Forschung zur Anwendung des Ringwellensimulators bei EMV-Störfestigkeitsprüfungen elektrischer und elektronischer Geräte

Abstract
In industriellen Stromnetzen und zivilen Stromversorgungssystemen entstehen gedämpfte ringförmige Schwingungsstörungen durch Hochspannungsschaltungen, transiente Transformatorschwingungen, Netzfehler und das Schalten induktiver Lasten. Diese transienten Störungen koppeln über Strom- und Signalleitungen in elektrische und elektronische Geräte ein und können leicht zu Geräteausfällen, Fehlfunktionen und sogar Hardwareschäden führen. Als wichtiges EMV-Prüfinstrument ist das Ringwellensimulator Der Ringwellengenerator kann reale Ringwellenstörungen unter Laborbedingungen simulieren. Er führt Störfestigkeitsprüfungen gemäß GB/T 17626.12-2023, IEC 61000-4-12 und anderen Normen durch, um die Störfestigkeit des Prüflings gegenüber solchen Störungen zu bewerten, Isolationsschwachstellen und Fehler in der Störfestigkeit von Schaltungen frühzeitig zu erkennen und einen stabilen Betrieb der Geräte in komplexen Stromversorgungsumgebungen zu gewährleisten. LISUN Anhand des Ringwellensimulators der Serie RWG61000‑12 als Forschungsobjekt beschreibt dieser Artikel den Entstehungsmechanismus von Ringwellenstörungen, die Kernfunktionen des Simulators, wichtige technische Parameter und Anwendungsszenarien aus verschiedenen Branchen, um Referenzen für praktische EMV-Tests der Ringwellen-Immunität zu liefern.

Einführung

Moderne elektrische und elektronische Geräte finden breite Anwendung in der industriellen Steuerung, bei Ladestationen für erneuerbare Energien, in Medizingeräten, Haushaltsgeräten, Stromzählern und anderen Bereichen. Ihre Stromversorgungsumgebungen sind von verschiedenen transienten elektromagnetischen Störungen betroffen. Die Ringwelle ist ein nicht-repetitiver, gedämpfter, oszillatorischer transienter Impuls, der häufig in Niederspannungs-Wechselstromnetzen auftritt. Beim Schalten von Hochspannungsschaltern entstehen transiente Schwingungen in Transformatorwicklungen. Beim Anfahren und Stoppen von Großmotoren oder bei Kurzschlüssen in Stromversorgungssystemen wird durch Fehlanpassung der Leitungsimpedanz eine Wanderwelle reflektiert, die steil ansteigende, hochamplitudige und allmählich abklingende 100-kHz-Oszillationsimpulse erzeugt – die sogenannte Ringwellenstörung.

Solche Störungen koppeln über Strom- und Signalkabel in Geräte ein und beeinträchtigen Stromkreise und Signalschnittstellen. Viele Geräte funktionieren unter idealen Laborbedingungen einwandfrei, weisen jedoch nach dem Anschluss an Stromnetze vor Ort häufig Steuerungsanomalien, Kommunikationsunterbrechungen und Funktionsstörungen auf. Ein Großteil dieser Ausfälle ist auf Ringwellenstörungen zurückzuführen. Um Geräteausfälle aufgrund elektromagnetischer Umgebungen vor Ort zu vermeiden, müssen Produkte während der Forschungs- und Entwicklungsphase sowie im Rahmen der Typgenehmigung standardisierte Ringwellen-Immunitätstests durchlaufen. Der Ringwellensimulator dient als zentrales Hardware-Element für diese Tests. Er kann standardisierte Ringwellenformen im Labor unabhängig von komplexen Feldbedingungen reproduzieren und eine wiederholbare und vergleichbare Immunitätsbewertung ermöglichen, um versteckte Konstruktionsrisiken von Produkten frühzeitig aufzudecken. Er ist daher ein unverzichtbares Testgerät zur Überprüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit.

1. Funktionsprinzip und Kernfunktionen des Ringwellensimulators

Der Ringwellensimulator, auch Ringwellengenerator genannt, besteht im Wesentlichen aus einem Hochspannungs-Energiespeicher, einem Impulsformungsnetzwerk, einem Leistungsverstärkermodul, einem Kopplungs-/Entkopplungsnetzwerk (CDN) und einem Mensch-Maschine-Interaktionssystem. Standardisierte gedämpfte Schwingungsformen werden mittels LC-Schwingkreisen erzeugt. Nach der Leistungsverstärkung werden Impulssignale mit vorgegebener Spannung und vorgegebenem Strom ausgegeben. Das Kopplungs-/Entkopplungsnetzwerk speist Störungen in die Anschlüsse des Prüflings ein und trennt gleichzeitig die externe Netzversorgung, um zu verhindern, dass Testimpulse das Stromnetz rückwärts stören. Dadurch werden die Testsicherheit und die Genauigkeit der Schwingungsform gewährleistet.

