Допустимый перекос по фазам пуэ: Перекосы фазы в трехфазных и однофазных сетях тока (ПУЭ)

Содержание

чем опасен и когда возникает?

Рассмотренное в этой публикации явление уменьшает КПД подключенного оборудования, провоцирует аварии. В некоторых ситуациях создает угрозу для жизни и здоровья пользователей. Устранить перекос фаз и обеспечить безопасную эксплуатацию техники можно с помощью комплекса специальных мероприятий.

Типичная причина подобных аварийных ситуаций – перекос фаз

Блок: 1/8 | Кол-во символов: 353
Источник: https://amperof.ru/teoriya/perekos-faz.html

Что такое перекос фаз?

Данный термин используется для описания состояния сети, при котором возникают неравномерные нагрузки между фазами, что приводит к возникновению перекоса. Если составить векторную диаграмму идеальной трехфазной сети, то она будет выглядеть так, как показано на рисунке ниже.

Диаграмма напряжений в идеальных трехфазных сетях

Как видно из рисунка, в данном случае равны как линейные напряжения (АВ=ВС=СА=380,0 В), так и фазные (АN=ВN=СN=220,0 В). К сожалению, на практике добиться такого идеального равенства нереально. То есть, линейные напряжения сети, как правило, совпадают, в то время как в фазных наблюдаются расхождения. В некоторых случаях они могут превысить допустимый предел, что приведет к возникновению аварийной ситуации.

Пример диаграммы напряжений при возникновении перекоса

Блок: 2/8 | Кол-во символов: 810
Источник: https://www.asutpp.ru/perekos-faz-v-trehfaznoj-seti.html

Разное напряжение на фазах

Доброго вечера форумчане! У меня такая проблема, Замеряю на 3-х фазном автомате напряжение а амперметр мне показывает L1-160v L2-260V L3-402V. Ламаю голову в чем причина такого парадокса!

Anatoliy

Гуру тех. поддержки

Главный энергетик

Блок: 2/7 | Кол-во символов: 742
Источник: http://www.electric-house.ru/forum/viewtopic.php?t=1970

Допустимые значения

Действующими правилами ПУЭ и стандартами ГОСТ 32144-2013 установлены предельные отклонения по несимметричному распределению напряжений в сетях 380 V. Контрольные параметры определяются специальными коэффициентами. Предельные значения не должны превышать 2% (4 %) для нулевой (обратной) последовательности, соответственно.

К сведению. Отмеченные определения выражают в векторной форме. В формулах для расчетов реальную систему с имеющимися отклонениями представляют как сумму симметричных компонентов.

Также для контроля применяют максимальное допустимое отклонение измеренных фазных токов. Отдельные нормы утверждены для типовых распределительных устройств:

  • ВРУ – 15%;
  • ЩР – 30%.

Блок: 3/8 | Кол-во символов: 700
Источник: https://amperof.ru/teoriya/perekos-faz.html

Разное напряжение на фазах

glukoza76 писал(а):
доброго вечера форумчане! У меня такая проблема, Замеряю на 3-х фазном автомате напряжение а амперметр мне показывает L1-160v L2-260V L3-402V. Ламаю голову в чем пречина такого парадокса!

Амперметр показывает ток а не вольтаж.
Вы определитесь чем вы мерили и как.

Anatoliy

Гуру тех. поддержки

Главный энергетик

Блок: 3/7 | Кол-во символов: 672
Источник: http://www.electric-house.ru/forum/viewtopic.php?t=1970

Причины перекоса фаз в трехфазной сети

Как уже упоминалось выше, данное состояние электросети чаще всего вызвано неравномерным подключением нагрузки на фазы и обрывом нуля. Чаще всего это проявляется в сетях до 1, кВ, что связано с особенностями распределения электроэнергии, между однофазными электроприемниками.

Обмотки трехфазных силовых трансформаторов подключаются «звездой». Из места соединения обмоток отводится четвертый провод, называемый нулевым или нейтралью. Если происходит обрыв нулевого провода, то в сети возникает несимметрия напряжений, причем перекос напрямую будет зависеть от текущей нагрузки. Пример такой ситуации приведен ниже. В данном случае RН это сопротивления нагрузок, одинаковые по значению.

Перекос фаз, вызванный обрывом нейтрали

В данном примере напряжение на нагрузке, подключенной к фазе А, превысит норму и будет стремиться к линейному, а на фазе С упадет ниже допустимого предела. К подобной ситуации может привести перекос нагрузки, выше установленной нормы. В таком случае напряжение на недогруженных фазах повысится, а на перегруженных упадет.

К перекосу напряжений также приводит работа сети в неполнофазном режиме, когда происходит замыкание фазного провода на землю. В аварийных ситуациях допускается эксплуатация сети в таком режиме, чтобы обеспечить электроснабжение потребителям.

Исходя из вышесказанного, можно констатировать три основные причины перекоса фаз:

  1. Неравномерная нагрузка на линии трехфазной сети.
  2. При обрыве нейтрали.
  3. При КЗ одного из фазных проводов на землю.

Блок: 4/8 | Кол-во символов: 1521
Источник: https://www.asutpp.ru/perekos-faz-v-trehfaznoj-seti.html

Разное напряжение на фазах

При отсоединенном нуле , ноль может показывать напряжение через какой то потребитель. Через лампочку к примеру.

Все тематические вопросы и ответы на них, только на форуме! В личку по электрике не отвечаю.

glukoza76
Автор темы

Участник

Блок: 4/7 | Кол-во символов: 551
Источник: http://www.electric-house.ru/forum/viewtopic.php?t=1970

Почему обрыв нуля трехфазной схемы создает самый опасный режим и как от него защититься

Преимуществом и одновременно недостатком бытовых однофазных цепей является то, что они все взаимосвязаны и объединены в общую трехфазную схему от питающего трансформатора.

А не ней используется общий ноль (нейтраль), по которому протекают токи всех трех фаз. Он требует очень надежного подключения на вводе в здание, да и на всем протяжении воздушной или кабельной линии.

Однако провода иногда отрываются при неблагоприятной погоде и стихийных бедствиях. Да и качество монтажа иногда страдает, как показано на фото, кочующего по интернету сурового русского светодиода. На нем высокое переходное сопротивление вызвано не достаточным усилием затяжки резьбового соединения.

Встречаются другие дефекты, связанные с подключением алюминиевых жил.

Такой монтаж часто приводит к перегреву провода, отгоранию ноля с разрывом цепи и перераспределением потенциалов напряжения на подключенных потребителях.

Каждые две квартиры здания оказываются последовательно подключенными под линейное напряжение 380 вольт.

Их общее сопротивление складывается и создает единый ток нагрузки, который обеспечивает в каждой квартире свое напряжение (схема делителя).

Поскольку у одного хозяина может работать только холодильник, а у другого дополнительно большое количество мощных электроприборов, то один из них окажется подключенным практически под 380 вольт, а второй не получит почти ничего из-за смещения нейтрали

В одной квартире погорит холодильник, морозильник и вся подключенная бытовая техника, а в другой возникнут неисправности, связанные с недополучением электроэнергии.

Все эти процессы проходят очень быстро, буквально за считанные секунды. На них человеку сложно среагировать отключением коммутационных аппаратов: мало времени.

Исправить положение дел и спасти свою технику могут только автоматические защитные устройства. Эту функцию выполняет реле контроля напряжения РКН. Оно быстро отключает питание при отклонении напряжения выше или ниже допустимого уровня.

Обрыв нуля трехфазного электроснабжения устраняют не домашние мастера, а специалисты, обслуживающие промышленные электроустановки. Это их зона ответственности.

Владелец видеоролика Заметки электрика популярно объясняет, как появляются две фазы в розетках. Рекомендую посмотреть.

Жду ваших вопросов в разделе .

Блок: 5/5 | Кол-во символов: 2335
Источник: https://ElectrikBlog.ru/dve-fazy-v-rozetkah-prichiny-vozniknoveniya-neispravnostej/

Несимметрия в высоковольтных сетях

Вызвать подобное состояние в сети 6,0-10,0 кВ иногда может подключенное к ней оборудование, в качестве характерного примера можно привести дугоплавильную печь. Несмотря на то, что она не относится к однофазному оборудованию, управление тока дуги в ней производится пофазно. В процессе плавки также могут возникнуть несимметричные КЗ. Учитывая, что существуют дугоплавильные установки запитывающиеся от напряжения 330,0 кВ, то можно констатировать, что и в данных сетях возможен перекос фаз.

В высоковольтных сетях перекос фаз может быть вызван конструктивными особенностями ЛЭП, а именно, разным сопротивлением в фазах. Чтобы исправить ситуацию выполняется транспозиция фазных линий, для этого устанавливаются специальные опоры. Эти дорогостоящие сооружения не отличаются особой прочностью. Такие опоры не особо стремятся устанавливать, предпочитая пожертвовать качеством электроэнергии, чем надежностью ЛЭП.

Блок: 5/8 | Кол-во символов: 944
Источник: https://www.asutpp.ru/perekos-faz-v-trehfaznoj-seti.html

Разное напряжение на фазах

так водной автомат выключен, и все автоматы тоже в щитке и току не от куда взяться! И вот еще в чем проблема, идет просадка( при подключении какого либа прибора напруга падает с 260v до 24v)с чем это связано?

haramamburu

Энергетик

Блок: 5/7 | Кол-во символов: 550
Источник: http://www.electric-house.ru/forum/viewtopic.php?t=1970

Разное напряжение на фазах

Елехтрика вызвать нада аднака. А так при ваших объяснениях ни фига не понятно, ну или как говорится — телепат (тот что штатный на форуме) опять в запое

slavapril

Заслуженный Ректор клуба

Главный энергетик

Блок: 6/7 | Кол-во символов: 524
Источник: http://www.electric-house.ru/forum/viewtopic.php?t=1970

Как исправить проблему с перекосом фаз

Представленные ниже специализированные устройства выбирают с определенным запасом по мощности (20-25%). Это продлит срок службы оборудования, упростит перемещение техники и подключение новых нагрузок. Для экономии средств можно создать защиту только для отдельных групп потребителей.

Стабилизатор

Такие аппараты можно использовать для поддержания заданного уровня напряжения в одной или трех фазах. Как правило, дополнительно обеспечивается фильтрация импульсных помех. Дорогие модели формируют на выходе сигнал с минимальными искажениями синусоиды.

Современный электронный стабилизатор с индикацией рабочих параметров на ЖКИ экране

Симметрирующий трансформатор

Технику этой категории в соответствующем исполнении применяют в одно,- и трехфазных сетях.

С ее помощью:

  • обеспечивают одинаковое распределение нагрузки для источника электропитания вне зависимости от реального распределения токов по фазным линиям;
  • предотвращают падение напряжения (сглаживают переходной процесс) при подключении мощных двигателей и других изделий с индуктивными характеристиками;
  • оптимизируют потребление электроэнергии, когда нагрузка отличается выраженными реактивными параметрами внутреннего сопротивления.

Вместо симметрирующего трансформатора для устранения перекоса применяют комплекты конденсаторов. Также используют комбинированное включение емкостных/ индуктивных компенсационных элементов.

Блок: 7/8 | Кол-во символов: 1418
Источник: https://amperof.ru/teoriya/perekos-faz.html

Разное напряжение на фазах

Напруга падает скорее всего оттого, что где-то плохой контакт у нуля(поэтому и фазы разнятся). Этот контакт образует так называемое переходное сопротивление. А любая нагрузка получается включенной последовательно с переходным сопротивлением этого самого нуля. На этом сопротивлении и оседает всё напряжение, оставляя подключенному прибору какую-то часть напряжения.

Для просмотра ссылки необходимо зарегистрироваться!

А индикаторная отвертка светится на нуле либо по причине смещения нейтрали(перекоса фаз опять-таки по причине плохого контакта в соединении нулевого проводника) — и тогда на нуле имеется некоторый потенциал, на который индикатор реагирует. Либо когда ноль полностью отсоединен с двух сторон, а фазы выключены только на автомате. Тогда электромагнитное поле фаз наводит на очень близко расположенный нулевой проводник опять-таки некоторый потенциал, на который отвертка индикаторная и реагирует. В общем, по самому первому вашему сообщению было ясно, что проблемы с нулем. Искать надо в этом направлении

Блок: 7/7 | Кол-во символов: 1091
Источник: http://www.electric-house.ru/forum/viewtopic.php?t=1970

Видео

Блок: 8/8 | Кол-во символов: 6
Источник: https://amperof.ru/teoriya/perekos-faz.html

Кол-во блоков: 20 | Общее кол-во символов: 17979
Количество использованных доноров: 5
Информация по каждому донору:
  1. https://www.asutpp.ru/perekos-faz-v-trehfaznoj-seti.html: использовано 3 блоков из 8, кол-во символов 3275 (18%)
  2. https://amperof.ru/teoriya/perekos-faz.html: использовано 6 блоков из 8, кол-во символов 5005 (28%)
  3. https://teplo.bast.ru/articles/skachki-napryazheniya-seti: использовано 1 блоков из 4, кол-во символов 2194 (12%)
  4. https://ElectrikBlog.ru/dve-fazy-v-rozetkah-prichiny-vozniknoveniya-neispravnostej/: использовано 2 блоков из 5, кол-во символов 3375 (19%)
  5. http://www.electric-house.ru/forum/viewtopic.php?t=1970: использовано 6 блоков из 7, кол-во символов 4130 (23%)

Нежелательный перекос фаз: 5 способов защиты электросети


Что такое перекос фаз: его допустимые значения

Перекос фаз – это такое состояние электросети, где ода или же две из них перезагружены больше остальных, а третья недогружена. Многие электрические сети, в которых случается эта проблема, являются, как правило, трехфазными, четырех и пяти. Если распределение нагрузки между фазами одинаково (асимметрия) и напряжение составляет 220 В по току, то тогда электрическая сеть будет работать надлежащим образом.

При наблюдении перекоса в промышленных сетях, мощность трехфазных приборов будет существенно снижаться. В быту, эта проблема проявится выходом из строя многих электроприборов: компрессор холодильника, силовой трансформаторный источник питания, вентилятор.

Качество электроэнергии имеет свои допустимые нормы и значения, которые непосредственно можно узнать, просмотрев специальные ГОСТы и соответствующие ПУЭ.

Допустимое значение и нормы:

  • Соотношение тока между проводниками недогруженным и перегруженным не должно превышать 30 %;
  • В ВРУ панелях, это же соотношение составляет 15 %;
  • По обратной последовательности допустимым перекосом считается 2 %;
  • По нулевой фазе – 4 %.

Неравномерная расфазировка напряжения в трехфазной сети приводит к перекосу фаз. А это в свою очередь грозит неисправностью прибора и даже его выходом из строя. Особенно часто происходят поломки в их электродвигателях. Бороться с этой проблемой обязательно нужно, а лучше вовсе ее устранить.

Перекос напряжения по фазам: причины и признаки его возникновения

Перекос фаз может возникнуть от нескольких причин. Одной и самой главной является – неправильное распределение нагрузки. Например, все приборы, работающие от электричества и потребляющие много энергии, подключены к одной розетки, а остальные остаются свободными.

