电子化、信息化、智能化是现代社会的基本特征,所有这些进步都依赖于微处理器。对微处理器严重的依赖也意味着一旦微处理器出现故障,就会导致巨大的经济损失。高铁信号系统的误动作导致的悲惨事故大家还记忆犹新。是什么导致自动控制系统出现误动作呢?根据IBM公司的研究,电网浪涌导致的故障占了一半以上。例如,高铁信号系统的误动作的一种可能性就是雷电导致的浪涌电压。
导致微处理器故障的主要原因是电网上的浪涌电压。据美国商务周刊统计,每年由于浪涌导致的停工、设备维修以及设备更换等的损失在800亿美元左右。为了减小这些损失,对以微处理器为核心的电子设备进行浪涌保护是十分必要的。
浪涌(又称为瞬态电压)是一种随机出现,能量很大的瞬间干扰。浪涌电压的上升沿时间很短(10ms以下)。浪涌电压是瞬间的,这不同于通常意义上的电压跌落和过电压。浪涌电压主要有两个来源,一个是雷电产生的强电磁场在电网上感应出的,另一个是电网上的负载(电梯、复印机、空调机、各种电机、照明、补偿电容等)的接通和断开。雷电产生的浪涌能量较大,但数量较少(与地域有关),占浪涌现象的20%左右;电网上的负载通断产生的浪涌能量较小,但数量较大(与电网上的负载状况有关),占浪涌现象的 80%左右。
内部电气开关产生的浪涌,其典型波形为100kHz的振荡波,如图1(a)所示;雷电感应的浪涌,其典型波形为单极性脉冲,脉冲波的电流波形如图1(b)所示。
图1 浪涌的两种波形
过去,电子设备很少的年代,主要关注浪涌电压对设备绝缘造成的损坏。现在,随着自动控制系统的广泛应用,主要的关注点在电子线路的硬件损坏和微处理器电路的数据损坏,以微处理器为核心的设备对高能浪涌尤其敏感,常见的故障现象包括:
1.存储器内数据丢失
2.I/O接口电路复位,导致控制过程中断
3.线路板上的器件损坏
4.预置的校准值漂移
5.程序跑飞、系统死锁
6.可控硅整流器故障
7.数字、模拟控制误动作
上述现象都是控制系统所不能容忍的。除了上述显而易见的损坏以外,浪涌还会对半导体器件造成潜在损坏,缩短器件的寿命。因此自动控制系统必须考虑浪涌保护的问题。
但是传统的浪涌保护技术不能满足要求,必须采用具有正弦波跟踪功能的浪涌保护技术。传统的浪涌保护器仅能够将幅度固定的浪涌电压消除掉,如图2(a)所示。从图中可以看出,正弦波上还会残留较大的浪涌电压,这些浪涌电压虽然不会损伤设备的绝缘或者硬件,但是对于微处理器的设备,足以损坏其中的数据,导致系统误动作。消除这些干扰的功能就是正弦波跟踪功能。具有这种功能的浪涌保护器能够将正弦波上下一定幅度内的浪涌消除,如图2(b)所示。
图2 确保控制系统可靠运行的正弦波跟踪技术
航天科工集团二院706所从上个世纪80年代起关注航天控制系统的电磁兼容性问题,30多年来,不仅为我国的航天系统可靠运行作出了贡献,还为工业企业解决了很多疑难问题。现在基于30余年的经验,开发了航天绿电品牌的系列电能质量产品,其中HTSP正弦波跟踪电能净化器就是专门为了解决精密设备、关键设备、贵重设备的可靠运行而开发产品,应用在控制系统的关键设备电源线上,能够确保控制系统的可靠运行。