живлення на вході прототипу розв'язує наступні завдання: регулювання амплітуди напруги для перевірки прототипу у всьому робочому діапазоні, формування напруги різної форми (пульсації, провали, плавне наростання тощо) для перевірки стабільності роботи прототипу в реальних умовах, а також забезпечує захист прототипу від різних видів навантажень.

Як лабораторні блоки живлення постійного струму можна використовувати: для потужності до 600 Вт серію ITECH IT6900A для потужності до 3 кВт серію ITECH IT6700H для потужності до 1,152 МВт серію ITECH IT6000D/C/B.

Як лабораторні блоки живлення змінного струму можна використовувати: для потужності до 3 кВА серію ITECH IT-M7700 (1 фаза), для потужності до 54 кВА серію ITECH IT7600 (1 та 3 фази).

Електронне навантаження на виході

Для дослідження прототипу джерела живлення, що розробляється, в різних режимах роботи, до його виходу необхідно підключити програмоване електронне навантаження. Тип електронного навантаження (постійного або змінного струму) залежить від останнього каскаду джерела живлення, що розробляється. Для перетворювачів DC/DC та AC/DC знадобиться електронне навантаження постійного струму, а для DC/AC та AC/AC змінного (однофазного або трифазного).

Програмоване електронне навантаження на виході прототипу, що розробляється, вирішує наступні завдання: регулювання споживаної потужності для перевірки прототипу у всьому робочому діапазоні та формування динамічного навантаження (Імітація стартового струму, різкої зміни споживання, короткого замикання тощо) для перевірки стабільності роботи прототипу в реальних умовах. Електронне навантаження може поглинати енергію в наступних режимах: режим постійного опору, режим постійного струму споживання, режим постійної потужності споживання та режим стабілізації напруги.

Як електронні навантаження постійного струму можна використовувати: для потужності до 3 кВт серію ITECH IT8500+ для потужності до 45 кВт серію ITECH IT8900.

Як електронні навантаження змінного струму можна використовувати: для потужності до 43,2 кВА серію ITECH IT8600 (1 та 3 фази).

Розробка основного пристрою

Коли перший прототип джерела живлення спроектований та виготовлений, починається етап перевірки його характеристик у різних штатних та позаштатних режимах з подальшим доопрацюванням та оптимізацією. Для цього найчастіше використовують цифровий осцилограф з набором диференціальних та струмових пробників.

Деякі вимірювання, наприклад потужності та коефіцієнта потужності, можна виконати за допомогою звичайного двоканального осцилографа (наприклад Tektronix TBS2000B), використовуючи вбудовані математичні операції над сигналами Але для повноцінного дослідження необхідний хороший багатоканальний осцилограф з АЦП 12 біт (рівня Tektronix MSO4 або MSO5) та спеціальне програмне забезпечення, яке автоматично обчислює десятки характеристик, важливих для оптимізації джерела живлення.

Далі ми розповімо про основні види вимірювань, які проводяться при розробці та оптимізації прототипу джерела живлення, а також необхідні для цього прилади, опції та аксесуари.

Вимірювання в точці підключення до мережі змінного струму (AC)

Вимірювання, описані в цьому розділі, проводяться в точці підключення джерел живлення типів AC/DC і AC/AC до мережі змінного струму. Мета цих вимірів - переконатися, що вплив, що тестується джерело живлення на мережу, перебуває у заданих межах.

Крім того, обладнання та методики, представлені в цьому розділі, застосовуються для тестування джерел живлення типів DC/AC і AC/AC в точці їх підключення до навантаження змінного струму (AC), в яку вони віддають енергію.

Більшість джерел живлення вносять спотворення мережу живлення, до якої вони підключаються. Лінійні трансформаторні джерела живлення є індуктивним навантаженням і крім активної потужності також споживають реактивну. Імпульсні джерела живлення не тільки навантажують мережу нелінійним навантаженням, а ще й вносять до неї широкосмугові перешкоди. Навіть найякісніші імпульсні джерела живлення з активною корекцією коефіцієнта потужності все одно вносять спотворення, які необхідно контролювати.

Є кілька основних характеристик, які вимірюють у точці підключення джерела живлення до мережі змінного струму: частота, середньоквадратичні значення напруги та струму, активна, реактивна і повна потужності, коефіцієнт потужності, кут зсуву фаз і пік-фактори напруги та струму. Ці параметри нормуються різними стандартами, наприклад, IEC61000-3-2.

