بحث حول تطبيق جهاز محاكاة الموجة الحلقية في اختبار مناعة التوافق الكهرومغناطيسي للمعدات الكهربائية والإلكترونية

الملخص
في شبكات الطاقة الصناعية وأنظمة إمداد الطاقة المدنية، تتولد تداخلات الموجات الحلقية المتذبذبة المخمدة نتيجةً لعمليات تبديل مفاتيح الجهد العالي، والتذبذبات العابرة للمحولات، وأعطال الطاقة، وتبديل الأحمال الحثية. تنتقل هذه الاضطرابات العابرة إلى المعدات الكهربائية والإلكترونية عبر خطوط الطاقة وخطوط الإشارة، مما قد يؤدي بسهولة إلى تعطل المعدات، أو سوء تشغيلها، أو حتى تلفها. وباعتبارها أداة اختبار رئيسية للتوافق الكهرومغناطيسي، فإن محاكي الموجة الحلقية يُمكن لمولد الموجات الحلقية (EUT) محاكاة تداخل الموجات الحلقية الواقعي في ظروف المختبر. ويُجري اختبارات المناعة وفقًا لمعايير GB/T 17626.12-2023 وIEC 61000-4-12 وغيرها من المعايير لتقييم قدرة الجهاز قيد الاختبار (EUT) على مقاومة هذا التداخل، وتحديد نقاط الضعف في العزل وعيوب مقاومة التداخل في الدوائر الكهربائية في الوقت المناسب، وضمان التشغيل المستقر للجهاز في بيئات الطاقة المعقدة. LISUN باستخدام جهاز محاكاة الموجات الحلقية من سلسلة RWG61000-12 كموضوع بحث، تصف هذه الورقة آلية توليد تداخل الموجات الحلقية، والوظائف الأساسية لجهاز المحاكاة، والمعلمات التقنية الرئيسية، وسيناريوهات التطبيق الهندسي متعددة الصناعات، وذلك لتوفير مراجع لاختبار التوافق الكهرومغناطيسي العملي لمقاومة الموجات الحلقية.

المقدمة

تُستخدم المعدات الكهربائية والإلكترونية الحديثة على نطاق واسع في التحكم الصناعي، ومحطات شحن الطاقة المتجددة، والأجهزة الطبية، والأجهزة المنزلية، وعدادات الطاقة، وغيرها من المجالات. وتتعرض بيئات إمداد الطاقة الخاصة بها لاضطرابات كهرومغناطيسية عابرة متنوعة. تُعد الموجة الحلقية نبضة عابرة متذبذبة غير متكررة ومخمدة، وهي شائعة في شبكات إمداد الطاقة ذات الجهد المنخفض للتيار المتردد. عند تشغيل مفاتيح الجهد العالي، يحدث تذبذب عابر في ملفات المحولات، وعند بدء تشغيل وإيقاف المحركات الكبيرة، أو عند حدوث أعطال قصر الدائرة في أنظمة الطاقة، يتم تحفيز انعكاس الموجة المتنقلة بسبب عدم تطابق معاوقة الخط، مما يُولد نبضات متذبذبة حادة الارتفاع وعالية السعة ومتناقصة تدريجيًا بتردد 100 كيلوهرتز، وهو ما يُعرف بتداخل الموجة الحلقية.

