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一不小心“造”了个20千瓦的噪音发生器!

2024-02-04 07:49:39 DANIEL DUFRESNE 阅读:
为了获取他们所需的数据,他们不能改变电源频率:这将需求太多的功率,并干扰正常设备的运行。他们也不能在标称的60Hz正弦波上添加测试正弦波,因为这也需要非常高的功率,并会造成损坏或干扰正常的客户安装。

 20 世纪 90 年代中期,我在一家设计和制造定制测量系统和高功率电子产品的公司担任设计工程师。我们的产品范围从用于高压输电线路的光纤电流传感器的 DSP 模块到军用飞机的地面电源装置。nXvednc

当地的电力公用事业部门设立了一个研究计划,旨在获取其配电网络的更好的负载阻抗数据。他们联系了我们公司,并解释了他们对特殊测试发生器的需求。nXvednc

他们已经有了详细的60 Hz阻抗值,但他们需要的是宽带信息。测量必须在线进行,即带有电源。如果没有电源,继电器和接触器会脱落,负载会断开,使测量几乎无效。此外,许多负载都是非线性的:消耗的电流与施加的电压并非线性相关,因此在测试期间必须存在工作电压才能获得有意义的数据。他们想要分析的配电线是三相14.4kV至中性线的60Hz线路。nXvednc

为了获取他们所需的数据,他们不能改变电源频率:这将需求太多的功率,并干扰正常设备的运行。他们也不能在标称的60Hz正弦波上添加测试正弦波,因为这也需要非常高的功率,并会造成损坏或干扰正常的客户安装。nXvednc

相反,他们选择了电声学中使用的一种技术:最大长度序列(MLS),也称为伪随机序列。该技术使用多个触发器和几个异或门来生成一系列比特。此测试序列被应用到电路上,并同时测量电流和电压。通过适当的数据处理,可以找到广泛频率范围内的阻抗。比特序列也可以使用软件来生成。nXvednc

由于该方法生成的比特数量是使用固定电路可以生成的最大长度,因此被称为“最大长度”(MLS中的ML)。一旦所有比特生成完毕,序列会完全重复。在这种情况下,与其将序列用作测试信号电压,不如根据比特值将其用来打开和关闭已知的负载电阻。nXvednc

MLS的细节如下所示:nXvednc

在时间域内,比特序列表现出伪随机的特性。如果针对比特数少于其最大数量((2**n)-1)个比特的系列进行分析,它会呈现出随机性,其中n是触发器的数量。它是伪随机的,因为在生成最大数量的比特后,序列会完全重复,且并非会生成所有比特的组合。真正的随机性不会重复。nXvednc

该电路使用时钟来触发触发器。它的周期为t秒。所生成的最低频率为fmin = 1 / t((2**n)-1),这是重复周期的倒数。nXvednc

在频域内,对于大于fmin的分析带宽,频谱类似于白噪音:每个带宽相等的频率具有相等的能量。频谱由一系列正弦波组成,全部是fmin的整数倍的谐波。nXvednc

使用一个异或门和3个时钟频率为7 kHz的触发器构建的伪随机发生器电路生成一个重复的七比特序列。它的重复周期为1毫秒。在8种可能的三个连续比特组合中,仅有一种组合未出现在该序列中。此序列中在从1 kHz到6 kHz的六个离散频率处有能量存在,在7 kHz处第一个零点。所有这些频率均具有显著的能量内容。nXvednc

时钟频率的准确倍数,7 kHz、14 kHz、21 kHz等等,都具有零幅度。这是由于功率谱的((sine x)/x)**2因子所引起的。在时钟频率以上的频率上存在能量,但幅度较低,由该函数所确定。nXvednc

一个类似的电路,具有相同的时钟频率,再增加一个触发器,其15比特的序列每2.14毫秒重复一次,并生成从467赫兹到6.53千赫兹的14个离散频率,每个频率的幅度比前一种情况低约3.7 dB。对于固定的比特电压,谐波的幅度与所产生的离散频率的数量成正比。在这种情况下,零点之间的频率的数量从6增加到14,因此幅度按照相同的10(log(6/14))或3.7 dB的量进行降低。nXvednc