Еще одна немаловажная причина, способствующая перекосу напряжения – это обрыв нуля. Нулевой провод в трехфазной сети имеет особое значение, а именно, он является балансиром фаз. Если происходит его обрыв, то функцию начинает выполнять провод, который наименее нагружен, а напряжение в сети понижается до 127 В.

Какое бы нестабильное явление электроэнергии не было выявлено, нужно сразу же отключить все приборы из сети. И уже после этого приступить к выявлению каких-либо его признаков.

Признаки нестабильности, вызванные перекосом:

  • Лампы дневного света, а так же энергосберегающие светильники начали мерцать;
  • Обыкновенные лампочки тускнеют или же, наоборот, светят очень ярко;
  • Перестали работать все электрические приборы: не включается микроволновка или телевизор, отключился утюг, стиральная машина;
  • Нагрелся выключатель;
  • Искрит розетка с явным потрескиванием или характерными щелчками;
  • Сработала защита, выключились автоматы;
  • Щелчки в щитке.

Какими бы не были причины перекоса, нужно знать его признаки и уметь их выявить. Все они свидетельствуют об аварии, которая произошла на линии. Если вы не обладаете существенными познаниями в электрике, тогда лучше вызвать специалиста, так как самостоятельное устранение неполадок может быть опасным для жизни.

Чем грозит перекос фаз: его опасность и последствия

Перекос фаз в электросети может повлечь за собой негативные последствия, которые опасны не только для приборов, но и самого потребителя. Чтобы не случилось таковых моментов, нужно все тщательно продумывать заранее и вовремя предпринимать защитные меры.

Из-за неравномерной нагрузки на фазы может произойти серьезное нарушение в электроснабжении, а они в свою очередь приведут к возгоранию проводки или самих приборов, различным травмам.

Сколько бы последствий не возникло, их нужно будет исправить, а это повлечет за собой больших затрат не только денежных, но и электрических.

Три группы негативных моментов:

  • Электрические приемники. Придут в негодность или будут повреждены бытовые приборы и оборудование.
  • Источники электроэнергии. Механические воздействия и уменьшение эксплуатационного срока окажут большой вред. Значительно увеличиться потребление электроэнергии.
  • Потребители. Расход на электроэнергию существенно увеличиться, возникнет необходимость в ремонте приборов, возможны травмы.

Избежать всего этого можно очень просто, нужно хорошенько все спланировать и грамотно распределить все нагрузки напряжения по фазам.

Защита от перекоса фаз: популярные способы

Чтобы в частном доме или городской квартире не возникло проблем с электричеством нужно изначально воспользоваться услугами профессионального электрика. Он не только грамотно спланирует все электроснабжение жилья, но и выполнит правильное распределение всех задействованных приборов.

Для симметричной и правильной работы электрической сети принято устанавливать специальные приборы. Прибор, который выравнивает напряжение в каждой отельной цепи, называется стабилизатор. Такой стабилизатор способен защитить технику и разные электрические приборы от перебоев серьезных нарушений в сети.

Каждый электрик может дать рекомендации, как предотвратить перекосы фаз, подсказать несколько способов и проконсультировать, что случиться, если их не соблюдать.

Способы защиты трехфазной электросети от несимметрии:

  • Грамотно составить проект по электроснабжению, с учетом всех дополнительных нагрузок;
  • Использовать автоматический выравниватель;
  • По необходимости нужно изменить саму схему электрической сети, спроектированную ранее;
  • Сменить мощность потребителей;
  • Установить необычное реле контроля фаз, которое сможет отключить питание.

Сегодня на современном рынке можно найти и приобрести специальный счетчик, который оснащен индикатором. Это небольшое устройство способно проконтролировать и показать то напряжение, которое есть в сети. Так же можно установить стабилизатор на вход в дом, который делает ток стабильным и показывает его значения.

Чем опасен перекос фаз (видео)

Перекос фаз предотвратить и устранить, конечно, можно, стоит только вовремя выявить его признаки и применить все меры по защите от нежелательных последствий.

Перекос фаз в трехфазной сети последствия — советы электрика

Перекос фаз в загородном доме

Источник: http://vprl.ru/publ/istochniki_pitanija/tekhnologii/perekos_faz_v_zagorodnom_dome/8-1-0-134

Перекос фаз: определение, причины его возникновения и способы защиты

В однофазном режиме значение напряжения должно составлять 220 вольт, а при трёхфазном — 380 вольт. Но в реальности эти числа практически не встречаются.

Поэтому проверив значение напряжения в розетке, можно наглядно убедиться в существовании перекоса фаз.

Чтобы приблизить значение напряжения к стандартным значениям, необходимо понимать, что подразумевается под словосочетанием «перекос фаз», его причинами и возможными способами устранения.

  • Суть понятия
  • Причины возникновения
  • Способы защиты
  • Последствия перекоса

Фаза — это электрическая цепь с некоторым значением синусоидальной электродвижущей силы.

Трёхфазная цепь, в свою очередь, состоит из трёх электрических цепей, которые владеют синусоидальной электродвижущей силой с одинаковой амплитудой и частотой тока.

Трёхфазная сеть состоит из трёх синусоидальных токов или напряжений, которые имеют одну частоту и сдвинуты по фазе на угол, равный 120 градусам.

Если потребителей электрической энергии подключить к фазам сети неравномерно — например, большинство сосредоточить в одной, а в двух других их будет гораздо меньше — это приведёт к асимметрии напряжения. При этом в трёхфазных четырёхпроводных сетях несимметричность параметров будет менее заметна, так как нулевой провод выравнивает неравномерность напряжения по фазам.

Причины возникновения

Нарушение симметричности напряжений в трёхфазной цепи — нежелательная ситуация. Поэтому для того чтобы её устранить, необходимо понять, почему она может возникнуть. Причины перекоса фаз в трёхфазной сети сводятся к основным трём обстоятельствам:

  • неравномерное группирование потребителей;
  • отсоединение нулевого провода;
  • замыкание фазного провода на землю.

При неправильном распределении потребителей в трёхфазной трёхпроводной цепи, напряжение на них будет существенно отличаться. Потребители, обладающие наименьшим сопротивлением, окажутся под повышенным напряжением. Токоприёмники с большим значением сопротивления будут иметь напряжение, не достигающее оптимального значения.

На источниках электроэнергии неравномерное распределение напряжения по фазам скажется в виде увеличенного потребления энергии, повреждений изоляции, износа, сокращение срока службы. При использовании автономного дизельного генератора увеличится расход топлива и охлаждающего вещества.

Снижение качества электрической изоляции для потребителей чревато такими последствиями:

  • повреждение, поломка бытовых приборов или электрической проводки;
  • возникновение пожара;
  • получение травм;
  • выход из строя электроприборов.

Способы защиты

Устранить нежелательное явление перекоса можно с помощью организационных мероприятий и установкой защитной аппаратуры.

К организационным мероприятиям относится правильное распределение нагрузки по всем фазам с учётом мощности. Недостатком является тот факт, что при всём желании проектировщика произвести очень точное размещение, особенно при подключении квартир, домов, невозможно.

Защитная аппаратура, которую можно установить:

  • Трёхфазный автоматический выключатель.
  • Трёхфазный стабилизатор напряжения.
  • Реле контроля фаз. Особенно целесообразно использовать реле совместно со стабилизаторами напряжения.
  • Симметрирующие трансформаторы. По строению они отличаются от силовых тем, что имеют дополнительную обмотку, которая включается между заземлением средней точки и нулём.

Недостатки трёхфазных стабилизаторов:

  • излишний расход электроэнергии;
  • низкая надёжность работы из-за частой смены деталей;
  • принцип работы, способствующий появлению перекоса фаз.

Последствия перекоса

Наиболее просто обнаружить неравномерность напряжения даже без вольтметра в быту. При его пониженном значении бытовые приборы могут не включаться, осветительные приборы будут гореть очень тускло.

Последствия неравномерного распределения нагрузки:

  • ухудшение качества электроэнергии;
  • появление уравнительных токов, из-за которых потери электроэнергии увеличиваются;
  • неэффективная работа электрооборудования, снижение качества электрической изоляции и, как следствие, уменьшение срока службы аппаратуры.

Перекос фаз — явление крайне нежелательное, но, к сожалению, довольно распространённое при работе электрооборудования. Полностью искоренить его почти невозможно. Поэтому необходимо следить, чтобы отклонения значения напряжений всегда находились в допустимых пределах. Это обеспечит длительный срок службы электроприборов и сохранит здоровье и жизнь обслуживающему персоналу.

Источник: https://220v.guru/fizicheskie-ponyatiya-i-pribory/prichiny-i-posledstviya-perekosa-faz.html

Перекос фаз в трехфазной сети: причины и последствия

У конечных потребителей сетей централизованного электроснабжения, которое является трёхфазным, применяется напряжение 220 В. Это фазное напряжение. Три фазы распределяются между несколькими потребителями.

Они подключаются к сети не одновременно и с неодинаковыми нагрузками.

Поэтому необходимо использование нейтрали чтобы обеспечивать подачу фазного напряжения каждому потребителю при несимметричной нагрузке в этой трёхфазной сети.

Суть проблемы

Но поскольку существует ограничение по мощности конечных трансформаторных подстанций, при упомянутых выше нагрузках величины фазных напряжений изменяются соответственно нагрузкам.

У более нагруженной фазы напряжение уменьшается например до 195 – 205 В, а менее нагруженной увеличивается до 245 В и более.

Последствием таких нагрузок является ток в нейтрали, который по своей величине может быть близким к току нагруженной фазы.

Как следствие этого – увеличение потерь. Они есть в кабельных и воздушных линиях электропередачи, трансформаторных подстанциях, и даже в высоковольтных ЛЭП питающих эти подстанции.

Особенно характерно такое «смещение нейтрали» – термин, характеризующий фазные напряжения при несимметричных нагрузках в трёхфазной сети, для жилого сектора потребителей электроэнергии.

При этом повышение напряжения является небезопасным для некоторых бытовых электроприборов.

Совет

Используемые в инфраструктуре жилого фонда трёхфазные асинхронные двигатели уже при двухпроцентной асимметрии испытывают дополнительный нагрев обмоток, что заметно сокращает срок службы изоляции.

Причём дальнейшее увеличение асимметрии в разы, то есть всего лишь до 4 – 6% вызывает рост общих потерь почти в два раза. То же относится и к лампам накаливания и люминесцентным лампам.

При повышении напряжения всего лишь на пять процентов спирали в них почти в два раза быстрее перегорают.

Что делать при перекосе фаз?

Чтобы уменьшить смещение нейтрали перед подстанциями рекомендуется устанавливать специальные симметрирующие автотрансформаторы. Схемы включения таких трансформаторов приведены ниже на изображениях.

Приведенные выше схемы применимы также с глухо заземлённой нейтралью нагрузки при отсутствии технической возможности встраивания компенсационной автотрансформаторной обмотки в нулевой провод, соединяя через эту обмотку нагрузку с сетью.

Поскольку увеличение нагрузки например в фазе А вызовет увеличение тока в этой фазе, напряжение на соответствующей последовательно включённой обмотке автотрансформатора тоже увеличится и произойдёт компенсация падения напряжения пропорциональная силе тока нагрузки. Установка автотрансформаторов вблизи распределительной подстанции обеспечивает наилучший эффект. Когда с этой подстанции электроэнергия по разделённым фазам подаётся потребителям, становится возможным симметрирование напряжения.

Это уменьшает потери и позволяет отфильтровать гармонические составляющие тока, возникающие от работы полупроводниковых ключей электронных балластов газоразрядных ламп, мощных инверторов, сварочных аппаратов.

Работа этих устройств вносит искажения в синусоидальную форму напряжения питающей электросети.

Следствием подобных искажений являются тепловые потери во всех работающих электрических машинах, подключенных к этой электросети.

Компенсация смещения нейтрали с использованием специального автотрансформатора весьма недешёвый способ борьбы с потерями электроэнергии при смещении нейтрали при несимметричной фазной нагрузке. Однако положительный эффект от этого способа получается непрерывно и быстро окупает все расходы.

Источник: http://podvi.ru/elektrotexnika/perekos-faz.html

Перекос по фазам в трехфазной сети

Источник: http://www.yugtelekabel.ru/perekos-po-fazam-v-trexfaznoj-seti.html

Перекос фаз. Что это такое и с чем он связан? Как исправить?

Одним из выдающихся благ цивилизации является электричество. Благодаря тому, что это открытие в наше время так распространено, жизнь общества в целом, и каждого человека в отдельности, значительно упростилась и стала более комфортной.

Вместе с тем, время от времени, в электросети могут возникать трудности, требующие решения. С ростом средней мощности бытовых приборов и техники, установленной в одном месте, например, в квартире, нередко возникает явление, называемое перекосом фаз.

В таких случаях, очень многие задаются вопросом, какие причины вызывают перекос фаз? И так, давайте разбираться.

Что же собой представляет перекос фаз

Трехфазную электрическую сеть в идеале можно представить равносторонним треугольником с нейтральной точкой в его середине.

   Перекос фаз

Он отражает работу силового трансформатора на подстанции, которая установлена в каждом микрорайоне города и предназначена для равномерного распределения электричества по всем потребителям. Стороны этого треугольника – это векторные линии, соединяющие его вершины. Обозначив вершины точками A, B, C и нейтралью N, можно составить таблицу напряжений и зависимость между ними:

  • AB=BC=CA=380 В
  • AN=BN=CN=220 В

При этом напряжения AB, BC, CA в 1,73 раза больше напряжений AN, BN, CN. Идеальный трехфазный генератор, который обычно используется для питания всех бытовых приборов и промышленных сетей, должен обеспечивать эти уровни напряжений в широком диапазоне нагрузок.

Причины перекоса фаз

Причин перекоса может быть несколько, однако, наиболее распространенной является причина, связанная с неправильной и неравномерно распределенной нагрузкой в фазах внутренних сетей. В случае возникновения перекоса на объекте с трехфазным питанием, это означает, что одна или две фазы работают с перегрузкой, тогда как другие фазы имеют гораздо меньшую нагрузку.

Однофазные потребители нередко попадают на одну фазу, и в этом случае перекос фаз образуется при одновременном включении большого количества бытовой техники. Первыми признаками перекоса могут быть бытовые приборы, мощность которых заметно упала, или они вообще перестали работать. Освещение становится тусклым, а лампы дневного света начинают мерцать.

Важно

Основная опасность ситуации состоит в том, что бытовые приборы начинают работать некорректно, и появляется реальная возможность поломок вплоть до полного выхода их из строя. Наибольшая часть негативных последствий приходится на различные виды электродвигателей, которые установлены почти во всех приборах.

После того, как выяснился вопрос, что такое перекос фаз и с чем он связан, необходимо рассмотреть основные способы борьбы с этим явлением. Следует сразу отметить, что данные способы не являются универсальными, а подходят только для конкретных ситуаций.

Устранение перекоса фаз

Для того, чтобы избежать перекос фаз, необходимо осуществить тщательное планирование всех мощностей и рассчитать все возможные нагрузки с их правильным распределением по фазам. Как правило, составляется подробный электропроект на квартиру или дом.

При эксплуатации необходимо выполнять проверку тока с помощью специальных тестеров. Если возникнет необходимость, должна быть выполнена переброска однофазных нагрузок с более загруженных фаз на менее загруженные.