يتسلل هذا التداخل إلى المعدات عبر كابلات الطاقة والإشارة، ويؤثر على دوائر الطاقة وواجهات الإشارة. تعمل العديد من الأجهزة بشكل طبيعي في ظل ظروف إمداد الطاقة المثالية في المختبر، إلا أنها غالبًا ما تعاني من خلل في التحكم، وانقطاعات في الاتصال، واضطرابات وظيفية بعد توصيلها بشبكات الطاقة في المواقع. يعود سبب عدد كبير من هذه الأعطال إلى اضطراب الموجات الحلقية. لتجنب مخاطر تعطل المعدات الناتجة عن البيئات الكهرومغناطيسية في المواقع، يُشترط على المنتجات اجتياز اختبارات مناعة الموجات الحلقية المعيارية خلال مراحل البحث والتطوير والموافقة على النوع. يُعد جهاز محاكاة الموجات الحلقية بمثابة الجهاز الأساسي لهذه الاختبارات. فهو قادر على إعادة إنتاج أشكال الموجات الحلقية المعيارية في المختبرات بغض النظر عن ظروف المجال المعقدة، وإجراء تقييم مناعة قابل للتكرار والمقارنة للكشف عن مخاطر التصميم الخفية للمنتجات مسبقًا، مما يجعله جهاز اختبار لا غنى عنه للتحقق من التوافق الكهرومغناطيسي.

1. مبدأ العمل والوظائف الأساسية لمحاكي الموجة الحلقية

يتكون جهاز محاكاة الموجة الحلقية، المعروف أيضًا باسم مولد الموجة الحلقية، بشكل أساسي من وحدة تخزين طاقة عالية الجهد، وشبكة تشكيل النبضات، ووحدة تضخيم الطاقة، وشبكة الربط والفصل (CDN)، ونظام تحكم تفاعلي بين الإنسان والآلة. يتم توليد أشكال موجية تذبذبية مخمدة قياسية بواسطة دوائر تذبذب LC. بعد تضخيم الطاقة، يتم إخراج إشارات نبضية بجهد وتيار محددين. تقوم شبكة الربط والفصل بحقن التشويش في منافذ الجهاز قيد الاختبار، وفي الوقت نفسه تعزل مصدر الطاقة الرئيسي الخارجي لمنع نبضات الاختبار من التأثير سلبًا على شبكة الطاقة، وضمان سلامة الاختبار ودقة شكل الموجة.

تتمثل الوظيفة الأساسية لمحاكي الموجات الحلقية في محاكاة تداخل الموجات الحلقية الذي تواجهه المعدات الكهربائية والإلكترونية في سيناريوهات العالم الحقيقي. فهو يُعيد إنتاج النبضات التذبذبية المُخمدة الناتجة عن تشغيل مفاتيح الجهد العالي، والتذبذبات العابرة في ملفات المحولات، وأعطال أنظمة الطاقة، وتبديل الأحمال الحثية. تُطبَّق إشارات التشويش على المعدات قيد الاختبار (EUT) وفقًا لمواصفات شكل الموجة القياسية الوطنية والدولية لاختبارات المناعة المعيارية، وذلك لتقييم مستوى مقاومة المعدات لتداخل الموجات الحلقية. أثناء الاختبار، يُمكن الكشف في الوقت المناسب عن نقاط ضعف عزل المعدات، وعيوب حلقات الطاقة، ونقاط ضعف دوائر حماية الواجهة لتوجيه تحسين الأجهزة، مما يضمن التشغيل المستمر والمستقر للمعدات بعد نشرها في بيئات طاقة معقدة.

يستطيع المشغلون ضبط سعة جهد الخرج، ومقاومة الخرج، وقطبية النبضة، وطور تزامن شبكة الطاقة لمحاكاة التداخلات بمستويات شدة مختلفة. تتم مراقبة حالة تشغيل الجهاز قيد الاختبار أثناء حقن التشويش. ويتم تقييم تدهور الأداء، والخلل الوظيفي، وتلف الأجهزة وفقًا لمعايير مواصفات المنتج لتقييم مستوى المناعة. LISUN تم تجهيز جهاز محاكاة الموجات الحلقية من سلسلة RWG61000-12 بشاشة لمس تعمل بنظام Android باللغتين الصينية والإنجليزية لتكوين المعلمات المرئية وتسجيل عملية الاختبار التلقائي، وهو ما يناسب اختبارات التوافق الكهرومغناطيسي للعديد من الصناعات. 

