Мобильный аппаратно-программный комплекс для исследования генерируемых электрооборудованием ЭМ-полей в широком диапазоне частот

МОБИЛЬНЫЙ АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕНЕРИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕМ ЭМ ПОЛЕЙ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ

В.Ю. БЕЛАШОВ, А. А. ПЛЕХАНОВ Казанский государственный энергетический университет

Приведено краткое описание, рассмотрены функциональные возможности и даны основные технические характеристики разработанного авторами мобильного экспериментального комплекса для исследования в диапазоне частот 10 кГц - 2600 МГц электромагнитных полей, генерируемых электрооборудованием и элементами электроэнергетических систем, в контексте проблемы электромагнитной совместимости.

Изучение структуры, пространственно-временных и спектральных характеристик ЭМ полей и помех, генерируемых электрооборудованием и отдельными элементами электроэнергетических систем (ЭЭС), такими, например, как линии электропередачи (кабельные, воздушные и др.), коммутационные устройства и токоограничители, приемники и преобразователи электрической энергии низкого и высокого напряжения (электрические двигатели, генераторы, трансформаторы и т.д.), важно как при решении вопросов оптимального, с точки зрения электромагнитной совместимости (ЭМС) и помехозащищенности, проектирования электротехнических устройств, ЭЭС и их отдельных структур, обеспечения устойчивости функционирования систем и их отдельных элементов, предупреждения аварий, связанных с выходом из строя или аномальным режимом работы электрооборудования, так и в плане изучения воздействия ЭМ полей на биологические объекты, а следовательно, проблемы безопасности жизнедеятельности в ЭЭС (например, при определении и уточнении границ санитарных зон по ЭМ полю) [1].

Считается, что ЭМ обстановка на энергетических и промышленных предприятиях является очень жесткой. Однако нужно понимать, что уровни помех даже на однотипных предприятиях могут быть совершенно разными. Поэтому оценка ЭМ обстановки на любом конкретном предприятии требует индивидуального подхода. Обычно ситуация тем хуже, чем выше энерговооруженность предприятия.

Существуют аналитические и численные методы расчета ЭМ полей (см., например, [2-4]), но все они нуждаются в экспериментальном подтверждении. Целью настоящей разработки является создание экспериментального комплекса для изучения в широком диапазоне частот уровня, пространственно-временных и спектральных характеристик ЭМ излучений и помех и ЭМС электрооборудования и элементов ЭЭС, в частности, непосредственно на и вблизи объектов ЭЭС. Последнее, в частности, выдвигает требования к комплексу в отношении его портативности и мобильности. В настоящей работе приводится краткое описание и основные технические характеристики созданного на кафедре ЭХП КГЭУ экспериментального комплекса, решающего сформулированные выше задачи.

Экспериментальный комплекс предназначен для автоматизированной регистрации в широком диапазоне частот электрической и магнитной составляющей ЭМ поля с компьютерной обработкой и анализом информации по

© В.Ю. Белашов, А.А. Плеханов Проблемы энергетики, 2007, № 5-6

полю в реальном времени, а также графической визуализацией результатов эксперимента.

эл. антенны

Рис. 1. Структурная схема экспериментального комплекса

В состав экспериментального комплекса входят:

электрическая и магнитная антенны;

широкополосный приемник типа АК5000А (ІС-К8500) (технические характеристики приведены в табл. 1);

многоканальный быстродействующий модуль Е14-440 с АЦП типа Е-440;

пакеты корреляционной и спектральной обработки информации, а также пакет графической визуализации результатов регистрации и анализа, работающие под управлением программного супервизора - диалогового мультиоконного программного модуля.