Ток на каждой фазе трёхфазного автомата должен быть тщательно измерен, после чего нужно перераспределить однофазные нагрузки так, чтобы токи на каждой фазе были приблизительно равными.

Эта работа должна выполняться только профессионалом, имеющим специальное оборудование.

Защита от внешнего перекоса фаз может быть исполнена с помощью стабилизаторов напряжения. На каждую фазу устанавливают определённый стабилизатор. Это будет более эффективно, чем установка одного трёхфазного стабилизатора.

В заключение необходимо подчеркнуть, что перекос фаз может стать причиной повреждения или полного выхода из строя электроприборов. Следовательно, для её устранения необходимо установить стабилизаторы или привлечь профессионалов, которые квалифицированно спроектируют электросеть.

Видео

Смотрите также по этой теме:

   Защита от перенапряжения. Что поможет защитить сеть?

   Источник бесперебойного питания для частного дома.

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

Источник: https://powercoup.by/energosberezhenie/perekos-faz

Нормы на перекос фаз | Электролаборатория

Перекос фаз явление в электротехнике встречающееся довольно часто. Практики хорошо знакомы с ним и знают его последствия. А вот причина негативных его проявлений далеко не всем понятна.

Сначала давайте определимся в терминах.  Речь идет о разнице напряжений, между фазами в трехфазной сети или фазными и нулевым проводником в той же трехфазной цепи. Под перекосом мы будем понимать различие этих напряжений.

Напомним, что любая трехфазная цепь может быть выполнена с «глухо заземлённой нейтралью» либо с «изолированной нейтралью». Первая имеет три фазных проводника и, так называемый, нулевой провод. Вторая только три фазных проводника. Соответственно, потребители в первой цепи могут быть соединены как в треугольник, так и на звезду. Во второй только в треугольник.

В сети 380/220 В с глухо заземлённой нейтралью потребители, в подавляющем большинстве случаев, подключены по схеме «звезда». Это относится как к асинхронным двигателям, так и к «осветительным нагрузкам». О таких случаях мы будем вести речь в дальнейшем. Сделаем одно замечание.

Совет

Сопротивление питающих линий является конечным, носит омический характер и должно учитываться при расчете трехфазной цепи.

Так называемый перекос фаз, является отклонением от нормальной разницы между мгновенными значениями линейных напряжений, либо результатом изменения фазового угла между линейными напряжениями. Последний случай можно исключить из рассмотрения, так как он встречается крайне редко.

Когда мы определились с терминами можно перейти к рассмотрению вопроса по существу. И тут становиться всё просто. Предположим, что все нагрузки у нас осветительные. Под этим термином понимают активные нагрузки, например в виде ламп накаливания.

Ещё, предположим, что к одной из фаз подключено лампочек значительно больше чем к остальным. Токи, протекающие через них, по законам Кирхгофа будут протекать не только через нулевой проводник но, и через других потребителей.

В результате падение напряжения на потребителях других фаз неизбежно вырастет. Это и вызывает перекос фаз.

Все это можно объяснить и через напряжения. Большой ток одной из фаз создает небольшое, но вполне реальное падение напряжения в нулевом проводе. Это напряжение сдвинуто на угол 120о относительно других фаз. Поэтому напряжение, приложенное к их нагрузкам, является суммой фазного напряжения и напряжения на нулевом проводе.

Крайним случаем перекоса фаз является однофазное замыкание на «землю». В этом случае токи короткого замыкания будут протекать и через потребителей, питающихся от двух других фаз что, неизбежно, вызовет перенапряжение в них.

Ещё одним из случаев того же порядка является обрыв нулевого провода. При этом также нарушается баланс токов в нагрузках.

Обратите внимание

Напряжения в сети могут изменяться крайне непредсказуемо, в зависимости от величины  нагрузки на каждую из фаз. Практики знают, что напряжения в бытовых розетках, в этих условиях могут достигать даже линейных значений.

Ещё перекос фаз возникает при обрыве одного из фазных проводников. Такой режим называется неполнофазным.  

В любом случае перекос фаз ведёт к экономическим потерям, связанным с протеканием токов в нулевом проводнике. В теоретических основах электротехники (ТОЭ) для таких расчётов вводят понятия токов прямой, обратной и нулевой последовательностей.

Ещё раз. Существенное увеличение тока одной из фаз трехфазной сети, потребители которой соединены в звезду, незамедлительно ведёт за собой увеличение напряжения на нагрузках других фазных проводов.

При этом напряжение перегруженной фазы относительно нулевого провода понижается. Чем это чревато? У ламп накаливания значительно сокращается срок службы либо светоотдача, у асинхронных двигателей, подключенных к такой сети, ухудшается КПД.

В конце концов, повышенное напряжение может вывести из строя электронные приборы.

Ещё одно негативное явление это появление гармоник высших порядков при питании различных электрических машин от несбалансированной сети. Речь идет о двигателях, трансформаторах и генераторах. Это связанно с процессами, протекающими в их магнитопроводах.

 Гармоники высших порядков часто вызывают сбои в работе электронного оборудования. Поэтому при проектировании электрических сетей необходимо равномерно распределять нагрузки по фазам.

Своды правил по проектированию считают предельным разброс нагрузок в 30% в распределительных щитках, а для вводных распредустройств 15%.

Какие требования предъявляются к перекосу фаз нормативными документами? Основным документом, определяющим качество электроэнергии, является ГОСТ 13109-97. Его требования выражаются в терминах нулевых и обратных последовательностей. Не уверены, что стоит грузить читателя столь сложными материями.

Важно

Конечно, выявить перекос фаз не сложно с помощью простейших приборов не прибегая к посторонней помощи.

Но провести анализ причин перекоса фаз, выработать конкретные рекомендации по его устранению могут только профессиональные специалисты. Наша электролаборатория выполняет любые электротехнические измерения.

Мы прошли государственную аккредитацию и имеем соответствующие документы.  Мы с радостью поможем решить ваши проблемы.

Источник: https://elektrolaboratoriya.com/elektrolaboratoriya-ispytaniya/perekos-faz-kakie-normyi-na-perekos-faz.html

Допустимый перекос фаз, причины возникновения и способы устранения

Это явление, возникающее в трехфазных четырех- и пятипроводных электрических сетях с глухозаземленной нейтралью. Данное состояние сети отличается несимметрией токов и напряжений с разными амплитудами напряжений углами между ними.

Для лучшего понимания и большей наглядности процесса предлагаем сравнить векторные диаграммы напряжений трехфазных сетей. Диаграмма 1 отличается идеальной взаимосвязью линейных и фазных напряжений, на диаграмме 2 хорошо видна несимметрия напряжений сети, т. е. имеет место перекос фаз.

Причины возникновения

В большинстве случаев к этому аварийному режиму приводит неравномерное распределения нагрузки – когда одна или две фазы перегружены. В этом случае высокие токи потребления на них приводят к неизбежному увеличению напряжения на других фазах.

Нередко, причиной несимметрии напряжения сети является неполнофазный режим, опасный не только для нагрузок с питающим напряжением 220 В, но и для трехфазного оборудования. Так, отсутствие одной фазы в линии может привести к возрастанию токов в остальных.

Обрыв нулевого провода. Режим работы линии при отсутствии рабочего нуля (N) можно отнести к разряду неполнофазных. Нарушение соотношений токов нагрузки на в таких случаях неизбежно вызывает изменение фазных напряжений (Uф). Отклонения напряжений зависит от соотношения мощностей нагрузки по фазам. В некоторых случаях Uф может достигать линейных значений (380 В).

Замыкание одной из фаз с рабочей нейтралью (“нулем”) и несработка по каким-либо причинам автомата защиты (неисправность, большая длина участка линии между местом КЗ и автоматом и пр.). В этом случае также происходит увеличение Uф на других проводниках.

Способы устранения

Несомненно, лучшим способом предотвращения несимметрии напряжения является планирование равномерного распределения предполагаемой нагрузки по фазам сети еще на стадии проектирования электроустановки.

Для устранения возникшей несимметрии напряжения в ходе эксплуатации электрической сети производят замеры токов по фазам и перераспределением нагрузок (переключение с более загруженных на менее нагруженные фазы) добиваются равных токов потребления.

В быту для обеспечения допустимого напряжения питания отдельных приборов или их группы нередко используют однофазные стабилизаторы напряжения, в трехфазных сетях – соответственно, трехфазные устройства. 

Совет

Однако, следует учитывать, что выравнивание значения Uф до допустимого с использованием трехфазного стабилизатора неизбежно сопровождается отклонением от нормы на других фазах.

Таким образом, можно говорить об эффективности его использования для предотвращения отклонения напряжения на одной (контролируемой) фазе, но его отклонение от нормы на других может стать вторичной причиной возникновения несимметрии напряжении.

Допустимый перекос фаз

Главным действующим документом, определяющим качество электроэнергии и регламентирующим нормы несимметрии напряжений является ГОСТ 13109-97 (п.п 5.5). Допустимое отклонение соотношений нагрузок, согласно требований СП 31-110 (9.5) – 15% в панелях ВРУ и 30% в распредщитах.

Источник: http://l220.ru/?id=pf

Сергей Никитин.

Устраняем проблемы с электрической сетью

Существует очень много проблем с электрической сетью в частных домах, частые скачки напряжения, перекосы фаз, заниженное напряжение и прочее. В данной статье пойдёт речь как просто и относительно дёшево устранить эту проблему.

Сразу оговорюсь, этим способом можно решить проблему при наличии трёхфазной сети или возможностью подключения к фазному напряжению 380 Вольт. В загородных домах, на дачах, да и в сельской местности, перекос фаз наблюдается более выражено.

При этом может быть выход из строя электроприборов с преобладающей реактивной нагрузкой.

К таким приборам относятся холодильники, вентиляторы, пылесосы, да и любые бытовые приборы и устройства, имеющие трансформаторные источники питания.

Обратите внимание

Что такое “перекос фаз”, я здесь объяснять не буду, кто не в курсе – гугл Вам в помощь, но кто с этим сталкивался, тот уже очень хорошо это знает. И так расскажу одну не большую историю; В одном посёлке, у хорошего моего друга, в частном доме постоянно прыгало напряжение.

Дом был построен большой и ввод напряжения там был трёхфазный, то есть 3х380 Вольт. Естественно вся нагрузка дома была распределена равномерно по фазам, но это на стабильности напряжения никак не отразилось, так как перекос фаз (неравномерная нагрузка по фазам) возникал уже до ввода в дом.

От этого очень часто в доме перегорала бытовая аппаратура, микроволновки меняли почти каждый год, потому что из-за пониженного напряжения магнетрон быстрее терял свою способность греть, да и грел он не очень. На каждой розетке стояли стабилизаторы напряжения, но они не успевали отрабатывать резкие скачки напряжения.

Был в доме даже и бесперебойник с чистой синусоидой на выходе и мощностью 9 кВт!!!!. И вот после долгих уговоров и бесед с другом по решению этой проблемы (а ему советовали специалисты что таким простым способом не решить данную проблему), было принято решение сделать данный проект по устранению последствий перекоса.

Для начала прикинули мощность, которую нужно прокачать, то есть необходимую для обеспечения всего дома. Получилось у нас около 16-18 кВт. Начали для претворения проекта в жизнь, искать необходимый нам трансформатор, сначала конечно же трёхфазный. Нашли готовый ТСЗ-16 380/380, но он стоил на сайте 70-80 т.р.

, а при обращении к продавцу, цена его уже поднималась до 100 т.р., да и его вес был более 100кг.

По этому пришлось попробовать найти однофазные трансформаторы, но уже три штуки. И о чудо, есть такие, называются ОСЗ, а дальше идёт его мощность.

Остановились на 6 кВт, три штуки, 380в на 220 вольт, и стоят они в среднем около 9 т.р. за штуку и весит один трансформатор около 25кг. В той фирме, куда мы обращались, на вопрос – есть ли такие, нам сказали, что намотаем любые и по этой цене.

И так у нас появились три трансформатора однофазных 380/220 вольт и мощностью 6 кВт. Подключил я их все, по ниже приведённой схеме.

Важно

И так, соблюдая фазировку обмоток, соединяем входные обмотки и выходные по схеме. Если есть возможность сделать хорошее заземление, то промышленный «Ноль» можно вообще не использовать, необходимы будут для работы только фазные напряжения.

Вы спросите – что, и всё, проблема будет решена? А всё оказывается очень просто, между фазами напряжение 380 вольт в основном всегда может быть или 380 вольт или только ниже, и никогда не бывает выше, в отличии от линейного напряжения 220 вольт, которое из-за неравномерной нагрузки или не качественного «Ноль» может достигать до 380 вольт.

К тому же, из-за того, что преобразование напряжения происходит у Вас непосредственно в доме, то и токи от подстанции до ввода у вас будут в два раза меньше, следовательно потери напряжения будут в два (почти в два) раза меньше.

Есть трансформаторы с дополнительными отводами, которыми можно переключать напряжение, например зимой когда в сети напряжение занижено его можно приподнять, а летом когда нагрузка меньше его можно приопустить.

С отводами трансформаторы конечно дороже, но конкретно у ТСЗ-6-380/220 (они кстати алюминием намотаны) есть место куда можно 5-8 витков провода обычного одножильного электрического медного 6 кв.мм. без проблем домотать, и это либо добавит либо сбросит вольт 15-24 (в зависимости в какую обмотку Вы их подключите и как сфазируете).

У этого трансформатора один виток почти 3 вольта. В первичную обмотку можно провод и 4 кв.мм подмотать. И будет вам дёшево и удобно. Конструкцию из трансформаторов мы сделали одну для трёх. Трансформаторы сначала были извлечены из своих металлических корпусов и установлены один на другой.

Между ними проложены были две реечки из дерева высотой 10-15 мм, слегка скреплены парой болтов в свои штатные отверстия. Вся эта конструкция была закрыта вертикальным кожухом, который имеет вентиляционные отверстия снизу и сверху.

Кожух желательно делать немножко выше всей конструкции, вентиляционное отверстие снизу в виде щели высотой 5-6 см и шириной почти с сам трансформатор, сверху площадь вентиляционного отверстия должна быть больше нижней, что бы была лучше вентиляция (тяга). Сами катушки при эксплуатации почти не греются, греется само железо, но это сейчас норма. После установки данной конструкции, а их было установлено две, пропали все проблемы с качеством электрической сети, ни бросков, ни провалов при включении микроволновок, электро утюгов и электро чайников. Желаю всем удачи.

 

В трехфазной сети силового кабеля периодически возникает такое явление, как перекос по фазам. Это может привести к значительному падению мощности в электрооборудовании (электродвигателе, трансформаторе) и выходу их из строя. В этой статье мы расскажем, что такое перекос фаз в трехфазной сети, почему происходит это явление и какие имеет последствия.

Вообще перекос по фазам – явление достаточно распространенное. И если оно остается в рамках допустимых значений, указанных в ГОСТ и ПУЭ, то большой беды в этом нет. Так, максимальная разница между токами проводника с наименьшей нагрузкой и токами проводника с наибольшей составляет 30% – это значение в пределах нормы. Для панелей ВРУ оно составляет 15%.