Для вимірювання можна використовувати осцилографи серії Tektronix MDO3 з програмною опцією 3-PWR, а також осцилографи серій MSO4, MSO5 і MSO6 з відповідними програмними опціями 4-PWR, 5-PWR та 6-PWR. Серії MSO4 та MSO5 є оптимальними, оскільки містять моделі на 6 та 8 каналів з АЦП 12 біт.

Наприклад, на цьому скріншоті восьмиканального осцилографа Tektronix MSO58 із встановленою опцією 5-PWR показані форми кривих та числові результати вимірювань усіх зазначених вище параметрів. У нижній частині екрана розташовується додатковий графік спожитої енергії мДж.

Перед проведенням вимірювань характеристик джерел живлення за допомогою осцилографа обов'язково необхідно: обнулити зміщення диференціальних пробників (AutoZero), розмагнітити струмові пробники з обнуленням їх зсувів (Degauss + AutoZero) та усунути затримку між сигналами напруги та сигналами струму (Deskew).

Для усунення затримки зазвичай використовують спеціальні пристрої (Deskew Pulse Generator і Deskew Fixture), наприклад показані на цій фотографії генератор TEK-DPG (отримує живлення від третього каналу осцилографа) та пристрій 067-1686-XX (зелена плата з двома струмовими петлями).

Ще один вид тестування в точці підключення до мережі змінного струму, пов'язаний з визначенням рівня гармонійних спотворень, які створює в мережі джерело живлення, що досліджується. При цьому вимірюють рівні окремих гармонік та загальний коефіцієнт гармонійних спотворень (THD). Ці вимірювання передбачені різними стандартами, серед яких IEC61000-3-2, AM 14, MIL-STD-1399 та інші.

Для вимірювання можна використовувати осцилографи серії Tektronix MDO3 з програмною опцією 3-PWR, а також осцилографи серій MSO4, MSO5 та MSO6 з відповідними програмними опціями 4-PWR, 5-PWR та 6-PWR. Для прикладу, на цьому скріншоті осцилографа Tektronix MSO58 із встановленою опцією 5-PWR у графічному та табличному вигляді показані характеристики ста гармонік. Зауважте, що осцилограф не тільки виміряв параметри кожної гармоніки, але й провів аналіз на відповідність допускам стандарту IEC61000-3-2. Результат тесту "Пройшов" (Status: Pass).

Ще одна група вимірювань, яка проводиться в точці підключення до мережі змінного струму, включає вимір максимального значення стартового струму (пускового струму) та пов'язаної з ним вхідний ємності досліджуваного джерела живлення. Ці параметри необхідно вимірювати, оскільки значення стартового струму може багаторазово перевищувати струм, споживаний джерелом живлення у нормальному режимі.

Для вимірювання можна використовувати осцилографи серій MSO4, MSO5 та MSO6 з відповідними програмними опціями 4-PWR, 5-PWR та 6-PWR. Як приклад, на цьому скріншоті осцилографа Tektronix MSO58 із встановленою опцією 5-PWR показані: на першому графіку (верхньому) сигнал вхідного струму, на другому графіку сигнал вхідної напруги, на третьому графіку межі зміни вхідного струму на кожному напівперіоді вхідної напруги та на четвертому графік межі зміни вхідної ємності на кожному напівперіоді вхідної напруги.

У правій частині скріншота відображаються основні числові результати цієї групи вимірювань: максимальний стартовий струм 2,46 А та максимальна вхідна ємність 28,51 нФ.

При дослідженні пристроїв перетворення електроенергії, що підключаються до трифазної мережі, В тому числі інверторних приводів електродвигунів, оптимально використовувати восьмиканальний осцилограф MSO58 з опцією 5-IMDA або MSO68B з опцією 6-IMDA. Ці моделі, оснащені опцією IMDA, здатні виконувати десятки типів вимірювань, специфічних трифазних систем. На фотографії нижче показано осцилограф MSO58 з результатами роботи опції IMDA.

Наочний приклад універсальності осцилографа при проведенні вимірювань у точці підключення до мережі змінного струму показано на цій фотографії. На ній зображено восьмиканальний осцилограф Tektronix MSO58 з набором пробників, що аналізує перехідні процеси при запуску трифазного електродвигуна.

Крім осцилографа, для вимірювань у точці підключення до мережі змінного струму можуть використовуватися багатофункціональні вимірювачі електричної потужності та енергії, наприклад ITECH IT9121 представлений на цій фотографії.