对于给定的输出功率或电压以及给定的时钟频率,频率分辨率越高,则每个频率可用的功率就越低。nXvednc

通过将伪随机比特序列作为输入刺激,可以提取系统的冲激响应,并从中计算系统的频率响应。通过使用根据最大长度序列二进制比特序列值开关的已知负载,可以计算网络的阻抗。nXvednc

由于计算只需要一个序列,因此无需重复信号,且最大限度减少了与正常服务的干扰持续时间。如果需要,可以重复测试以改善测量信噪比。nXvednc

在这个项目中,电力公用事业部门将提供主要的计算机和处理软件,以及电压和电流变压器,而我们将提供可切换的电阻负载系统。测试负载将通过变压器以600V的电压进行操作。nXvednc

他们估计,20千瓦的负载将使他们能够获得相当准确的数据。在满负载时,线路电流在600V时额定为11.1安培。nXvednc

测试系统需要易于运输。大部分设备将放置在电力公用事业的卡车内。三台测试变压器(一台用于电源,一台用于电压和电流测量)将安装在 600 V 线路上。然后将连接测试电阻。nXvednc

由于电阻的大小和散热问题,我们决定将其安装在两轮手推车上。这将使测试电阻更容易移动。一个盒子将容纳电阻器、风扇、电源和控制电路以及电子器件的电源。nXvednc

电子器件包括六个IGBT模块、六个隔离的门极驱动器和一些控制电路,以及监控和接口电路。IGBT将根据序列比特值将负载电阻连接到电源线。门极驱动器具有欠电压、过电压和过电流故障检测。每个门极驱动器都有两个光耦隔离器:一个用于开关控制输入,另一个用于状态(正常或故障)输出。与测试卡车之间的数据连接是通过光纤进行的。为了给电子器件和风扇电机供电,从公用事业卡车的120V交流电源插座中取得120V电压。nXvednc

在最初测试期间,我被要求协助调试测试电阻。调试是在办公时间之后进行的,以免打扰其他租户的电器设备。nXvednc

设计工程师Tony,使用直流电源对电子器件和电阻进行了低功率测试。当我与他会面时,他刚刚将示波器的电源插头连接到隔离变压器上,因为我们最新的四路200 MHz数字示波器在测试期间不断重启。从隔离的输出端为示波器供电解决了重启问题。出于安全性的考虑,示波器的机壳仍连接到安全接地。nXvednc

他正在进行一项低功率三相测试,向电阻器施加 120 V 电压而不是 600 V。这会将功率降低至约 800 W。几秒钟后,出现一些气味。我们切断电源并进行调查。我们都得出结论,我们闻到的是功率电阻上积聚的灰尘和油的气味,我们可以安全地继续测试。nXvednc

一分钟后出现了另一种气味。同样,我们切断了电源。这次是用于保护电子设备的120V电源的金属氧化物压敏电阻。它已经因过热而烧坏了。我们决定将其拆除,并使用示波器所用的同一隔离变压器为负载电阻器供电。发送到建筑电系统的800瓦测试信号返回到墙上的插座并使压敏电阻超载。也许我们应该为这个测试购买一个不间断电源。nXvednc

我们再次通电。不久后,由于驱动器故障,系统停止运行。IGBT驱动IC检测到各种故障,并且所有故障都报告到单个输出引脚。这六个驱动故障线通过六个独立的光耦隔离器发送。所有六个光隔离器输出都连接到一个微控制器输入引脚上。我们无法识别特定的IGBT。nXvednc

Tony告诉我,他已经测试了驱动器的电源,它们安全地处于电压限制范围内,它们可以驱动打开 IGBT 所需的电流,并且电源负载组件中没有短路。nXvednc

我们继续进行测试,出现了更多的故障,所有的故障和之前一样。这些故障需要几秒钟到一分钟左右才会出现。这是该装置运行的最长时间。在这之前,我们不得不因其他问题而关闭了它。nXvednc