Все в том же ГОСТ указано, что максимальная разница по фазам в обратной последовательности должна составлять 2%.

Почему возникает перекос по фазам

Обратите внимание

Этому есть несколько причин. Основная – неравномерное и несбалансированное распределение фазовой нагрузки, когда одна фаза получает избыточное питание, а две другие, соответственно, недостаточное.

В однофазной сети нагрузка также может меняться, например, при одновременном включении нескольких мощных электроприборов. Тогда мощность сети сразу падает, оборудование перестает работать или же выходит из строя.

Особенно сильно страдают электродвигатели. Диагностировать проблему и узнать, где именно происходит перекос по фазам можно с помощью токоизмерительных клещей.

Трехфазная электрическая сеть имеет заземленную нейтральную жилу, которая выравнивает перекос, если таковой случился. Но если она обрывается, роль нейтральной жилы берет на себя одна из фазовых. И в этом случае на ней будет 380 В, а на других жилах – 127 и меньше.

Негативные последствия перекоса

Негативные последствия перекоса по фазам можно разделить на три типа:

  1. Повреждение электроприборов, вывод их из строя.

  2. Повреждение генераторов и трансформаторов электросети.

  3. Увеличение расходов на эксплуатацию электросети, снижение ее безопасности и надежности.

Из-за того что электроэнергия распределяется по проводникам неравномерно, в электросети значительно увеличивается потребление электричества. Трехфазная сеть, у которой образовалась несимметрия, может снизить срок эксплуатации электроприборов и бытовой техники.

Неравномерное распределение электричества заметно повышает его расход в сети. А вот срок эксплуатации бытовой и цифровой техники наоборот, может снизиться.

Если мы говорим об автономном электрогенераторе, то у него повысится расход топлива, и так же ухудшится надежность.

Как бы то ни было, все эти процессы негативного свойства, и чтобы их избежать, необходимо заранее предпринять меры по защите.

Меры по защите

Первой и одной из наиболее распространенных защитных мер является установка в сеть стабилизатора напряжения. Для установки в трехфазную сеть используются стабилизаторы, состоящие из трех однофазных. Однако нейтрализовать перекос всегда и везде они не могут, поэтому применяются дополнительные меры:

  • правильное проектирование с учетом всех современных правил и требований;
  • применение приборов, которые способны автоматически выравнивать нагрузку;
  • изменение текущей схемы работы электросети, в том числе и изменение мощности потребителей, если это возможно;
  • установка реле контроля фаз и напряжения – устройства, которое автоматически отключит этот элемент электросети при перекосе по фазам.

Перекос фаз в трехфазной сети последствия, дисбаланс напряжения

Причины возникновения

В качестве причины перекоса рассматриваются различные факторы, однако, по общему мнению, специалистов, чаще всего перекос возникает из-за неравномерного и неправильного распределения нагрузки в фазах внутренних электрических сетей. Это означает, что работа одной или двух фаз осуществляется с перегрузкой, а другие фазы в это время находятся под значительно меньшей нагрузкой.

Нередки случаи, когда однофазные потребители оказываются на одной фазе. В результате, причиной перекоса становится большое количество бытовой техники, включенной одновременно. Основными признаками подобного явления считается заметное падение мощности электрических приборов, а иногда их работа вообще прекращается. Обычные лампы накаливания начинают гореть очень тускло, а у люминесцентных ламп начинается мерцание.

Главная опасность таких ситуаций заключается в некорректной работе бытовых приборов и оборудования. Больше всего страдают электродвигатели, установленные во многих устройствах. В некоторых случаях причиной перекоса является обрыв фазы, вызывающий значительное увеличение токов в других фазах. Такой режим работы приводит к перегрузкам оборудования и считается аварийным.

Кроме того, перекос может возникнуть в результате короткого замыкания фазы и нулевого провода. В такой ситуации автоматический выключатель выходит из строя, а между нулем и остальными фазами резко увеличивается напряжение.

Защита и устранение

Для того чтобы предотвратить возникновение перекоса и обеспечить нормальную эксплуатацию трехфазной сети, необходимо привести напряжение на каждой фазе в соответствие с номиналом. Это можно сделать с помощью специальных приборов и устройств, например, используя стабилизатор напряжения. Как правило, это трехфазное устройство, состоящее из трех однофазных приборов, используемое в условиях промышленного производства. Тем не менее, стабилизаторы не способны устранять перекосы, они лишь выравнивают напряжение в каждой фазе.

Иногда они сами становятся причиной неравномерного распределения электроэнергии. Поэтому для борьбы с перекосами разработаны специальные технологии, способные выровнять напряжение между фазами. Среди них наибольшее распространение получили:

  • Использование автоматических устройств, выравнивающих нагрузки.
  • Проектирование электроснабжения на объекте с учетом предполагаемых нагрузок. Эффективное устранение перекоса фаз в трехфазной сети возможно путем тщательного планирования мощностей и расчетов возможных нагрузок с учетом их правильного распределения по фазам.
  • Возможность изменения электрических схем с учетом добавленных мощностей потребителей.
  • Подключение специальных устройств, контролирующих фазное напряжение и отключающих питание в случае перекоса.

В процессе эксплуатации нередко приходится измерять перекос фаз в трехфазной сети. Для этого используются специальные тестеры и по итогам измерений однофазные нагрузки перебрасываются с перегруженных фаз на менее загруженные. Ток на каждой фазе должен тщательно измеряться, чтобы при перераспределении токи каждой фазы были примерно одинаковые.

Существуют нормативы, определяющие допустимый перекос и нормы несимметрии. Так, разница нагрузок в вводно-распределительных устройствах между фазами не должна превышать 15%, а в распределительных щитах – 30%.

Последствия

Всем известно, что перекосы фаз могут вызвать серьезные негативные последствия для трехфазной сети. Заметно увеличивается энергопотребление, электроприборы и оборудование начинает работать неправильно, в их работе происходят сбои, отключения, отказы, перегорают предохранители, изнашивается изоляция. В трехфазных автономных источниках под влиянием неравномерной загрузки фаз возникают механические повреждения подшипников вала и подшипниковых щитов генератора вместе с приводным двигателем.

Все негативные последствия получают довольно широкое распространение и охватывают многие сферы деятельности:

  • Все электроприемники, в том числе приборы, оборудование и другие в значительной степени подвержены повреждениям, отказам, увеличенному износу, снижению сроков эксплуатации.
  • Источники электроэнергии – генераторы также попадают под воздействие перекоса. У них резко возрастает расход топлива и масла, жидкости в системе охлаждения. Повреждается генератор, увеличивается потребление электричества из общей сети.
  • Для потребителей становится опасен электротравматизм, возгорание проводки или приборов. Возрастают расходы, связанные с необходимостью ликвидации негативных последствий.

>способ обнаружения дисбаланса тока и/или напряжения в многофазном электропитании и система для его осуществления

Рисунки к патенту РФ 2202114

Рисунок 1, Рисунок 2 Изобретение в общем имеет отношение к области электронных измерителей энергии, а более конкретно имеет отношение к созданию электронных измерителей энергии для систем обнаружения дисбаланса (нарушения баланса) напряжения и тока при подводе электропитания к измерителю энергии
Децентрализация средств производства электроэнергии создала рынок для устройств, позволяющих осуществлять текущий контроль электроэнергии и контролировать эффективность ее распределения. Раньше потребители энергии имели только встроенные системы, не позволяющие получать некоторую информацию, которую можно считать необходимой для надлежащего контроля электроэнергии, поступающей от электрической подстанции или от множеством подстанций, а также электроэнергии, поступающей к ним, и, кроме того, необходимую для контроля электроэнергии в соответствующих сетях питания. Например, существующие измерительные системы позволяют измерять напряжение или ток только для отдельных фаз многофазной системы электропитания, причем на основании таких измерений определяют, находятся ли параметры такой системы электропитания в заданных пределах (то есть между верхним и нижним пороговыми значениями). Заранее предусмотренные действия, например включение тревожной или предупреждающей сигнализации, предпринимают при превышении соответствующего порога отклонения. Однако такой текущий контроль не позволяет выявлять ситуации, при которых фазы напряжений или токов находятся в заданных индивидуальных пределах фаз, но не являются пропорциональными друг другу. Другими словами, фазы напряжений/токов не проверяют относительно друг друга. Поэтому может возникать некоторый дисбаланс несмотря на то, что каждая фаза не превышает абсолютное предельное значение. Дисбаланс может существовать, например, когда две фазы находятся в верхней части их диапазона тока или напряжения, а одна фаза находится в нижней части своего диапазона. Например, фазы А и В могут иметь 110% их номинальных значений, а фаза С может иметь 90% своей номинальной величины. Каждая фаза может находиться внутри индивидуальных фазовых пределов, однако поступающие по каждой фазе напряжения/токи не равны друг другу (например, может быть проблема с фазой С). Дисбаланс является нежелательным и во многих применениях необходимо поддерживать строго сбалансированные фазовые напряжения или фазовые токи. Однако в известных ранее системах нет индикации фазового напряжения или фазового тока, пока каждая фаза лежит в своих заданных пределах, хотя дисбаланс может существовать. Одна из причин необходимости контроля дисбаланса напряжения и/или тока является экономической, так как дисбаланс может воздействовать на оборудование и процессы и может приводить к сбоям в работе, к прерыванию операций и к повреждению оборудования, а также к другим аномалиям. Более того, в некоторых системах дисбаланс запрещен (например, определение дисбаланса является обязательным в некоторых странах, таких как Индия). Кроме того, потребитель энергии, например предприниматель, теперь имеет возможность выбора своего поставщика энергии и поэтому может иметь необходимость или желание определять качество энергии, предлагаемой данным поставщиком. Аналогично, поставщик энергии должен производить текущий контроль энергии, получаемой потребителями, и обеспечивать отсутствие дисбаланса, чтобы не потерять потребителей. Таким образом, и поставщикам, и потребителям в настоящее время нужны измерительные системы, позволяющие обнаруживать дисбаланс напряжения и тока. Несмотря на то, что область создания измерительных систем и является достаточно развитой, остаются некоторые проблемы, связанные с технологией измерений, в особенности при проведении измерений дисбаланса напряжения и тока при многофазной подаче энергии. Поэтому существует необходимость создания системы и способа, предназначенных для обнаружения дисбаланса, которые позволили бы исключить недостатки существующих устройств. Настоящее изобретение направлено на создание способа обнаружения дисбаланса тока и/или дисбаланса напряжения в многофазном электропитании, поступающем на измеритель энергии. Способ включает в себя следующие операции: измерение значения фазы для каждой фазы электропитания; определение нормализованного значения фазы для каждой фазы; определение верхнего нормализованного значения фазы, соответствующего измеренным значениям фаз; определение отношения нормализованных значений фаз, соответствующего нормализованным значениям фаз; сравнение верхнего нормализованного значения фазы с первым порогом; сравнение отношения нормализованных значений фаз со вторым порогом; и определение наличия дисбаланса при превышении первого порога верхним нормализованным значением фазы и при отношении нормализованных значений фаз, лежащем ниже второго порога. В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, индикатор дисбаланса активизируется при наличии дисбаланса. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, операция определения нормализованного значения фазы для каждой фазы включает в себя операцию определения номинального значения фазы для каждой фазы и операцию деления измеренного значения фазы на номинальное значение. В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, операция определения номинального значения фазы для каждой фазы включает в себя операцию поиска номинального значения фазы для данного типа электропитания в запоминающем устройстве. В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, настоящее изобретение дополнительно включает в себя операцию определения нижнего нормализованного значения фазы, соответствующего измеренным значениям фаз, и операцию определения отношения нормализованных значений фаз, которая включает в себя операцию деления нижнего нормализованного значения фазы на верхнее нормализованное значение фазы. В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, оно включает в себя систему для обнаружения дисбаланса тока и/или дисбаланса напряжения в многофазном электропитании, поступающем на измеритель энергии. Система включает в себя средство для измерения значения фазы для каждой фазы электропитания; средство для определения нормализованного значения фазы для каждой фазы; средство для определения верхнего нормализованного значения фазы, соответствующего измеренным значениям фаз; средство для определения отношения нормализованных значений фаз, соответствующего нормализованным значениям фаз; средство для сравнения верхнего нормализованного значения фазы с первым порогом; средство для сравнения отношения нормализованных значений фаз со вторым порогом; и средство для определения наличия дисбаланса при превышении первого порога верхним нормализованным значением фазы и при отношении нормализованных значений фаз, лежащем ниже второго порога. В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, предусмотрено средство активизации индикатора дисбаланса при наличии дисбаланса. Индикатор дисбаланса преимущественно содержит по меньшей мере один жидкокристаллический индикатор (ЖКИ), журнал регистрации событий, а также релейный выход, который может быть подключен к факультативному соединителю. В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, предусмотрено запоминающее устройство для хранения номинальных значений фаз для данного типа электропитания, а также первого порога и второго порога. Средство для определения номинального значения фазы представляет собой средство поиска номинального значения фазы для данного типа электропитания в запоминающем устройстве. В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, запоминающее устройство представляет собой долговременную память, средство для пределения нормализованного значения фазы для каждой фазы представляет собой интегральную микросхему, а средство для определения наличия дисбаланса представляет собой микроконтроллер. Интегральная микросхема преимущественно включает в себя по меньшей мере один аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и один программируемый цифровой процессор сигналов (ЦП). Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи. На фиг. 1 показана структурная схема, на которой изображены функциональные компоненты примерного измерителя дисбаланса и их подключение в соответствии с настоящим изобретением. На фиг.2 показана схема последовательности операций примерного способа в соответствии с настоящим изобретением. Далее будут описаны со ссылкой на чертежи системы и способы в соответствии с настоящим изобретением, предназначенные для определения дисбаланса напряжения и тока в многофазном электропитании. Специалисты легко поймут, что приведенное со ссылкой на чертежи описание дано только в качестве примера и не предназначено для какого-либо ограничения объема настоящего изобретения. Например, в ходе описания преимущественного варианта осуществления способа и системы обнаружения дисбаланса, для пояснения настоящего изобретения использован примерный измеритель. Однако такой и иные примеры имеют целью только четкое описание способов и систем в соответствии с настоящим изобретением и не предназначены для ограничения изобретения. Более того, в примерных вариантах применения настоящего изобретения указан конкретный электронный измеритель энергии, однако такой измеритель не предназначен для ограничения изобретения, поэтому настоящее изобретение может быть использовано совместно и с другими системами измерения. Настоящее изобретение позволяет производить обнаружение дисбаланса напряжения и тока при измерении многофазного электропитания. При многофазном электропитании, даже если напряжение каждой фазы не превышает абсолютного предела, фазовые напряжения могут иметь дисбаланс друг относительно друга. На фиг. 1 показана структурная схема, на которой изображены функциональные компоненты примерного измерителя дисбаланса и их подключение в соответствии с настоящим изобретением. Данный измеритель дисбаланса описан в находящейся на одновременном рассмотрении заявке РСТ «ENERGY METER WITH POWER QUALITY MONITORING AND DIAGNOSTIC SYSTEMS» («Измеритель энергии с текущим контролем качества электроэнергии и с диагностической системой»), PCT/US97/18547, с датой международной подачи 16 октября 1997. Как это показано на фиг.1, измеритель для трехфазной электрической сети преимущественно включает в себя индикатор жидкокристаллического типа (ЖКИ) 30, измерительную интегральную схему (ИС) 14, которая преимущественно содержит аналого-цифровые преобразователи (АЦП), программируемый цифровой процессор (ЦП) и микроконтроллер 16. Аналоговые сигналы напряжения и тока, которые распространяются по линиям передачи энергии между силовым генератором поставщика электроэнергии и пользователями электрической энергии, измеряются соответственно при помощи делителей напряжения 12А, 12В, 12С и токовых трансформаторов или шунтов 18А, 18В, 18С. Выходные сигналы с делителей напряжения 12А-12С и с токовых трансформаторов 18А-18С, или сигналы измеренного напряжения и тока, поступают на входы измерительной ИС 14. Аналого-цифровые преобразователи в измерительной ИС 14 преобразуют сигналы измеренного напряжения и тока в цифровую форму, соответствующую аналоговым сигналам напряжения и тока. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, аналого-цифровое преобразование проводят в соответствии с описанным в патенте США 5544089 от 6 августа 1996г, выданном на программируемый электрический измеритель с использованием мультиплексных аналого-цифровых преобразователей. Цифровые отображения напряжения и тока затем по интерфейсной (IIС) шине 36 вводят в микроконтроллер 16. Цифровые отображения напряжения и тока используются в микроконтроллере 16 для осуществления измерений дисбаланса и для активизации индикатора или средства тревожной сигнализации после обнаружения дисбаланса. Как измерительная ИС 14, так и микроконтроллер 16 при помощи интерфейсной шины 36 взаимодействуют с одним или с несколькими запоминающими устройствами. Запоминающее устройство, а преимущественно долговременное запоминающее устройство, такое как EEPROM (электрически-стираемое программируемое ПЗУ) 35, используют для хранения номинальных значений фаз напряжения и тока, пороговых данных, а также программ и программных данных. Например, после подачи электропитания, пропадания электропитания или после изменения параметров электропитания избранные данные, которые хранятся в EEPROM 35, могут быть загружены в ЗУПВ (ЗУ с произвольной выборкой) программ или в ЗУПВ данных, объединенное с измерительной ИС 14, как это показано на фиг.1. ЦП под управлением микроконтроллера 16 производит обработку цифровых сигналов напряжения и тока в соответствии с загруженными программами и данными, хранящимися в соответствующих ЗУПВ программ или ЗУПВ данных. Для осуществления измерений дисбаланса микроконтроллер 16 использует информацию как об измеренном напряжении, так и об измеренном токе, поступающую от ЦП. Измерительная ИС 14 производит текущий контроль цифровых сигналов фазового напряжения и фазового тока, например, по двум периодам линии (line cycles), и затем вычисляет практически мгновенное среднеквадратичное действующее значение (RMS) фазовых величин. Следует иметь в виду, что число периодов линии является преимущественно программируемым и для заданных измерений может быть использовано различное число периодов линии. Для каждой фазы А, В и/или С вычисляют фазовые значения, которые затем хранят в регистрах ЗУПВ данных. Микроконтроллер 16 производит поиск данных (опрос) в этих регистрах при помощи интерфейсной шины 36, которые затем поступают на дальнейшую обработку. ЦП в измерительной ИС 14 также управляет потенциальными индикаторами 27, 29 и 31, в качестве которых преимущественно использованы назначенные секции индикатора 30. Эти индикаторы могут быть использованы по отдельности или совместно для индикации дисбаланса напряжения или тока. Пороговые значения, которые используются при определении дисбаланса, преимущественно загружаются от EEPROM 35 в ЗУПВ данных в ИС 14. Компаратор производит необходимые сравнения и вырабатывает высокий уровень на выходе при любом превышении программируемого порогового значении, возникающем при измерении. Потенциальные сигналы фаз А, В и С от ИС 14 подают на микроконтроллер 16, который в свою очередь так управляет потенциальными индикаторами 27, 29 и 31, что потенциальные индикаторы горят (светятся), когда уровни соответствующих потенциальных сигналов высокие. После включения при инсталляции должно быть произведено испытание энергоснабжения для его идентификации и/или проверки. Измеритель может быть предварительно запрограммирован для использования с заданным энергоснабжением, или же он может определять тип энергоснабжения при указанном испытании. В том случае, когда испытание энергоснабжения используют для его идентификации, тогда производят первоначальное определение числа активных элементов. Для этого проверяют напряжение на каждом элементе (то есть на элементах 1, 2 или 3). После идентификации числа элементов многие типы энергоснабжения могут быть удалены из списка возможных типов энергоснабжения. Затем может быть вычислен сдвиг по фазе (фазовый угол) напряжения относительно фазы А, который может быть сравнен с каждым фазовым углом при вращении abc или cba относительно оставшихся возможных типов энергоснабжения, например, в пределах