Die Kernfunktion des Ringwellensimulators besteht in der Simulation von Ringwellenstörungen, denen elektrische und elektronische Geräte in realen Anwendungsszenarien ausgesetzt sind. Er bildet gedämpfte Schwingungsimpulse nach, die durch Hochspannungsschalterbetätigung, transiente Schwingungen von Transformatorwicklungen, Netzfehler und das Schalten induktiver Lasten entstehen. Störsignale werden gemäß nationalen und internationalen Normen für standardisierte Störfestigkeitsprüfungen an das Prüfobjekt (EUT) angelegt, um dessen Widerstandsfähigkeit gegenüber Ringwellenstörungen zu bewerten. Während der Prüfung können Isolationsschwachstellen der Geräte, Fehler in Stromkreisen und Schwachstellen in Schnittstellenschutzschaltungen frühzeitig erkannt werden. Dies ermöglicht eine gezielte Hardwareoptimierung und gewährleistet den kontinuierlichen und stabilen Betrieb der Geräte nach dem Einsatz in komplexen Netzumgebungen.

Die Bediener können Ausgangsspannungsamplitude, Ausgangsimpedanz, Impulspolarität und Netzsynchronisationsphase anpassen, um Störungen unterschiedlicher Stärke zu simulieren. Der Betriebszustand des Prüflings unter Störungseinwirkung wird beobachtet. Leistungsverschlechterungen, Funktionsstörungen und Hardwarebeschädigungen werden anhand der Produktspezifikationskriterien zur Bewertung der Störfestigkeit beurteilt. LISUN Der Ringwellensimulator der Serie RWG61000‑12 ist mit einem chinesisch-englischen Android-Touchscreen zur visuellen Parameterkonfiguration und automatischen Aufzeichnung des Testprozesses ausgestattet und eignet sich für EMV-Konformitätsprüfungen in verschiedenen Branchen. 

2 Schlüsselparameter von LISUN RWG61000‑12 Serie Ringwellensimulator

Das LISUN Die Ringwellensimulatoren der Serie RWG61000-12 umfassen vier Modelle mit Ausgangsspannungen von 4 kV und 6 kV. Sie sind jeweils mit einphasigen und dreiphasigen Fünfleiter-Kopplungs-/Entkopplungsnetzen ausgestattet und eignen sich für einphasige Haushaltsgeräte, Zähler und dreiphasige Industrieanlagen. Die Serie entspricht den Normen GB/T 17626.12-2023, IEC 61000-4-12:2017, EN 61000-4-12:2017, GJB151B-2013 und weiteren Standards. Die wichtigsten technischen Daten sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1 Hauptspezifikationen des Ringwellensimulators der Serie RWG61000-12

Wie in den obigen Parametern dargestellt, bietet dieser Ringwellensimulator zwei Standard-Ausgangsimpedanzeinstellungen: 12 Ω und 30 Ω. Diese entsprechen Testbedingungen mit unterschiedlichen Quellimpedanzen gemäß den Normen. Er unterstützt die synchrone Triggerung mit der Netzfrequenz von 0° bis 360°, wodurch Szenarien simuliert werden können, in denen Ringwelleninterferenzen bei beliebigen Phasenwinkeln der Netzfrequenzspannung auftreten. Dies verbessert die Reproduzierbarkeit der Tests. Die 4-kV-Version eignet sich für Haushaltsgeräte und allgemeine industrielle Steuerungstechnik, während die 6-kV-Modelle RWG61000-12A und RWG61000-12AT für anspruchsvollere Leistungselektronik und Produkte für erneuerbare Energien entwickelt wurden. Einphasige CDN-Systeme eignen sich für kleine Haushaltsgeräte und Stromzähler; dreiphasige Fünfleiter-CDN-Systeme werden für Frequenzumrichter, Drehstrommotoren und andere Industrieanlagen eingesetzt und decken somit ein breites Produktspektrum ab.

RWG61000-12_AL

3 Industrielle Anwendungen des Ringwellensimulators

Ringwellensimulatoren werden in großem Umfang für Produktforschung und -entwicklung, Zuverlässigkeitsprüfung und Typprüfung in den Bereichen industrielle Steuerungstechnik und Energietechnik, neue Energien, Haushaltsgeräte, Medizinelektronik und anderen Sektoren eingesetzt.