Таблица 1

Технические характеристики приемника АК5000А

Параметр Значение

Диапазон частот 10 кГц-2600 МГц

Настройка Шаг настройки 1 Гц - 999,999 кГц

Режимы АМ, ГМ ШВ, Ь8В и CW

Промежуточные частоты 1-я 622,0 МГц 2-я 10,7 МГц 3-я 455 МГц

Стандартные фильтры 3 кГц, 6 кГц, 15 кГц, 30 кГц, 110 кГц, 220 кГц

Выход промежуточной частоты 107,0 МГц с шириной полосы +/- 5 МГц

Внешняя опорная частота Вход 10 МГц

Входы антенн 50 Ом, несбалансированный, типа N и 80239

Выход звукового сигнала (13,5 В) 1,7 Вт 8 Ом при искаж. 10%

Процессор 8 бит ПЗУ 32,768 байт; ОЗУ 1,024 байт

Приемник АИ5000А имеет достаточно широкий диапазон частот 10 кГц-2600 МГц (минимальная частота 5 кГц) с режимами АМ, РМ,и8Б,Ь8Б и CW, что позволяет исследовать и контролировать ЭМ поля, генерируемые электрооборудованием и различными его элементами, включая как спектр высших гармоник излучаемых системами низких частот (в частности, полей промышленной частоты), так и высокочастотные поля, генерируемые, например, при разрыве контактов при срабатывании высоковольтных электрических аппаратов, а также поля других высокочастотных источников.

Отметим, что сигнал с приемника снимается по двум каналам: с низкочастотного аналогового выхода и, через специальный демодулятор, с выхода одного из каналов промежуточной частоты.

Режим работы приемника (программа эксперимента) формируется исследователем с клавиатуры компьютера (ноутбука) интерактивно в диалоговой мультиоконной программной оболочке - программном супервизоре комплекса.

Модуль E14-440 является малогабаритным многофункциональным измерительным модулем, подсоединяемым к компьютеру через USB-интерфейс, и предназначен для построения многоканальных измерительных систем сбора аналоговых данных, а также цифрового управления и контроля состояния внешнего устройства - приемника. Базовые функции E14-440 определяются его функциональными возможностями. Так, многоканальный 14-разрядный АЦП модуля E14-440 позволяет работать с 16 дифференциальными или 32 каналами с общей землей. Каждый из аналоговых каналов подключается к АЦП через программно управляемый аттенюатор, позволяющий задавать один из четырех диапазонов измерения напряжения. E14-440 обеспечивает непрерывный сбор аналоговых данных на частотах дискретизации АЦП от 0.122 до 100.0 кГц. Наличие специального входа-выхода синхронизации позволяет, в принципе, соединить несколько E14-440 по этим линиям по схеме «один ведущий и один или несколько ведомых», позволяя аппаратно засинхронизировать моменты старта АЦП в нескольких модулях E14-440 (в нашем экспериментальном комплексе, однако, используется один модуль, что признано, в соответствии с задачами планируемых экспериментов - до 8 одновременно используемых дифференциальных каналов сбора информации - достаточным). Независимо от этого чисто аппаратного способа синхронизации, в E14-440 имеется отдельный вход программного прерывания контроллера.

В модуле Е14-440 предусмотрен также цифровой ввод-вывод, который представлен 16 входными и 16 выходными цифровыми ТТЛ-совместимыми линиями. Цифровые выводы по желанию пользователя могут быть переведены в третье состояние.

Малые габариты модуля и использование широко распространенного интерфейса USB делают E14-440 удобным для организации полевых измерений, требующих высокую степень мобильности.

На рис. 2 представлена функциональная схема модуля Е14-440, содержащая:

микроконтроллер AVR AtMega8515, этот контроллер осуществляет внутреннее управление E14-440;

USB-device PDIUSB12D - низкоуровневый контроллер USB - управляется от АVR;

коммутатор, предназначенный для аналоговой коммутации сигналов с аналоговых входов (находящихся на разъеме ANALOGI/O) на вход усилителя под управлением AVR;

усилитель, имеющий 4 градации коэффициента усиления, управляется от

АVR;

АЦП LTC1416 - 14-битное АЦП последовательного приближения с широкими возможностями программной настройки режима старта АЦП: с использованием входа прерывания (на разъеме ANALOG I/O) или входа-выхода синхронизации (на разъеме DIGITAL I/O);

буфер АЦП, хранящий один 14-битный отсчет АЦП в формате 8+8 бит с расширенным знаком дополнительного кода;

OЗУ 32МВ, используемое AVR для буферизации данных АЦП;

двухканальный ЦАП (опция), записываемый от интерфейса SPI AVR; ЦАП имеет выходы на разъеме ANALOG I/O;

регистр цифровых входов, параллельно стробирующий 16 линий данных с цифровых входов (на разъеме DIGITAL I/O) и последовательно вдвигающий данные в АУИ по интерфейсу SPI;

пару байтовых регистров цифровых выходов, позволяющих управлять 16 выходными цифровыми линиями (на разъеме DIGITAL I/O); важно отметить, что строгая синхронность переключения выходных сигналов будет соблюдаться только в пределах каждого из байтов — другими словами, контроллер записывает сначала младший байт, потом старший;

преобразователь напряжения ±15У — внутренний источник питания входных аналоговых узлов E14-440 (на функциональной схеме не показан); источник имеет плавный старт при включении, защиту по току и может быть отключен в режиме низкого энергопотребления; выходы питания присутствуют на разъеме DIGITAL I/O.