15o. Если при сравнении фазовых углов найдено применимое энергоснабжение, то напряжение электропитания преимущественно определяют путем сравнения данных RMS измерений напряжения для каждой фазы с номинальными фазовыми напряжениями для идентифицированного электропитания. Если номинальные напряжения для идентифицированного электропитания совпадают с измеренными значениями внутри приемлемого диапазона допусков, то такое энергоснабжение считают приемлемым, после чего преимущественно выводят на индикацию поворот фазы, напряжение электропитания и тип энергоснабжения. Информация относительно энергоснабжения может быть введена в запоминающее устройство, а преимущественно в долговременное запоминающее устройство, такое как EEPROM 35, вручную или автоматически. В том случае, когда тип энергоснабжения известен заранее, то испытание энергоснабжения преимущественно проводят для проверки поступления потенциала фазы на каждый элемент, а также для проверки того, что фазовые углы лежат в диапазоне заданного отклонения от номинальных фазовых углов данного типа энергоснабжения. Также производят измерение напряжений для каждой фазы, которые сравнивают с номинальными напряжениями электропитания, для проверки того, что эти напряжения лежат в диапазоне заданного отклонения от номинальных фазовых напряжений. Если напряжения и фазовые углы находятся внутри заданных диапазонов, то на индикатор измерителя выводят информацию относительно поворота фазы, напряжения электропитания и типа энергоснабжения. Если тип энергоснабжения не найден или если испытание энергоснабжения закончилось неудачей, то на индикатор выводят код системной ошибки, свидетельствующий о нарушении энергоснабжения, после чего могут быть предприняты действия для устранения нарушения. Показанный на фиг.1 измеритель также позволяет производить дистанционное считывание показаний, дистанционный контроль качества электропитания, а также производить перепрограммирование при помощи оптического входа 40 и/или факультативного соединителя 38. При использовании оптического входа 40 используют оптическую связь, однако при использовании соединителя 38 может быть использована и радиосвязь или электронная связь, например, при помощи модема. При обнаружении дисбаланса на индикацию выводится заданный код, свидетельствующий о состоянии нарушения, или активизируется другая предупреждающая или аварийная сигнализация. Однако в том случае, когда отклонение от нормы не связано с конкретной ошибкой, то сигнализация является предупреждающей и ее активизация не приводит к воздействию на работу измерителя. При программировании может быть заложен выбор предупреждающей или аварийной сигнализации при конкретном отклонении от нормы. Индикатор дисбаланса может иметь релейный выход, связанный с факультативным разъемом, таким как соединение 38. Предупреждения и отключения регистрируются в журнале регистрации событий, причем отдельно указывается число событий и суммарное время отклонений от нормы. Может использоваться также журнал происшествий, единственным образом связанный с каждым испытанием электроснабжения. Указанные журналы преимущественно хранятся в запоминающем устройстве, таком как EEPROM 35, показанном на фиг.1. Хранящаяся в указанных журналах информация может быть использована для последующей оценки и диагностики при помощи программного обеспечения вне собственно измерителя. Системы для проведения испытаний дисбаланса в соответствии с настоящим изобретением преимущественно выполнены в виде аппаратно-реализованного программного обеспечения, при этом такие операции (испытания) проводят путем программирования таблиц данных. Однако такая система может быть также выполнена в виде компьютерных программ общего назначения или при помощи аппаратных средств общего назначения, или при их комбинации. На фиг. 2 показана схема последовательности операций примерного способа обнаружения дисбаланса в соответствии с настоящим изобретением. При проведении операции 101 определяют тип электроснабжения в соответствии с приведенным выше описанием, например, автоматически при помощи измерителя или при обращении к памяти внутри измерителя. При проведении операции 105 проводят измерение фазового напряжения или фазового тока для конкретной фазы. При проведении операции 110 определяют номинальное значение фазы. Номинальное значение фазы для каждой фазы каждого типа электропитания преимущественно хранят в долговременной памяти измерителя, такой как EEPROM 35. Оно может быть также рассчитано из номинального значения электропитания, если известно отношение фазового значения к номинальному значению электропитания. В памяти измерителя, такой как EEPROM 35, могут хранится указанные отношения, с использованием которых можно рассчитать каждое фазовое значение. При проведении операции 115 определяют нормализованное фазовое значение путем деления измеренного значения на номинальное значение. Нормализованные фазовые значения используют потому, что в некоторых типах электропитания индивидуальные номинальные фазовые значения не равны друг другу. Например, система 240 В дельта (треугольник) может иметь номинальные фазовые напряжения 120 В, 120 В и 208 В для соответствующих фаз А, В и С. Прямое сравнение фазы А с фазой С дает такую большую величину, что меньшие отклонения между фазами А и В могут показаться несущественными. Эта проблема решена за счет деления каждого измеренного фазового значения на его номинальное фазовое значение, в результате чего получают нормализованное фазовое, значение для каждой фазы. После нормализации фазовых напряжений могут быть произведены имеющие смысл сравнения фаз. Операции 105-115 повторяют для каждой фазы. После определения нормализованных фазовых значений для каждой фазы, при проведении операции 120 определяют верхнее нормализованное фазовое значение и нижнее нормализованное фазовое значение для набора фаз, которые были измерены. При проведении операции 125 определяют значение фазового отношения самого низкого нормализованного значения к самому высокому нормализованному значению. При проведении операции 130 самое высокое нормализованное фазовое значение сравнивают с первым заданным порогом. Если самое высокое нормализованное фазовое значение не превышает первый порог, то при проведении операции 135 находят, что дисбаланса нет, и переходят к проведению операции 160. Если самое высокое нормализованное фазовое значение превышает первый порог, то тогда при проведении операции 140 производят сравнение отношения, полученного при проведении операции 125, со вторым заданным пороговым значением. Если указанное отношение не меньше второго порога, то при проведении операции 145 находят, что дисбаланса нет и переходят к проведению операции 160. Если указанное отношение меньше второго порога, то тогда при проведении операции 150 определяют наличие дисбаланса, при этом индикатор активизируется и на нем появляется сообщение. После этого переходят к проведению операции 160. Следует иметь в виду, что номера порогов не имеют размерности и что они могут быть применены ко всем типам электропитания (например, диапазон номеров порогов выбран от 0 до 1 потому, что измерения нормализованы для каждого типа электропитания), причем эти номера преимущественно хранятся в памяти измерителя, например в EEPROM 35. Таким образом, дисбаланс существует в том случае, когда абсолютное значение отношения самого низкого нормализованного фазового значения электропитания к самому высокому нормализованному фазовому значению электропитания меньше чем заданное пороговое отношение. Более того, самое высокое нормализованное фазовое значение электропитания используют в качестве квалификатора дисбаланса. Если самое высокое нормализованное фазовое значение электропитания превышает заданный порог, то производят определение и проверку отношения. Если дисбаланс есть, то активизируют индикатор. Процесс в соответствии с фиг.2 может быть использован для обнаружения дисбаланса фазового тока и для обнаружения дисбаланса фазового напряжения. Следует иметь в виду, что дисбаланс фазового тока может существовать без дисбаланса фазового напряжения, и наоборот. Проверки для обнаружения дисбаланса фазового тока и дисбаланса фазового напряжения проводят при различных условиях, поэтому они могут быть выполнены независимо друг от друга. Несмотря на то, что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки приведенной далее формулы изобретения.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ обнаружения дисбаланса тока и/или дисбаланса напряжения в многофазном электропитании, поступающем на измеритель энергии, отличающийся тем, что он включает в себя измерение фазового значения для каждой фазы многофазного электропитания, определение нормализованного фазового значения для каждой фазы, определение верхнего нормализованного фазового значения, соответствующего измеренным фазовым значениям, определение отношения нормализованных фазовых значений, соответствующего нормализованным фазовым значениям, сравнение верхнего нормализованного фазового значения с первым порогом, сравнение отношения нормализованных фазовых значений со вторым порогом и определение наличия дисбаланса при превышении первого порога верхним нормализованным фазовым значением и при отношении нормализованных фазовых значений, лежащем ниже второго порога. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя операцию активизации индикатора дисбаланса при наличии дисбаланса. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что операция определения нормализованного фазового значения для каждой фазы включает в себя операции определения номинального фазового значения для каждой фазы и операцию деления измеренного фазового значения на номинальное значение. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что операция определения номинального фазового значения включает в себя операцию поиска номинального фазового значения для данного типа электропитания в запоминающем устройстве. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя операцию определения нижнего нормализованного фазового значения, соответствующего измеренным фазовым значениям, причем операция определения отношения нормализованных фазовых значений включает в себя операцию деления нижнего нормализованного фазового значения на верхнее нормализованное фазовое значение. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанным фазовым значением является фазовое напряжение, а указанным дисбалансом является дисбаланс напряжения. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанным фазовым значением является фазовый ток, а указанным дисбалансом является дисбаланс тока. 8. Система для обнаружения дисбаланса тока и/или дисбаланса напряжения в многофазном электропитании, включающая в себя средство для измерения фазового значения тока и/или напряжения для каждой фазы многофазного электропитания, средство для определения нормализованного фазового значения для каждой фазы путем деления измеренного фазового значения на номинальное значение, с определением при этом верхнего нормализованного фазового значения и отношения нормализованных фазовых значений; средство для сравнения верхнего нормализованного фазового значения и отношения нормализованных фазовых значений с пороговыми значениями с определением при этом наличия дисбаланса при превышении порогового значения верхним нормализованным фазовым значением и при отношении нормализованных фазовых значений, лежащем ниже порогового значения. 9. Система по п.8, отличающаяся тем, что она дополнительно включает в себя средство активизации индикатора дисбаланса при наличии дисбаланса. 10. Система по п.8, отличающаяся тем, что индикатор дисбаланса преимущественно содержит по меньшей мере один жидкокристаллический индикатор, реле, а также журнал регистрации. 11. Система по п.8, отличающаяся тем, что средство для определения нормализованного фазового значения для каждой фазы включает в себя средство для определения номинального фазового значения для каждой фазы, а также средство для деления измеренного фазового значения на номинальное значение. 12. Система по п.11, отличающаяся тем, что она дополнительно включает в себя запоминающее устройство для хранения номинальных фазовых значений для данного типа электропитания, а также указанных пороговых значений, причем средство для определения номинального фазового значения представляет собой средство поиска номинального фазового значения для данного типа электропитания в запоминающем устройстве. 13. Система по п. 12, отличающаяся тем, что запоминающее устройство представляет собой долговременное запоминающее устройство. 14. Система по п.8, отличающаяся тем, что она дополнительно включает в себя средство для определения нижнего нормализованного фазового значения, соответствующего измеренным значениям фаз, причем средство для определения отношения нормализованных фазовых значений включает в себя средство для деления нижнего нормализованного фазового значения на верхнее нормализованное фазовое значение. 15. Система по п.8, отличающаяся тем, что средство для определения нормализованного фазового значения для каждой фазы представляет собой интегральную микросхему. 16. Система по п.15, отличающаяся тем, что интегральная микросхема преимущественно включает в себя по меньшей мере один аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и один программируемый цифровой процессор сигналов (ЦП). 17. Система по п.8, отличающаяся тем, что средство для определения наличия дисбаланса представляет собой микроконтроллер. 18. Система по п.8, отличающаяся тем, что указанным фазовым значением является фазовое напряжение, а указанным дисбалансом является дисбаланс напряжения. 19. Система по п.8, отличающаяся тем, что указанным фазовым значением является фазовый ток, а указанным дисбалансом является дисбаланс тока.