In der industriellen Steuerungs- und Energietechnik müssen SPSen, Servoantriebe, Industrierouter, Energiezähler und Schutzrelais Störfestigkeitsprüfungen mit Ringwellensimulatoren durchführen. Diese simulieren gedämpfte Schwingungsstörungen, die durch Motorstart und -stopp sowie Transformatorschaltungen in Fabriken entstehen. Die Prüfungen erkennen Befehlsverzögerungen, Kommunikationsfehler und Fehlfunktionen von Relais und bewerten die Isolationsleistung. So lassen sich Geräteausfälle vor Ort vermeiden und der sichere Betrieb von Produktionslinien und Stromverteilungssystemen gewährleisten.

In den Bereichen neue Energien und Automobilelektronik sind für die Stromversorgungs- und CAN-Kommunikationsports von AC/DC-Ladesäulen Ringwellen-Immunitätstests mit Ringwellensimulatoren erforderlich. Diese simulieren Netzstörungen und durch interne Schaltvorgänge verursachte Ringwellenstörungen der Ladesäulen und überprüfen, ob es zu Ladeunterbrechungen und Kommunikationsausfällen kommt. Auch Fahrzeug-Batteriemanagementsysteme (BMS) und On-Board-Ladegeräte (OBC) können Ringwellensimulatoren einsetzen, um transiente Schwingungsstörungen der Fahrzeugstromversorgung zu simulieren und den zuverlässigen Betrieb der Bordelektronik zu gewährleisten.

Für Haushaltsgeräte und Unterhaltungselektronik wie Kühlschränke, Klimaanlagen, Waschmaschinen, Netzteile und intelligente Steckdosen werden Ringwellensimulatoren eingesetzt, um die durch das Starten und Stoppen von Kompressoren sowie das Schalten von Hochleistungsgeräten in Hausstromnetzen entstehenden Ringwellenstörungen zu simulieren. Es wird überprüft, ob die Geräte ausfallen oder Fehlfunktionen aufweisen, und die Schutzschaltungen der Stromanschlüsse werden im Vorfeld optimiert, um die Zuverlässigkeit der Verbraucherprodukte zu verbessern.

Medizinische Elektronikgeräte erfordern eine hohe Betriebssicherheit. Patientenmonitore, Ultraschallgeräte, Infusionspumpen und andere medizinische Instrumente müssen Ringwellensimulatoren verwenden, um die durch das Schalten von Großgeräten im Krankenhaus wie CT und MRT verursachten Ringwellenstörungen im Stromnetz zu simulieren und sicherzustellen, dass keine Datenverschiebungen oder Fehlauslösungen auftreten, um die Sicherheit der Diagnose zu gewährleisten.

4. Praktische Bedeutung und Schlussfolgerung

Ringwellenstörungen treten objektiv in realen Stromversorgungsnetzen auf und verursachen zahlreiche Produktausfälle vor Ort. Der Ringwellensimulator ermöglicht standardisierte und reproduzierbare Labortestlösungen. Ohne den Aufbau komplexer Testumgebungen vor Ort können realitätsnahe, gedämpfte Schwingungsimpulse simuliert werden, um die Störfestigkeit von Prüflingen zu bewerten, Schwachstellen in der Isolation und Fehler in Schutzschaltungen zu lokalisieren sowie die Optimierung von Leiterplattenlayout, Erdungsdesign und Auswahl von Überspannungsschutzkomponenten zu unterstützen. Die Wahrscheinlichkeit von Geräteausfällen vor Ort kann bereits in der Forschungs- und Entwicklungsphase reduziert werden.

Das LISUN RWG61000‑12 Serie Ringwellensimulator Erfüllt die Wellenformanforderungen nationaler, militärischer und internationaler Normen vollständig. Verschiedene ein- und dreiphasige Konfigurationen genügen den Anforderungen von Forschungs- und Entwicklungslaboren sowie externen Prüfinstituten. Die Prüfung der Störfestigkeit im Ringwellenmodus dient nicht nur der Konformitätszertifizierung, sondern ist auch ein wichtiger Ansatz zur Verbesserung der Umweltverträglichkeit und Zuverlässigkeit elektrischer und elektronischer Geräte. Mit der zunehmenden Verbreitung von Industrieanlagen und Anlagen für neue Energien werden Ringwellensimulatoren eine immer wichtigere Rolle bei der EMV-Prüfung spielen.