За допомогою такого приладу можна точно вимірювати: напруга, струм, активна потужність, реактивна потужність, повна потужність, коефіцієнт потужності, кут зсуву фаз, енергія, гармоніка (до 50-ти) та інші важливі параметри. При цьому вартість подібного приладу значно нижча за вартість осцилографа з набором необхідних пробників.

Вимірювання характеристик внутрішніх компонентів джерела живлення

Якщо джерело живлення є імпульсним, то він містить один або кілька силових транзисторів, що безперервно перемикаються. Частота перемикання зазвичай становить від десятків до сотень кГц. У процесі перемикання на цих транзисторах розсіюється потужність, яка може призвести до перегріву, крім того, вони піддаються перевантаженням через перехідні процеси в реактивних елементах, що може призвести до пробою.

Для підвищення загальної ефективності та надійності джерела живлення необхідно виконувати вимірювання таких параметрів: втрати перемикання (Втрати на комутацію) и область безпечної роботи (SOA - Safe Operating Area).

Оскільки напруга на транзисторі в стані "вимкнено" може в сотні та тисячі разів перевищувати напругу в стані "включено", то для точного вимірювання втрат перемикання необхідний осцилограф з АЦП 12 біт або більше. Стандартний осцилограф з АЦП 8 біт в більшості випадків не зможе коректно виміряти це співвідношення.

Для вимірювання напруги практично завжди використовується диференціальний пробник. У деяких випадках, коли навіть диференціальний пробник не може придушити синфазну перешкоду, рекомендується використовувати оптично ізольований пробник TIVM IsoVu.

Для вимірювання втрат перемикання найкраще підходять осцилографи з АЦП 12 біт серій MSO4, MSO5 та MSO6 з відповідними програмними опціями 4-PWR, 5-PWR та 6-PWR. Наприклад, на цьому скріншоті осцилографа Tektronix MSO58 з встановленою опцією 5-PWR показані: струм, що протікає через транзистор (найнижній графік), напруга на транзисторі (другий знизу графік) і втрати перемикання транзистора у Ваттах (третій знизу графік). Найвищий графік - це все виміряні осцилографом цикли включення-вимкнення транзистора.

У правій частині скріншота відображаються основні числові результати цієї групи вимірювань: втрати включення (Ton = 12,71 мВт), втрати вимкнення (Toff = 181,1 мВт) та загальні усереднені втрати (Total = 194,6 мВт).

Виробники силових транзисторів вказують на ці компоненти область безпечної роботи (SOA - Safe Operating Area), яка визначає максимальні безпечні струми, що протікають через транзистор, при різних значеннях напруги, що додається до нього. Критично важливо, щоб транзистор завжди працював у межах своєї безпечної області, незалежно від варіацій вхідної напруги, потужності навантаження чи температури.

Для вимірювання області безпечної роботи можна використовувати осцилограф серії Tektronix MDO3 з програмною опцією 3-PWR, а також осцилографи серій MSO4, MSO5 та MSO6 з відповідними програмними опціями 4-PWR, 5-PWR та 6-PWR. Серії MSO4 і MSO5 є оптимальними.

Для прикладу, на цьому скріншоті осцилографа Tektronix MSO58 із встановленою опцією 5-PWR показана область безпечної роботи досліджуваного транзистора (чорна частина зліва), область навантаження та можливого виходу з ладу (сіра частина праворуч та зверху) та жовто-червоний графік, що відображає вимірювані роботи цього транзистора. Видно, що транзистор працює із суттєвим навантаженням, оскільки значну частину циклу він знаходиться в забороненій сірій області.

У більшості джерел живлення є ланцюг зворотного зв'язку, за допомогою якого підтримується необхідне значення вихідної напруги. Аналіз стабільної та ефективної роботи цього ланцюга зворотного зв'язку здійснюють за допомогою графіків Боде (логарифмічної амплітудно-фазової частотної характеристики). Також за допомогою графіків Боде аналізують роботу вхідних та вихідних фільтрів.

Для побудови графіків Боде можна використовувати осцилографи серій MSO4, MSO5 і MSO6 з відповідними програмними опціями 4-PWR, 5-PWR та 6-PWR, плюс генератор (вбудований в осцилограф або окремий прилад серії AFG31000). Сигнал від генератора подається в потрібну точку джерела живлення через інжекційний трансформатор Picotest J21xxA. Приклад графіків Боде, побудованих за допомогою осцилографа Tektronix MSO58 з опцією 5-PWR, показаний на цьому скріншоті.