Одним из выдающихся благ цивилизации является электричество. Благодаря тому, что это открытие в наше время так распространено, жизнь общества в целом, и каждого человека в отдельности, значительно упростилась и стала более комфортной.

Вместе с тем, время от времени, в электросети могут возникать трудности, требующие решения. Одной из проблем многих частных владений, общественных заведений и производственных мощностей является перекос фаз.

Что это такое, и как его исправить?

Что такое перекос фаз: Перекос фаз – это состояние электрической сети, при котором одна или две из трех фаз нагружены сильнее, чем остальные. При этом наблюдается значительное снижение мощности трехфазных электрических приборов, преимущественно двигателей и трансформаторов. Но это, что касается промышленных сетей.

В бытовых условиях перекос наблюдается более выражено, при этом может даже возникать риск выхода из строя электроприборов с преобладающей реактивной нагрузкой. К таким относятся компрессоры холодильников, вентиляторы, приборы с простыми силовыми трансформаторными источниками питания. То все то, что не имеет четкой гальванической развязки с сетью и схему защиты от перенапряжений и просадок.

Следует отметить, что существуют разные виды перекоса в электросети. В зависимости от типа проблемы, выбирается наиболее оптимальный способ ее решения. Остановимся на наиболее распространенной и, в то же время, самой простой ситуации – перекос фаз, вызванный неравномерным распределением внутрисетевой нагрузки.

Большинство сетей являются трехфазными. Если в них нагрузка распределена неравномерно, в следствии чего одна или две фазы перегружены, а третья (или же две) недогружена, происходит перекос. На практике это может выглядеть следующим образом: подавляющее большинство однофазных нагрузок питаются от одной фазы, тогда как остальные могут быть вовсе не задействованы либо использоваться по минимуму.

Наиболее часто встречаются ситуации неисправности, в которых при подключении электропитания к трансформаторам не учитывается их потребляемая мощность. Таким образом, бывает, что физически фазы имеют приблизительно одинаковое количество подключений, но вот потребляемая этими подключениями мощность существенно отличается.

Сосредоточие на одной из фаз приборов с высоким потреблением электричества неизбежно вызывает неравномерную нагрузку между фазами. То же самое можно сказать и об общественных и промышленных объектах – во всех случаях очень важно следить за равномерным распределением нагрузки между имеющимися фазами, это позволит предотвратить возникновение сложностей.

Что же собой представляет перекос фаз с точки зрения электротехники?

Трехфазную электрическую сеть в идеале можно представить равносторонним треугольником с нейтральной точкой в его середине. Он отражает работу силового трансформатора на подстанции, которая установлена в каждом микрорайоне города и предназначена для равномерного распределения электричества по всем потребителям. Стороны этого треугольника – это векторные линии, соединяющие его вершины. Обозначив вершины точками A, B, C и нейтралью N, можно составить таблицу напряжений и зависимость между ними:

AB=BC=CA=380 В;

AN=BN=CN=220 В.

При этом напряжения AB, BC, CA в 1,73 раза больше напряжений AN, BN, CN.

Идеальный трехфазный генератор, который обычно используется для питания всех бытовых приборов и промышленных сетей, должен обеспечивать эти уровни напряжений в широком диапазоне нагрузок.

Чем опасен перекос фаз.

Во время перекоса наблюдается неравномерная нагрузка на фазы – на задействованной напряжение падает ниже нормы, тогда как недогруженная фаза испытывает скачок напряжения, превышающий допустимые показатели. Результаты такого положения могут быть плачевными для многих электроприборов. Это вызвано тем, что отдельный прибор может либо недополучать требующейся мощности, либо получать ее в избытке. Особенно такое положение опасно для приборов, потребляющих много энергии: двигателей для ворот, насосов, оборудования, использующегося в бассейнах и при поливе.

Вернемся: как исправит проблему с перекосом фаз?

Предотвратить негативные последствия для оборудования от перекоса между фазами позволяет трехфазный автомат. Если мощность в одной фазе превышаю предусмотренную нагрузку, автоматически отключается электричество во всем доме/линии. Это не является решением ситуации, потому что лишь подобный подход не позволяет использовать всю доступную мощность. К примеру, при трехфазном автомате на 16А, при превышении нагрузки на одной фазе 16А – система отключится, но это не позволяет полностью использовать всю возможную мощность 48А (16Х3).

Идеальным вариантом является планирование всех мощностей на начальном этапе проектирования здания, таким образом можно равномерно распределить напряжение между всеми фазами, предотвратив тем самым перекос. Если же здание уже сдано в эксплуатацию – можно замерить напряжение на каждой фазе в отдельности, для этого используется вольтметр, и при необходимости осуществить перераспределение.

Реальные рабочие условия

При стандартном распределении на дом с тремя подъездами обычно одна фаза используется для питания одного подъезда, вторая для второго и третья, соответственно, для третьего. Это позволяет равномерно нагрузить развязывающий понижающий трансформатор на подстанции и обеспечить ему оптимальные режимы работы. Но это справедливо, только если нагрузка примерно одинакова, притом как в активной, так и реактивной составляющей.

Но, к сожалению, потребителю не объяснишь, что необходимо придерживаться норм расхода электричества, а если рассматривать сельскую местность, то многие умельцы в сеть подключают очень большую активную нагрузку, что существенно ухудшает условия работы трансформатора на подстанции. Через одно плечо начинает течь больший ток, чем через остальные, тем самым разогревая магнитопровод, а это приводит к возникновению в нем паразитных вихревых токов, нарушающих режим работы источника еще сильнее.

Допустимый перекос фазы

www.proektant.kz > Статьи > Электроснабжение >

Очень часто возникает ситуация, когда при трехфазном напряжении возникает неравномерная нагрузка, когда две фазы работают с перегрузкой, а последняя загружена очень слабо. В этом случае, должен соблюдаться допустимый перекос фаз, иначе может возникнуть аварийная ситуация. Чаще всего это происходить в электрощитах, где подключено трехфазное питание. При этом, большинство однофазных нагрузок могут быть подключены к одной из фаз.

Принцип перекоса

Часто одна фаза бывает загружена мощными электрическими приборами, в другой подключенная нагрузка совершенно слабая. Третья вообще может не иметь нагрузки. Такая ситуация нередко возникает в дачных поселках, когда на одной линии может находиться большое количество домов. В этом случае, бытовые приборы начинают плохо работать, а освещение становится мигающим и тусклым.

Данная неравномерная нагрузка получила название перекоса фаз. При перегрузке одной фазы, в ней резко падает напряжение, а в недогруженной фазе напряжение, наоборот, повышается больше номинального. В результате, однофазные бытовые приборы могут недополучить необходимое напряжение, или получить его больше, чем это необходимо. В любом случае, ситуацию необходимо исправлять, поскольку она может вызвать неправильную работу приборов или их полный выход из строя.

Особенно это касается трехфазных электродвигателей, которые используются в различном оборудовании. Для них перекос просто опасен, поскольку приводит к немедленной поломке.

Ситуация с неправильной работой фаз нередко вызывает срабатывание трехфазных автоматов. Это происходит, когда одна фаза начинает испытывать существенные перегрузки. Обычно, отключается общий входной автомат, установленный для всего дома. Таким образом, при наличии больших потенциальных запасов, происходит перегрузка электрической сети.

Как избежать перекос фазы

Для того, чтобы избежать неприятных последствий, необходимо, в первую очередь, соблюдать допустимый перекос. Хотя, в действительности, этой ситуации необходимо полностью избегать и делать правильные предварительные расчеты еще во время планирования и распределения всех электрических мощностей. Такие расчеты заранее делаются в специальном проекте, отражающем электрическую часть. После, уже во время эксплуатации, необходимо проверять состояние тока и своевременно перебрасывать нагрузки между фазами. Такие проверки производятся с помощью специального тестера, квалифицированным специалистом-электриком.

Эти работы достаточно сложные, поскольку в данной ситуации производится переборка электрического щита с целью выравнивания тока. Для защиты от внешнего перекоса, на каждую фазу устанавливается собственный стабилизатор напряжения.

Что такое перекос фаз: его допустимые значения

Перекос фаз – это такое состояние электросети, где ода или же две из них перезагружены больше остальных, а третья недогружена. Многие электрические сети, в которых случается эта проблема, являются, как правило, трехфазными, четырех и пяти. Если распределение нагрузки между фазами одинаково (асимметрия) и напряжение составляет 220 В по току, то тогда электрическая сеть будет работать надлежащим образом.

При наблюдении перекоса в промышленных сетях, мощность трехфазных приборов будет существенно снижаться. В быту, эта проблема проявится выходом из строя многих электроприборов: компрессор холодильника, силовой трансформаторный источник питания, вентилятор.

Качество электроэнергии имеет свои допустимые нормы и значения, которые непосредственно можно узнать, просмотрев специальные ГОСТы и соответствующие ПУЭ.

Допустимое значение и нормы:

  • Соотношение тока между проводниками недогруженным и перегруженным не должно превышать 30 %;
  • В ВРУ панелях, это же соотношение составляет 15 %;
  • По обратной последовательности допустимым перекосом считается 2 %;
  • По нулевой фазе – 4 %.

Неравномерная расфазировка напряжения в трехфазной сети приводит к перекосу фаз. А это в свою очередь грозит неисправностью прибора и даже его выходом из строя. Особенно часто происходят поломки в их электродвигателях. Бороться с этой проблемой обязательно нужно, а лучше вовсе ее устранить.

Перекос напряжения по фазам: причины и признаки его возникновения

Перекос фаз может возникнуть от нескольких причин. Одной и самой главной является – неправильное распределение нагрузки. Например, все приборы, работающие от электричества и потребляющие много энергии, подключены к одной розетки, а остальные остаются свободными.

Еще одна немаловажная причина, способствующая перекосу напряжения – это обрыв нуля. Нулевой провод в трехфазной сети имеет особое значение, а именно, он является балансиром фаз. Если происходит его обрыв, то функцию начинает выполнять провод, который наименее нагружен, а напряжение в сети понижается до 127 В.

Какое бы нестабильное явление электроэнергии не было выявлено, нужно сразу же отключить все приборы из сети. И уже после этого приступить к выявлению каких-либо его признаков.

Признаки нестабильности, вызванные перекосом:

  • Лампы дневного света, а так же энергосберегающие светильники начали мерцать;
  • Обыкновенные лампочки тускнеют или же, наоборот, светят очень ярко;
  • Перестали работать все электрические приборы: не включается микроволновка или телевизор, отключился утюг, стиральная машина;
  • Нагрелся выключатель;
  • Искрит розетка с явным потрескиванием или характерными щелчками;
  • Сработала защита, выключились автоматы;
  • Щелчки в щитке.

Какими бы не были причины перекоса, нужно знать его признаки и уметь их выявить. Все они свидетельствуют об аварии, которая произошла на линии. Если вы не обладаете существенными познаниями в электрике, тогда лучше вызвать специалиста, так как самостоятельное устранение неполадок может быть опасным для жизни.

Чем грозит перекос фаз: его опасность и последствия

Перекос фаз в электросети может повлечь за собой негативные последствия, которые опасны не только для приборов, но и самого потребителя. Чтобы не случилось таковых моментов, нужно все тщательно продумывать заранее и вовремя предпринимать защитные меры.

Из-за неравномерной нагрузки на фазы может произойти серьезное нарушение в электроснабжении, а они в свою очередь приведут к возгоранию проводки или самих приборов, различным травмам.

Сколько бы последствий не возникло, их нужно будет исправить, а это повлечет за собой больших затрат не только денежных, но и электрических.

Три группы негативных моментов:

  • Электрические приемники. Придут в негодность или будут повреждены бытовые приборы и оборудование.
  • Источники электроэнергии. Механические воздействия и уменьшение эксплуатационного срока окажут большой вред. Значительно увеличиться потребление электроэнергии.
  • Потребители. Расход на электроэнергию существенно увеличиться, возникнет необходимость в ремонте приборов, возможны травмы.

Избежать всего этого можно очень просто, нужно хорошенько все спланировать и грамотно распределить все нагрузки напряжения по фазам.

Защита от перекоса фаз: популярные способы

Чтобы в частном доме или городской квартире не возникло проблем с электричеством нужно изначально воспользоваться услугами профессионального электрика. Он не только грамотно спланирует все электроснабжение жилья, но и выполнит правильное распределение всех задействованных приборов.

Для симметричной и правильной работы электрической сети принято устанавливать специальные приборы. Прибор, который выравнивает напряжение в каждой отельной цепи, называется стабилизатор. Такой стабилизатор способен защитить технику и разные электрические приборы от перебоев серьезных нарушений в сети.

Каждый электрик может дать рекомендации, как предотвратить перекосы фаз, подсказать несколько способов и проконсультировать, что случиться, если их не соблюдать.

Способы защиты трехфазной электросети от несимметрии:

  • Грамотно составить проект по электроснабжению, с учетом всех дополнительных нагрузок;
  • Использовать автоматический выравниватель;
  • По необходимости нужно изменить саму схему электрической сети, спроектированную ранее;
  • Сменить мощность потребителей;
  • Установить необычное реле контроля фаз, которое сможет отключить питание.

Сегодня на современном рынке можно найти и приобрести специальный счетчик, который оснащен индикатором. Это небольшое устройство способно проконтролировать и показать то напряжение, которое есть в сети. Так же можно установить стабилизатор на вход в дом, который делает ток стабильным и показывает его значения.