USB

Вход

пребывания

вход-выход

синхронизации |

Аналоговые

входы

Выход 1 *• ЦАП Выход 2 ЦАП

Цифровые входы

Цифровые

входы

Цифровые

входы

N

* Л'обозначает количество линий данных

-----Связи управления

Рис. 1. Функциональная схема модуля Е14-440

Режимы работы аналогового тракта, диапазоны измерения АЦП, количество опрашиваемых каналов и последовательность их опроса, тип и источник синхронизации, источник тактовых импульсов АЦП, а так же частота дискретизации являются программно-конфигурируемыми [5] и определяются программой эксперимента (формируются исследователем в диалоговом режиме).

Программную поддержку модуля Е14-440 осуществляет подключаемый программой-супервизором программный продукт L-GRAPH, компании ЗАО ”Л-Кард”. Фактически утилита L-GRAPH представляет собой многоканальный осциллоскоп-спектроскоп-регистратор-визуализатор с достаточно простым,

интуитивно-понятным интерфейсом. Данная утилита работает с модулем E14-440 как в 16-канальном дифференциальном, так и в 32-канальном с общей землёй режиме подключения входных сигналов. Она позволяет, в частности, осуществлять непрерывную регистрацию аналоговой информации в реальном масштабе времени.

Наряду с продуктом L-GRAPH программная часть комплекса включает пакеты комплексной корреляционной и спектральной обработки сигналов для решения прикладных задач изучения уровня, пространственно-временных и спектральных характеристик ЭМ полей и контроля ЭМС электрооборудования и элементов ЭЭС.

В качестве иллюстрации работы комплекса на рис. 3 показаны полученные в режиме его тестирования осциллограмма и спектрограмма (амплитудный спектр) сигнала частотой 20 кГц с зарегистрированными помехами в виде высших гармоник.

30.00-

10.00- 5.00- 0.00- -5.00- 10.00- f I J ІЛ m J f If if- II/ If ft* я і If J LJf »1«! |l w w fii

00 DO 0.1 Ю 0.2 00 0.3 00 0.4 00 0.E Ok 00 0.E 0 1 00 0. 700 0. 00 0. 900 1.000

3.49 3.20 3.00 2.80 2.60 2.40 2.20 2.00 1 1.80 > 1.60 1.40 1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00

L. I . . 1. .

0.00 200 0.00 400 0.00 600 0.00 800C 0.00 1000 Cn 00.00 1200 00.00 1400 00.00 1600 0.00 1800 0.00 20000

Рис. 3. Сигнал частотой 20 кГц с помехами в виде высших гармоник и его амплитудный спектр

Summary

The brief description, functionalities and the basic characteristics of the developed by authors mobile experimental complex for study of the electromagnetic fields generated by the electric equipment and elements of electric power systems in a frequency range 10 кГц -2600 MHz, in a context of a problem of electromagnetic compatibility, are given.

Литература

1. Белашов В.Ю. Электромагнитные поля и помехи в ЭЭС промышленных предприятий // Российский нац. симп. по энергетике РНСЭ-3. — Казань: КГЭУ, 2001. — Т. 2. — С. 28-41.

2. Белашов В.Ю., Денисова А.Р. Воздействие внешнего электромагнитного поля на кабельные линии // Изв. вузов. Проблемы энергетики.

- 2003. — № 11-12. — С. 107-117.

3. Белашов В.Ю., Чураев Р.Р. Оценка уровня коммутационных полевых помех, возбуждаемых токоограничителем // Известия вузов. Проблемы энергетики.

- 2004. — № 1-2. — С. 59-70.

4. Белашов В.Ю., Чураев Р.Р. Математическое моделирование переменного ЭМ поля, возбуждаемого в контактных системах электрических аппаратов // Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2004. — № 11-12. — С. 41-49.

5. Кодоркин А.В. Е14-440. Руководство программиста. — М.: L-Card, 2003. — 80 с.

Поступила 26.03.2007