Практично всі імпульсні та лінійні джерела живлення містять індуктивні елементи: котушки індуктивності та трансформатори. Ці елементи роблять внесок у втрати енергії та зниження ККД, можуть входити в насичення, при цьому суттєво змінюючи свої характеристики, можуть бути джерелом електромагнітних перешкод тощо. Тому вимірювання параметрів індуктивних елементів є важливою складовою розробки ефективного та надійного джерела живлення.

Основними параметрами, що вимірюють, є: індуктивність, магнітні втрати і графіки BH. Вимірювання магнітних втрат може допомогти в оптимізації загального ККД джерела, а аналіз графіків BH дозволяє визначити наявність або відсутність насичення сердечника та інших важливих параметрів.

Для вимірювання параметрів індуктивних елементів найкраще підходять осцилографи серій MSO4, MSO5 та MSO6 з відповідними програмними опціями 4-PWR, 5-PWR та 6-PWR. Якщо досліджується трансформатор з трьома та більше обмотками, то для одночасного проведення всіх вимірювань необхідно використовувати шестиканальні або восьмиканальні осцилографи (по два канали на одну обмотку).

Наприклад, на цьому скріншоті осцилографа Tektronix MSO58 з встановленою опцією 5-PWR показано: результат вимірювання індуктивності (лівий верхній графік), залежність струму від інтеграла напруги (лівий нижній графік) та графік BH (центральний графік). У правій частині скріншота показані сигнали напруги (згори) та струму (знизу).

У правій частині відображаються основні числові результати цієї групи вимірювань: індуктивність (59,84 мкГн), магнітні втрати (91,94 мВт) та ряд інших параметрів.

Вимірювання в точці підключення до мережі постійного струму (DC)

Вимірювання, описані в цьому розділі, проводяться у точці підключення джерел живлення типів AC/DC та DC/DC до навантаження. Ціль цих вимірювань - переконатися, що досліджуване джерело забезпечує задані значення вихідної напруги, струму, пульсацій та інших характеристик при всіх можливих варіаціях вхідної напруги, потужності навантаження, температури та інших факторів, що впливають.

Крім того, обладнання та методики, представлені в цьому розділі, застосовуються для тестування джерел живлення типів DC/AC і DC/DC у точці їх підключення до джерела постійного струму (DC), що живить їх енергією.

Основною вимірюваною характеристикою є рівень пульсацій постійної напруги (Ripple). Також для джерел типів AC/DC та DC/DC вимірюють залежність постійної напруги на їхньому виході від струму навантаження.

Для вимірювання можна використовувати осцилографи серії Tektronix MDO3 з програмною опцією 3-PWR, а також осцилографи серій MSO4, MSO5 і MSO6 з відповідними програмними опціями 4-PWR, 5-PWR та 6-PWR. Для роботи з багатоканальними джерелами живлення оптимальними є серії MSO4 та MSO5, оскільки в них є моделі на 6 та 8 каналів з АЦП 12 біт.

Наприклад, на цьому скріншоті осцилографа Tektronix MDO34 з встановленою опцією 3-PWR показано напругу на виході джерела живлення, яке містить високочастотні пульсації (Ripple) з періодом повторення близько 200 кГц. Ці пульсації викликані перемикання силового транзистора всередині джерела живлення. У верхній частині екрану розташовується таблиця з результатами вимірювань: постійна напруга 4,888, пульсації 24 мВ.

Якщо крім пульсацій самого джерела живлення, частота яких зазвичай не перевищує 1 МГц, необхідно виміряти пульсації з частотами десятки і сотні МГц, спричинені швидкими перемиканнями струму навантаження (мікропроцесорами, швидкісною логікою), необхідно використовувати старші серії осцилографів (MSO5 або MSO6) пробники (TPR1000/TPR4000 зі смугою 1 ГГц/4 ГГц). Для розширених можливостей аналізу пульсацій, наприклад, їх впливу на джиттер цифрових сигналів синхронізації, рекомендуються програмні Опції 5-DPM або 6-ДПМ.

Вимірювання між входом та виходом джерела живлення

Це заключна група вимірювань, за допомогою яких визначають залежності між сигналами на вході джерела живлення та сигналами його виходу. Основні виміри цієї групи: коефіцієнт корисної дії (ККД або Efficiency), час включення і час вимкнення.