Сильно перекошенное соотношение ток-фаза в джозефсоновских переходах сверхпроводник-топологический изолятор-сверхпроводник

В этом разделе мы вводим теоретическую модель, основанную на индуцированной сверхпроводимости в спин-спиральных поверхностных состояниях ТИ. Наша модель основывается на существующей модели, предложенной Фу и Кейном 3 , и адаптирует ее к системам, изучаемым в настоящем эксперименте. В частности, он учитывает конечный размер сверхпроводящих контактов, а также чешуйки TI.Поскольку сверхпроводящие (Nb) контакты в нашем случае имеют ширину всего 300 нм (значение, сравнимое с ожидаемой длиной когерентности ξ  =  ħv F / 0  m) не может предполагать существование АБС (заключенной внутри перехода), но вместо этого следует предположить, что волновая функция поверхностного состояния распространяется по всей окружности образца (см. рис. 4а). Обозначим окружность C x и определить продольную координату x , чтобы быть в диапазоне — C x /2 ≤ x x x 2.Примем гамильтониан Фу и Кейна 3 и возьмем амплитуду спаривания как кусочно-постоянную функцию x следующим образом: 2) Для L /2 < x < L /2 + B , δ 0 EXP (- /2) для — L / 2- B < x  < − L /2 и ноль в противном случае. Здесь L и b — расстояние и ширина контактов соответственно.Волновая функция подчиняется антипериодическим граничным условиям в x . 36 В этой простой модели предполагается, что система трансляционно-инвариантна в направлении y , поэтому волновая функция зависит от y как exp( ik y y ) для некоторого k 0 0 0 0 0 0 у . Это делает проблему фактически одномерной.

Рис. 4: Теоретическая модель.

a Схематическое изображение перехода Джозефсона на основе TI в нашей теоретической модели.Мы предполагаем, что волновые функции TSS распространяются по всей окружности TI, как показано черным кружком на этом рисунке. Амплитуда сопряжения δ — это кусочная постоянная функция x , следующим образом: δ ( δ 0 EXP (/2) для L /2 < X < L /2 + B /2 + B , δ 0 EXP (- /2) Для — L /2 -B /2 -B < L /2 , и ноль в противном случае. b Энергетический спектр (энергия E по сравнению с фазой φ ) мод с С красным) и параметрами ( л = 100 нм, B = 300 нм, C x = 6 мкм, δ 0 = 0,3 МэВ, μ ‘= 50 МэВ, и ħv F  = 1 эВ Å) образца А.2}\), а v F — скорость Ферми ТСС. Выберем два диапазона k x , каждый из которых состоит из j  = 60–200 значений, один диапазон около k ′, а другой симметрично ему около − k ′ в виде Ψ разложение Фурье по соответствующему набору плоских волн. Компоненты Ψ с разными значениями k x связаны преобразованием Фурье амплитуды спаривания Δ ( x ).{ — \frac{{E_n\left(\varphi \right)}}{{k_{\mathrm{B}}T}}}} \ справа],$$

(2)

, а ток получается как \(I(\varphi) = \left({\frac{{2{e}}}{\hbar}} \right)\frac{{{\mathrm {d}}F }}{{{\ mathrm {d}}\varphi}}\).При увеличении количества k x (или j ), участвующих в расширении, F ( φ ) страдает от ультрафиолетовой расходимости, а ток — нет. Чтобы вычислить конечные температурные свойства, мы заменим Δ 0 выше на T -зависимую сверхпроводящую щель Δ ( T ), смоделированную с использованием самосогласованного уравнения БКШ. 39

Энергетический спектр (± E n vs. φ ) для образца А для мод с k y  = 0 и энергиями внутри щели, | E n | ≤  Δ 0 показано на рис. 4б. Интересно, что мы наблюдаем моды с энергиями намного меньшими, чем Δ 0 , которые распространяются на весь диапазон φ , см.\prime = \frac{{2{\ uppi}}}{{C_x}}\left( {n + \frac{1}{2}} \right),$$

(3)

, где n  ≥ 0 — целое число.Когда Δ 0  > 0, эти состояния разнесены примерно на 2 0 / C x . Для образца А с C x  ~ 6 мкм и шириной контакта b  ~ 300 нм это составляет около 0,1 Δ 0 . Важно отметить, что эти низкоэнергетические состояния существуют для всего диапазона фаз 0 ≤  φ  ≤ 2 π , в отличие, например, от случая обычного баллистического перехода (теория Кулика–Омельянчука 40 ), где минимальная энергия возбуждения остается порядка Δ 0 за исключением узкой окрестности φ  =  π .

Для данного μ условие (3) будет выполняться лучше для одних k y , чем для других. На практике трансляционная инвариантность в направлении y неточна, поэтому k y не является точным квантовым числом. Тем не менее, из-за большого размера чешуйки ТИ в поперечном ( y ) направлении интервал квантования для k y мал, поэтому, если только µ не является исключительно близким к нулю, мы ожидаем, что там будет значительное количество режимов, для которых уравнение.(3) выполняется с хорошей точностью. Поэтому мы принимаем простую модель, в которой мы вычисляем сверхток только для k y  = 0 и умножаем результат на эффективное число поперечных каналов N ch , чтобы учесть вклад всех мод . Мы определяем N ch путем сопоставления общих величин экспериментальных и расчетных критических токов. Мы находим N CH ~ 19 и N CH ~ 46 для образца A при В г = 0 В и образец B при В г = 30 В соответственно.Роль химического потенциала в этой эффективно одномерной модели играет величина µ ‘ =  ħv F k ’, которая теперь рассматривается как параметр. Он отличается от истинного химического потенциала μ , полученного из напряжения на затворе с использованием g}}}}{{e}}\left( {V_{\mathrm{g}} — V_{{\mathrm{CNP}}}} \right)}\), где e — заряд электрона и C г  = 12 нФ см −2 — емкость параллельных пластин на единицу площади 300-нм SiO 2 .

Рассчитанный CPR для образца A построен сплошными кривыми на рис. 2а, где наблюдается отличное совпадение с измеренными данными. Синяя кривая на рис. 2в представляет собой БПФ, рассчитанный для теоретического CPR (в диапазоне −10 π  <  φ  < 10 π и при Тл  = 20 мК) идеально баллистически короткого перехода: 90 0 35,41

$$I(\phi) = \Delta (T){\mathrm{sin}}\left({\frac{\varphi}{2}} \right){\mathrm{tanh}} \left ( {\ frac {{\ Delta \ left ( T \ right) {\ mathrm {cos}} \ left ( {\ frac {\ varphi} {2}} \ right)}} {{2k _ {\ mathrm { B}}T}}} \справа),$$

(4)

где Δ ( T ) — температурно-зависимая сверхпроводящая щель перехода, полученная из теории БКШ. 39 Примечательно, что экспериментально наблюдаемое A 2 / A 1 на рис. 2c находится в пределах 3% от предсказанного для полностью баллистического соединения (синяя кривая), а THD = 0,46, извлеченный из наших измеренных CPR при Тл  = 20 мК находится в пределах 20% от теоретического баллистического предела (THD = 0,55), что указывает на то, что образец А является почти баллистическим. Черная кривая на рис. 2c показывает БПФ CPR, рассчитанный с использованием нашей теоретической модели (рис. 4). Мы видим, что БПФ CPR, рассчитанный с использованием нашей модели, находится в разумном согласии с FFT измеренного CPR.Напротив, идеально баллистическая модель (синяя кривая) заметно переоценивает высшие гармоники ( A 3 и выше). Вычисленное значение CPR для образца B представлено пунктирными кривыми на рис. 3а при двух различных значениях В г . Теоретические расчеты проводились при мк ′ = 0 и 50 мэВ соответственно. В то время как теоретическая CPR хорошо согласуется с экспериментом для В г  = 30 В, мы видим отклонение между теорией и экспериментом для В г  = 0 В.Образец B намного тоньше ( t  ~ 13 нм), чем образец A ( t  ~ 40 нм). Когда TI становится достаточно тонким, в TSS вблизи точки Дирака может образоваться щель из-за гибридизации верхних и нижних поверхностных состояний. Этот зазор приводит к тому, что TI превращается в тривиальный изолятор. Кроме того, вблизи ЦНЧ имеются электронно-дырочные лужи и зарядовая неоднородность. Следовательно, транспорт может быть более диффузионным, т. е. ЦПР более синусоидальным, близким к ЦНП из-за эффектов беспорядка и гибридизации.Такие эффекты не учитываются в нашей теории и могут быть причиной расхождений между рассчитанным и измеренным CPR при В г  = 0 В в образце B. и подвергались аналогичным процессам изготовления, различия между образцами могут все еще присутствовать и играть роль в наблюдаемых различиях между CPR образцов A и B.

мы также наблюдали свидетельство того, что сверхпроводимость индуцируется в TSS, мы наблюдаем только синусоидальную CPR.Возможной причиной этого является гораздо меньший поперечный размер ( C y ) TINR по сравнению с чешуйками, использованными в настоящей работе. Как следствие, k y квантуется в более крупных единицах (т. е. 2 π / C y ), и условие (3) выполняется с трудом. По сути, небольшой поперечный размер создает щель в спектре TSS, предотвращая появление низкоэнергетических состояний и делая CPR более синусоидальным при наших экспериментальных температурах. 28 Аналогичное объяснение может быть актуальным и для образца B настоящей статьи вблизи CNP.

Наконец, отметим, что о несинусоидальном CPR ранее сообщалось в исх. 18 Однако наблюдаемые CPR в наших хлопьях TI более искажены. Более того, наши хлопья TI более разупорядочены по сравнению с квантовыми ямами HgTe исх. 18 Например, перенос в нормальном состоянии в образцах HgTe показывает подвижность до 10 000–40 000 см 2  В −1  с −1 , 17 ~1000 см 2  В −1  с −1 . 29 Таким образом, наблюдаемая асимметричная CPR и лежащий в ее основе баллистический сверхпроводящий транспорт в наших неупорядоченных хлопьях TI убедительно свидетельствуют о топологической защите мод с k y вблизи нуля. Это также подтверждается тем фактом, что в наших ранее изученных соединениях, основанных на TINR, 28 , где такая «топология» изменена (поскольку точка Дирака становится щелевой, удаляя моды k y  ~ 0 и обратное рассеяние теперь разрешено для остальных мод с конечными k y ), наблюдаемая CPR становится синусоидальной (исчезает асимметрия).

В заключение мы измерили CPR, одно из фундаментальных свойств ДП, в ДП на основе топологического изолятора BiSbTeSe 2 с использованием асимметричного СКВИД-метода. Мы наблюдали сильно смещенную вперед CPR, что указывает на то, что транспорт через TSS соединения TI был близок к баллистическому. Также были изучены зависимость CPR от температуры и затвора, где мы наблюдали, что CPR становился более синусоидальным при высоких температурах ( T  ~ 1,3 K) и был близок к CNP.Уменьшение асимметрии вблизи CNP указывало на диффузионный перенос и было связано с существованием электронно-дырочных луж и зарядовой неоднородностью в очень тонком ТИ. Кроме того, нами была разработана теоретическая модель, учитывающая индуцированную сверхпроводимость в спин-винтовой ТСП ТИ. В нашей модели предполагалось, что поверхностные состояния могут распространяться по всей окружности ТИ. Предсказанная асимметрия CPR и зависимость от температуры соответствовали нашим экспериментальным наблюдениям.В целом, эксперимент и теория указывают на надежные характеристики, которые делают нашу систему TI отличным кандидатом для наблюдения за топологической сверхпроводимостью и MBS.

(PDF) Быстрый метод моделирования перекоса и его эффектов в синхронных генераторах с явно выраженными полюсами

IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS

[9] S. M. Hwang, J. B. Eom, Y. H. Jung, D. W. Lee, and B. S. Kang, «Различные методы проектирования для уменьшения крутящего момента за счет управления изменением энергии

в двигателях с постоянными магнитами», IEEE Trans.Маг., вып.

37, нет. 4, стр. 2806–2809, июль 2001 г.

[10] Chu W Q, Zhu Z Q., «Исследование пульсаций крутящего момента в синхронных машинах с постоянным магнитом

с перекосом [J]», IEEE Trans. Magn.,

2013, 49(3):1211 — 1220.

[11] Летелье А.Б.;. Гонсалес, Д.А.; Тапиа, Дж. А.; Уоллес, Р.Р., и

Валенсуэла, Массачусетс, «Уменьшение крутящего момента в машине с осевым потоком PM

за счет смещения и перекоса паза статора», IEEE Trans.инд.

Заявл., том. 43, нет. 3, май/июнь 2007 г., стр. 685–693.

[12] В. Фей и З. К. Чжу, «Сравнение снижения крутящего момента в бесщеточных машинах с постоянными магнитами

с помощью обычных методов перекоса

и метода перекоса в виде елочки», IEEE Trans. Energy Convers., vol. 28, нет. 3, стр.

664–674, сентябрь 2013 г.

[13] Р. Латеб, Н. Такорабет и Ф. Мейбоди-Табар, «Влияние сегментации магнита

на зубчатый крутящий момент в постоянных поверхностных — Электродвигатели с магнитным приводом

», IEEE Trans.Маг., вып. 42, нет. 3, стр. 442–445, март

2006.

. IEEE транс.

Ind. Electron., vol. 58, нет. 7, стр. 28182825, июль 2011 г.

[15] Р. Ислам и И. Хусейн, «Конструкции магнита синхронного двигателя с постоянными магнитами

с перекосом для уменьшения пульсаций крутящего момента и зубчатого крутящего момента»,

IEEE Trans.Ind Appl., vol. 45, нет. 1, pp. 152–160, 2009.

[16] W. Zhao, T.A. Lipo, and B.-I. Квон, «Минимизация пульсации крутящего момента

в двигателях со спицами с внутренними постоянными магнитами с перекосом и

с синусоидальными конфигурациями постоянных магнитов», IEEE Trans. Маг., вып.

51, нет. 11 ноября 2015 г., ст. нет. 8110804.

[17] H. Xie, X. Wei, Y. Liu, Y. Feng, Y. Zhang, X. Yang, and K. Yan,

«Исследование метода асимметричного двунаправленного магнитного перекоса в

модульных многоступенчатый постоянный магнит с осевым потоком», IEEE Trans.Magn.,

Том 51, вып. 3l, март 2015 г.

[18] Айдын М., Гулек М., «Уменьшение зубчатого крутящего момента в двухроторных

дисковых двигателях с осевым магнитным потоком: обзор затрат —

Эффективные методы отклонения магнита С проверкой Experimental

[J]», IEEE Trans. Ind. Electron., 2014, 61(9): 5025 – 5034.

[19] Вагати. А., Пасторелли. М., Франческини. Г., Петраче. S.C., «Проектирование

синхронных реактивных двигателей с малым крутящим моментом и пульсациями», IEEE Trans.Ind.

Appl., vol.34, no.4, pp.758-765, Jul/Aug 1998.

[20] N. Bianchi, S. Bolognani, D. Bon, Pre, x, and M.D., «Конструкция барьера Rotor Flux-

для уменьшения пульсаций крутящего момента в синхронных реактивных двигателях

и синхронных реактивных двигателях с постоянными магнитами», IEEE Trans. Энергетика

Конв., том. 45, стр. 921-928, 2009.

[21] Ксола Б. Бомела, Маартен Дж. Кампер, «Влияние хорды статора и перекоса ротора

на производительность синхронной машины с сопротивлением»,

IEEE Trans.по Ind. Appl., vol. 38, нет. 1, January/February, 2002.

[22] E. Howard, M. Kamper, and S. Gerber, «Асимметричный барьер потока и

оптимизация косой конструкции реактивных синхронных машин», IEEE

Trans. Ind Appl., vol. 51, нет. 5, стр. 3751–3760, сен./окт. 2015.