2 المعلمات الرئيسية لـ LISUN محاكي الموجات الحلقية من سلسلة RWG61000-12

استخدم LISUN تتضمن سلسلة محاكيات الموجات الحلقية RWG61000-12 أربعة نماذج تغطي مستويات خرج 4 كيلوفولت و6 كيلوفولت، وهي مزودة بشبكات توصيل وفصل أحادية الطور وثلاثية الطور بخمسة أسلاك على التوالي، ومناسبة للأجهزة المنزلية أحادية الطور والعدادات والمعدات الصناعية ثلاثية الطور. تتوافق هذه السلسلة مع المعايير GB/T 17626.12-2023 وIEC 61000-4-12:2017 وEN 61000-4-12:2017 وGJB151B-2013 وغيرها من المعايير. ترد المواصفات الفنية الرئيسية في الجدول 1.

الجدول 1: المواصفات الرئيسية لمحاكي الموجة الحلقية من سلسلة RWG61000-12

كما هو موضح في المعايير أعلاه، يوفر جهاز محاكاة الموجة الحلقية هذا إعدادين قياسيين لمقاومة الخرج: 12 أوم و30 أوم، بما يتوافق مع ظروف الاختبار ذات معاوقات المصدر المختلفة المحددة في المعايير. يدعم الجهاز التشغيل المتزامن لتردد التيار المتردد من 0° إلى 360°، مما يُتيح محاكاة سيناريوهات حدوث تداخل الموجة الحلقية عند زوايا طور عشوائية لجهد تردد التيار، ويُحسّن من دقة نتائج الاختبار. يُناسب إصدار 4 كيلو فولت الأجهزة المنزلية ومعدات التحكم الصناعية العامة، بينما تستهدف طرازات 6 كيلو فولت RWG61000-12A وRWG61000-12AT معدات الطاقة ومنتجات الطاقة الجديدة ذات مستويات الخطورة الأعلى. يُناسب نظام توزيع التيار أحادي الطور الأجهزة المنزلية الصغيرة وعدادات الكهرباء؛ بينما يُستخدم نظام توزيع التيار ثلاثي الأطوار ذو الخمسة أسلاك في محولات التردد والمحركات ثلاثية الأطوار وغيرها من المعدات الصناعية، ليغطي بذلك نطاقًا واسعًا من المنتجات.

RWG61000-12_ال

3 تطبيقات صناعية لمحاكي الموجة الحلقية

تُستخدم أجهزة محاكاة الموجات الحلقية على نطاق واسع في البحث والتطوير للمنتجات، والتحقق من الموثوقية، واختبار النوع في قطاعات التحكم الصناعي والطاقة، والطاقة الجديدة، والأجهزة الاستهلاكية، والإلكترونيات الطبية، وغيرها.

في قطاعات التحكم الصناعي ومعدات الطاقة، يُشترط على وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs)، ومحركات المؤازرة، وأجهزة التوجيه الصناعية، وعدادات الطاقة، وأجهزة الحماية المرحلية، إجراء اختبارات مناعة خطوط الطاقة باستخدام محاكيات الموجات الحلقية، لمحاكاة تداخل التذبذبات المخمدة الناتج عن بدء تشغيل المحركات وإيقافها، وعمليات تبديل المحولات في المصانع. تُمكّن هذه الاختبارات من الكشف عن تأخير الأوامر، وأخطاء الاتصال، وسوء تشغيل المرحلات، وتقييم أداء العزل، مما يمنع احتراق المعدات في الموقع، ويضمن التشغيل الآمن لخطوط الإنتاج وأنظمة توزيع الطاقة.