Усереднений ККД можна вимірювати різними способами, наприклад використовуючи дані вбудованих мультиметрів лабораторного блоку живлення на вході джерела живлення, що досліджується, і електронного навантаження на його виході. Але універсальне рішення, за допомогою якого можна вимірювати динамічні зміни ККД та внесок у ККД окремих каналів багатоканальних джерел, грунтується на осцилографі.

Для вимірювання ККД можна використовувати осцилографи серій MSO4, MSO5 і MSO6 з відповідними програмними опціями 4-PWR, 5-PWR та 6-PWR. Скриншот вікна конфігурації осцилографа Tektronix MSO58 перед початком вимірювань ККД показаний на цьому малюнку. Зверніть увагу, що можна вільно вибирати тип входу (AC або DC), кількість виходів та тип кожного виходу (AC або DC).

На цьому скріншоті осцилографа Tektronix MSO58 показані графіки потужності на вході джерела живлення, що досліджується, і на кожному з трьох його виходів. У правій частині екрана у числовому вигляді виводяться загальні результати: ККД (Efficiency) дорівнює 98,83%.

Для більшості типів джерел живлення важливими характеристиками є час увімкнення та час вимикання. Крім того, для джерел з кількома виходами необхідно вимірювати синхронність встановлення напруг і затримки, що виникають при цьому.

Для автоматичного вимірювання часу включення та вимикання можна використовувати осцилографи серій MSO4, MSO5 та MSO6 з відповідними програмними опціями 4-PWR, 5-PWR та 6-PWR. При використанні восьмиканальної моделі осцилографа навіть можна дослідити джерело живлення з одним входом та сімома виходами. Приклад вимірювання показано на цьому скріншоті осцилографа Tektronix MSO58.

Перевірка електробезпеки джерела живлення

На завершальній стадії розробки джерела живлення проводять комплекс тестів електробезпеки. Залежно від призначення та конструкції розробленого пристрою можуть проводитися: випробування електричної міцності ізоляції, вимірювання опору ізоляції, вимірювання опору низькоомних ланцюгів, вимірювання струму витоку, перевірка вбудованого пристрою захисту від імпульсних перешкод та інші.

Для проведення цих випробувань необхідний комплект відповідного обладнання: пробійне встановлення, гігаомметр, міліомметр, генератор високовольтних імпульсів і т. д. Це обладнання випускається у вигляді окремих приладів або багатофункціональних вимірювальних установок.

В якості окремих приладів можна використовувати: пробійне встановлення до 5 кВ Sourcetronic ST9201, Вимірювач опору ізоляції до 10 ТОм Sourcetronic ST2683A, міліомметр від 1 мкОм Sourcetronic ST2516 та генератор високовольтних імпульсів до 10 кВ Sourcetronic ST2883-10.

В якості багатофункціональної установки рекомендується модульна вимірювальна система Sourcetronic ST400, До складу якої може входити до восьми різних модулів, здатних забезпечити весь набір тестів з електробезпеки. Зовнішній вигляд системи ST400 показано на цій фотографії.

Додаткова інформація на цю тему

Ми спеціально не перевантажували цю статтю технічними деталями тестування окремих компонентів джерел живлення. Для більш повного вивчення існуючих методик вимірювань та застосовуваних у даній галузі приладів рекомендуємо ознайомитись з цією інформацією:

Опис опції автоматизації вимірювань Tektronix 3-PWR (англійською) (6 стор.; 1 МБ)

Опис опцій автоматизації вимірювань Tektronix 4-PWR, 5-PWR та 6-PWR (англійською) (24 стор.; 5 МБ)

Опис опції автоматизації вимірювань Tektronix 5-IMDA (англійською) (17 стор.; 4 МБ)

Посібник із тестування імпульсних джерел електроживлення (англійською) (14 стор.; 4 МБ)

Посібник із тестування систем електроживлення автомобілів (англійською) (20 стор.; 7 МБ)

Підручник за основними принципами вимірювань за допомогою осцилографів (російською) (60 стор.; 2 МБ)

Як вибрати цифровий осцилограф - докладний посібник

Як вибрати лабораторний блок живлення - докладний посібник

Що таке електронне навантаження - загальна інформація

Якщо Вам потрібна технічна консультація щодо вибору оптимального комплекту обладнання для розробки та виробництва Вашого джерела живлення або перетворювача електроенергії, просто зателефонуйте нам або напишіть нам по Електронна пошта і ми з радістю відповімо на Ваші запитання.