我要求托尼向我展示PCB布图。他说他可以做得更好,并给了我一块未组装的电路板。我查看了电路板布局,一切都很好。我寻找低压电子元件和IGBT驱动器处的光电隔离器所在的间隙,但我找不到。应该很容易发现12个光电隔离器。最后,我发现了它。我之前错过了,因为在被隔离区域之间有一条迹!一条很长的迹设置在所有光电隔离器的被隔离区域之间。我问托尼那条迹传送的信号是什么:他说这是来自驱动器的故障信号。nXvednc

我告诉他,我认为是电容耦合导致了虚假的故障信号。我告诉他,我们应该完全切断来自6个故障引脚的迹,并用远离电源部分的导线暂时替换。我们这样做并再次进行测试。该单元运行了20分钟而不出现故障。这证实了:在两个隔离电路之间的迹捕获了来自高压侧的杂散电流,当其足够大时,它被检测为故障。切断迹并用临时导线替换丢失的连接,有效地防止了不必要的瞬态信号导致虚假故障检测。nXvednc

我告诉托尼永久地移除铜迹,以使PCB能够在不会从高压侧到迹和从违规迹到低压电路进行放电的情况下承受全电压。nXvednc

第二天,我问负责PCB设计的初级工程师为什么要利用空余的空间放置那条迹。他说他还有一条迹要布线,看到了空余的空间就用了。我告诉他关于PCB设计中光电隔离器隔离、间隙和爬逻距离的要求,以确保他不会再犯这个错误。nXvednc

该装置后来交付给了客户,他们用它完成了项目,并没有出现问题。nXvednc

得到的教训包括:nXvednc

  • 确保PCB设计人员了解PCB的所有要求,并了解与PCB相关的隔离、间隙和爬电距离(IEC或UL 60950-1, 第2.10节)。 
  • 不仅审查原理图,还要进行严格的PCB审查,并使用一份检查项目清单,并保持清单是最新状态,这里的清单是一个很好的起点[5]。
  • 将PCB视为电路元件。
  • 在开始时制定测试计划,并定期进行审查,这将让您及早购买测试设备、设计测试过程和设置。
  • 了解过热电子零件的气味。
  • 清楚地全面地了解项目及其对电工环境的影响,显然,我们的测试电阻器是一个20kW的宽带电噪声发生器!

Daniel Dufresne 是一位退休工程师,设计过数字集成电路、有源扬声器、负电阻器和大功率电子转换器。他还是 Cegep de Saint-Laurent 的教授。他在蒙特利尔理工学院获得了学士学位。他住在加拿大蒙特利尔,仍然从事电子项目和维修电子测试设备。

参考

维基百科上有关最大长度序列的文章。https://en.wikipedia.org/wiki/Maximum_length_sequence [页面检索日期:2024 年 1 月 15 日]。nXvednc

杰西·麦克威廉姆斯和尼尔·JA·斯隆。伪随机序列和数组。 IEEE 会议录,卷。 64,第 12 期,1976 年 12 月。第 1715-1729 页。它详细介绍了伪随机序列和数组的数学方面。nXvednc

Hewlett-Packard Journal,1967 年 9 月,第 19 卷,第 1 期。提供有关伪二进制序列光谱的详细信息。http://hparchive.com/Journals/HPJ-1967-09.pdf [页面检索日期:2024-10-18]nXvednc

关于爬电距离和间隙的简短视频:什么是爬电距离和间隙? (在线)https://training.ti.com/ti- precision-labs-isolation-what-are-creepage-and-clearance?cu=1135015 [页面检索于 2024 年 10 月 15 日]。nXvednc

华莱士、汉克.电子设计清单,(在线)http://www.jldsystems.com/pdf/Electronics%20Design%20Checklist.pdf [页面检索于 2024 年 10 月 15 日]。应添加有关隔离、光隔离器间隙以及走线尺寸和电流额定值的项目,请参阅 IPC-2221 和 IPC-2152。nXvednc

原文发表于ASPENCORE旗下EDN美国版,参考链接:That thing is a 20 kW noise generator!;Demi Xia编译nXvednc

责编:Demi
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