في قطاعي الطاقة الجديدة وإلكترونيات السيارات، تتطلب منافذ إدخال الطاقة ومنافذ اتصال CAN في محطات شحن التيار المتردد/المستمر اختبارات مقاومة الموجات الحلقية باستخدام محاكيات الموجات الحلقية لمحاكاة اضطرابات شبكة الطاقة واضطرابات الموجات الحلقية الناتجة عن التبديل الداخلي في محطات الشحن، وذلك للتحقق من حدوث انقطاع في الشحن أو فشل في الاتصال. كما يمكن لأنظمة إدارة بطاريات السيارات (BMS) وأجهزة الشحن المدمجة (OBC) استخدام محاكيات الموجات الحلقية لإعادة إنتاج تداخل التذبذبات العابرة لأنظمة إمداد الطاقة في المركبات وضمان التشغيل الموثوق للمكونات الإلكترونية الموجودة على متنها.

تستخدم الأجهزة المنزلية والإلكترونيات الاستهلاكية، كالثلاجات ومكيفات الهواء والغسالات ومحولات الطاقة والمقابس الذكية، أجهزة محاكاة الموجات الحلقية لمحاكاة اضطرابات الموجات الحلقية الناتجة عن تشغيل وإيقاف الضواغط وتبديل الأجهزة عالية الطاقة في شبكات الطاقة المنزلية. ويتم التحقق مسبقًا من احتمالية تعطل الأجهزة أو حدوث أعطال فيها، كما تُحسّن دوائر الحماية لمنافذ الطاقة لتعزيز موثوقية المنتجات الاستهلاكية.

تتطلب المعدات الإلكترونية الطبية موثوقية تشغيلية عالية. يجب أن تستخدم أجهزة مراقبة المرضى، وأجهزة الموجات فوق الصوتية، ومضخات التسريب، وغيرها من الأدوات الطبية، أجهزة محاكاة الموجات الحلقية لمحاكاة اضطرابات الموجات الحلقية في شبكة الطاقة الناتجة عن تشغيل معدات المستشفيات واسعة النطاق مثل أجهزة التصوير المقطعي المحوسب والتصوير بالرنين المغناطيسي، والتحقق من عدم حدوث أي انحراف في البيانات أو تشغيل خاطئ لضمان سلامة التشخيص.

4. الأهمية العملية والاستنتاج

يُعدّ اضطراب الموجة الحلقية ظاهرةً موجودةً في شبكات إمداد الطاقة في الواقع العملي، وينتج عن تأثيرها العديد من أعطال المنتجات في مواقع العمل. يوفر جهاز محاكاة الموجة الحلقية حلول اختبار معملية موحدة وقابلة للتكرار. وبدون الحاجة إلى محاكاة ظروف معقدة في مواقع العمل، يُمكن محاكاة نبضات التذبذب المخمد في الواقع العملي لإجراء تقييم شامل للمناعة للجهاز قيد الاختبار، وتحديد نقاط ضعف العزل وعيوب دوائر الحماية، وتوجيه عملية تحسين تصميم لوحة الدوائر المطبوعة، وتصميم التأريض، واختيار مكونات الحماية من زيادة التيار. وبذلك، يُمكن تقليل احتمالية تعطل المعدات في مواقع العمل منذ مرحلة البحث والتطوير.

استخدم LISUN سلسلة RWG61000-12 محاكي الموجة الحلقية يلبي هذا الجهاز متطلبات شكل الموجة للمعايير الوطنية والعسكرية والدولية بشكل كامل. وتلبي التكوينات المتعددة أحادية الطور وثلاثية الطور متطلبات مختبرات البحث والتطوير ومؤسسات الاختبار الخارجية. لا يقتصر اختبار مناعة الموجات الحلقية على شهادات المطابقة فحسب، بل يُعدّ أيضًا نهجًا حيويًا لتعزيز التكيف البيئي وموثوقية المعدات الكهربائية والإلكترونية. ومع الانتشار المتزايد للمعدات الصناعية ومعدات الطاقة الجديدة، ستلعب أجهزة محاكاة الموجات الحلقية دورًا متزايد الأهمية في التحقق من التوافق الكهرومغناطيسي.