[23] Лазари П., Ван Дж., Сен Б., «Трехмерные эффекты ступенчатого перекоса ротора в синхронных реактивных машинах с постоянным магнитом

», IEEE Trans. Магн.,

том.51, нет. 11, Nov. 2015.

[24] A. Tessarolo, C. Bassi, D. Giulivo, «Пошаговый анализ методом конечных элементов

судового генератора с явнополюсными полюсами мощностью 14 МВА для различных конструкций демпферной обмотки

». решение», IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 59,

№ 6, стр. 2524-2535, июнь 2012 г.

[25] С. Джордан, К. Манолопулос, Дж. М. Апсли, «Конфигурации обмотки для

пятифазных синхронных генераторов с диодными выпрямителями», IEEE Транс.

Ind. Electron., vol. 63, нет. 1, стр. 517-525, январь 2016 г.

[26] К. С. Дзидзи, Н. Х. Джайадас, К. А. Бабу, «Виртуальный прототип

на основе FEM и проектирование системы возбуждения третьей гармоники для низковольтного

синхронного с явнополюсным полюсом Генераторы», IEEE Trans. Ind.

Электрон., том. 50, нет. 3, май/июнь 2014 г.

[27] Г. Тракслер-Самек, Т. Луганд, А. Швери, «Дополнительные потери в

демпферной обмотке больших гидрогенераторов при разомкнутой цепи и нагрузке

». IEEE транс.Ind. Electron., vol. 57, нет. 1, стр. 154–160, январь

2010.

[28] Нуццо С., Галеа М., Герада С., Герада Д., Мебарки А., Браун Н.

Л., «Демпфирующая клетка Снижение потерь и напряжение холостого хода THD

Улучшения в явнополюсных синхронных генераторах», Proc. в

Силовая электроника, машины и приводы (PEMD 2016), 8-я Международная конференция IET

, 2016.

[29] Нуццо С., Дегано М., Галеа М., Gerada C., Gerada D., Brown NL,

«Улучшенная конструкция демпферной клетки для явнополюсных синхронных генераторов

», IEEE Trans. Ind. Electron., 2016.

[30] Х. Кармакер и А. Найт, «Исследование и моделирование полей в

больших явнополюсных синхронных машинах с перекошенными пазами статора»,

IEEE Trans. Energy Conv., vol. 20, с. 604, September 2005.

[31] Zhen-nan, F., Yong, L., Li, H и Li-dan, X., «Напряжение холостого хода

Оптимизация формы волны и снижение тепла демпферных стержней трубчатого гидрогенератора

за счет различной степени регулировки рисунка демпферного стержня и наклона паза статора

», IEEE Trans. Energy Conv., Том 28. нет. 3, Sept.

2013.

. гармоники напряжения», ИЭТ Электр.Power Appl., vol. 3, нет.

5, стр. 389–397, 2009 г. стр. 389–397, сентябрь 2009 г.

машины с осевым перекосом — Часть 2: Сопротивление между стержнями

, перекос и потери», IET Elect. Power Appl., vol. 3, нет. 5, pp.

398–406, Sep. 2009.

[34] Остович В., Динамика насыщенных электрических машин. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк,

США: Springer-Verlag, 1989.

[35] Дж. М. Гойко, Д. Д. Момир и О. Б. Александар, «Наклонный и линейный подъем

МДС поперек паза — подход с функцией намотки», IEEE Trans.

Energy Conv., vol. 14, нет. 3, стр. 315–320, сентябрь 1999 г.

[36] Ся С., Чжан З., Гэн К., «Аналитическое моделирование и анализ

поверхностных машин с постоянными магнитами и наклонными пазами», IEEE

Trans . Маг., вып. 51, нет. 5, May 2015.

[37] М. Галеа, Л.Папини, Хе Чжан, К. Герада, Т. Хамити, «Анализ размагничивания

для конфигураций решетки Хальбаха в электрических машинах»,

IEEE Trans. Маг, том. 51, № 9, сентябрь 2015 г., ст. ID 8200210.

[38] Ю. С. Чен, З. К. Чжу, «Расчет осей d и q индуктивностей бесщеточных машин переменного тока PM

с учетом перекоса», IEEE Trans. Magn.,

vol.41, no.10, pp.3940-3942, окт.2005.

[39] Афсари Кашани, С.; Хейдари, Х .; Дианати, Б., «Уменьшение крутящего момента

в магнитной зубчатой ​​передаче с осевым потоком на основе эффектов перекоса с использованием усовершенствованного квазитрехмерного аналитического метода

», IEEE Trans. Маг., вып. ПП,

№99, стр.1,1, сент.-окт. 2015.

[40] Дзивниел П., Буалем Б., Пириу Ф., Дюкре Дж. П., Томас П.,

«Сравнение двух подходов к моделированию асинхронных машин

с наклонными пазами», IEEE Trans. Маг., вып. 36, нет. 4, стр. 1453-1457,

, июль 2000 г.

[41] Дж. Гизелинк, Л. Вандевельде и Дж. Мелкебек, «Многослойное моделирование

электрических машин с перекошенными пазами — ошибка асимметричной дискретизации

», IEEE Trans. Маг., вып. 37, стр. 3233–3237, сентябрь 2002 г.

[42] С. Уильямсон, Т. Дж. Флэк и А. Ф. Волшенк, «Представление

перекосов в двумерных конечно-элементных моделях

электрических машин с шагами по времени». », IEEE Trans. Ind Appl., vol.31, нет. 5, стр. 1009–

1015, май 1995 г.

[43] Ван Р., Пекарек С., О’Реган П., Ларсон А., ван Маарен Р.,

«Включение перекоса в магнитный эквивалент модель схемы синхронных машин

», IEEE Trans. Energy Conv., vol. 30, нет. 2, June

2015.

[44] Сизов Г.Ю., Чжан П., Ионел Д.М., Демердаш Н.А. П. Браун, А.

О. Смит и М. Г. Солвесон, «Моделирование и анализ влияния перекоса

на пульсации крутящего момента и усилия на зубьях статора в машинах с постоянным магнитом переменного тока

», в IEEE Energy Conversion Congress and Exposition

(ECCE), 2012, стр.3055–3061.

С. Нуццо (S’17) получил степень бакалавра наук. и магистр наук.

степени в области электротехники

Пизанского университета, Пиза, Италия, в 2011 и 2014 годах,

соответственно. В настоящее время он работает над докторской степенью

. степень в области силовой электроники,

Machines and Control Group, Университет

Ноттингем, Ноттингем, Великобритания

В 2013 году он провел шесть месяцев в Университете

Ноттингема в качестве приглашенного студента, где

он участвовал в разработка аналитических и

численных моделей для анализа синхронных машин с постоянными магнитами

.Его текущие научные интересы включают

анализ и проектирование прямополюсных разрядников и систем бесщеточного возбуждения

.

Как рассчитать регулирование напряжения распределительной линии

Регулирование напряжения

  1. Введение в регулирование напряжения
  2. Регулирование напряжения для воздушной линии 11 кВ, 22 кВ, 33 кВ
  3. Допустимое регулирование напряжения (в соответствии с REC)
  4. 8s 8899 Регулирование напряжения 8 8s 899 Требуемый размер конденсатора
  5. Оптимальное расположение конденсаторов
  6. Повышение напряжения из-за установки конденсатора
  7. Расчет % регулирования напряжения распределительной линии
Как рассчитать регулирование напряжения распределительной линии FlickR)

Введение в регулирование напряжения

Регулирование напряжения (нагрузки) предназначено для поддержания фиксированного напряжения при различной нагрузке.Регулирование напряжения является ограничивающим фактором для определения размера проводника или типа изоляции.

Ток в цепи должен быть ниже этого значения, чтобы падение напряжения оставалось в допустимых пределах. падение напряжения цепи высокого напряжения должно проходить как можно дальше.

Перейти к содержанию ↑


Регулирование напряжения для воздушной линии 11 кВ, 22 кВ, 33 кВ

% Регулирование напряжения = (1.06 x P x L x PF) / (LDF x RC x DF)

Где:

P – Суммарная мощность в кВА км.
PF – Коэффициент мощности в о.е.
RC – Постоянная регулирования (кВА-км) на падение на 1%.

RC = (KV x KV x 10) / ( RCosΦ + XSinΦ)

LDF – Коэффициент распределения нагрузки.
LDF = 2 для равномерно распределенной нагрузки на фидер.
LDF > 2 Если нагрузка смещена в сторону силового трансформатора.
LDF = от 1 до 2 Если груз наклонен к хвостовому концу питателя.

DF — фактор разнообразия в P.U

Перейти к содержимому ↑


Допустимое регулирование напряжения (согласно Rec)

9092 1,908 9081 До 7 трансформатора5

Максимальное регулирование напряжения в любой точке распределительной линии

Часть распределительной системы Городской район (%) Пригородный район (%) Сельская местность (%)
2,5 2,5
до Secondary Главная 3 2 0,0
до падения обслуживания 0,5 0,5 0,5
Итого 6.0 50 5.0

Перейти к контентам ↑


Значения регулирования напряжения

Нарекающие изменения напряжения в 33 кВ и 11 кВ не должны превышать следующие ограничения на самый дальний конец в условиях пиковой нагрузки и нормальном режиме работы системы.

  • Выше 33 кВ (-) 12,5% до (+) 10%.
  • До 33 кВ (-) 9,0% до (+) 6,0%.
  • Низкое напряжение (-) от 6,0 % до (+) 6,0 %

Если трудно достичь желаемого напряжения, особенно в сельской местности, то распределительные трансформаторы 11/0,433 кВ (вместо обычных 11 /0,4 кВ DT) могут быть использованы в этих областях. Перейти к содержанию – [Cos ø1 / Cos ø2] x Sin ø2)

Где KVA1 — исходный KVA.

Перейти к контенту ↑


Оптимальное расположение конденсаторов

L = [1 — (Kvarc / 2 Kvarl) x (2n — 1)]

0 где:

L — Расстояние за единицу по линии от подстанции.
KVARC – Размер конденсаторной батареи
KVARL – KVAR нагрузка линии более одного банка на линии.Если вся емкость помещена в один банк, то значения n=1.

Перейти к контенту ↑


Подъем напряжения из-за конденсатора Установка:

% Rise = (KVAR (CAP) X LX x) / 10 x VX2

0 где:

KVAR ) — конденсатор KVAR
x — реализация на этап
L — Продолжительность линии (Mile) — Продолжительность линии (Mile) — Фаза к фазу напряжения в киловольтах

Перейти к контенту ↑


Расчет % регулирования напряжения распределительной линии

Расчет падения напряжения и % регулирования напряжения на конце следующей распределительной системы 11 кВ:

  • Система имеет проводник ACSR DOG (AI 6/4.72, GI7/1.57)
  • Токовая нагрузка проводника ACSR = 205 А,
  • Сопротивление = 0,2792 Ом и реактивное сопротивление = 0 Ом,

Допустимый предел % регулирования напряжения на заднем конце составляет 5%.


Метод-1 (базовое расстояние)

Падение напряжения  = ((√3x(RCosΦ+XSinΦ)x I ) / (Количество проводников/фаз x1000))x Длина линии

Падение напряжения на нагрузке A
  • Ток нагрузки в точке A (I) = кВт / 1,732xVoltxP.F
  • Ток нагрузки в точке A (I) = 1500 / 1.732x11000x0,8 = 98 Ампер.
  • Требуемое количество проводников / фаз = 98 / 205 = 0,47 А = 1 Нет
  • Падение напряжения в точке A = ( (√3x(RCosΦ+XSinΦ)xI ) / (Количество проводников/фаз x1000))x Длина Линия
  • Падение напряжения в точке A = ((1,732x (0,272×0,8+0×0,6)x98) / 1×1000)x1500) = 57 В
  • Напряжение на приемной стороне в точке A = Падение напряжения на передающей стороне= (1100-57) = 10943 Вольт.
  • % Стабилизация напряжения в точке A = ((Напряжение передающей стороны-Вольт принимающей стороны) / Вольт принимающей стороны) x100
  • % Стабилизация напряжения в точке A = ((11000-10943) / 10943 )x100 = 0.52 %
  • % Стабилизация напряжения в точке A =0,52 % ) = 1800 / 1,732x11000x0,8 = 118 Ампер.
  • Расстояние от источника = 1500+1800=3300 метров.
  • Падение напряжения в точке B = ( (√3x(RCosΦ+XSinΦ)xI ) / (число проводников/фаз x1000))x длина линии
  • Падение напряжения в точке B =((1,732x (0,272×0,8+) 0×0,6)x98) / 1×1000)x3300) = 266 Вольт
  • Напряжение на принимающей стороне в точке B = Падение напряжения на передающей стороне= (1100-266) = 10734 Вольт.
  • % Стабилизация напряжения в точке B= ((Напряжение передающей стороны-Вольт принимающей стороны) / Вольт принимающей стороны) x100
  • % Стабилизация напряжения в точке B= ((11000-10734) / 10734 )x100 = 2,48%
  • % Стабилизация напряжения в точке B = 2,48 %
Падение напряжения на нагрузке C
  • Ток нагрузки в точке C (I) = кВт / 1,732xVoltxP.F
  • Ток нагрузки в точке C (I) = 2000 / 1,732 x11000x0,8 = 131 Ампер
  • Расстояние от источника = 1500+1800+2000=5300 метров.
  • Падение напряжения в точке C = ( (√3x(RCosΦ+XSinΦ)xI ) / (число проводников/фаз x1000))x длина линии
  • Падение напряжения в точке C =((1,732x (0,272×0,8+) 0×0,6)x98) / 1×1000)x5300) = 269 Вольт
  • Напряжение на приемном конце в точке C = Падение напряжения на передающем конце= (1100-269) = 10731 Вольт.
  • % Стабилизация напряжения в точке C= ((Напряжение передающей стороны-Вольт принимающей стороны) / Вольт принимающей стороны) x100
  • % Стабилизация напряжения в точке C= ((11000-10731) / 10731 )x100 = 2.51%
  • % Регулирование напряжения в точке C =2,51 %

Здесь Конечная точка % Регулирование напряжения составляет 2,51%, что находится в допустимом пределе.

Перейти к содержанию ↑


Метод-2 (базовая нагрузка)

% Стабилизация напряжения = (I x (RcosǾ+XsinǾ)x Длина) / Кол-во проводников на фазу xV (P-N))x100

Падение напряжения при нагрузке A
  • Ток нагрузки в точке A (I) = кВт / 1,732xVoltxP.F
  • Ток нагрузки в точке A (I) = 1500 / 1.732x11000x0,8 = 98 Ампер.
  • Расстояние от источника = 1 500 км.
  • Требуемое количество проводников / фаз = 98 / 205 = 0,47 А = 1 Нет
  • Падение напряжения в точке A = (I x (RcosǾ+XsinǾ)x Длина) / В (фаза-нейтраль))x100
  • Падение напряжения в точке A =((98x(0,272×0,8+0×0,6)x1,5) / 1×6351) = 0,52 %
  • % Стабилизация напряжения в точке A =0,52 %
Падение напряжения на нагрузке B
  • Ток нагрузки в точке B (I) = кВт / 1,732xВольтxP.F
  • Ток нагрузки в точке B (I) = 1800 / 1,732x11000x0,8 = 118 А.
  • Расстояние от источника = 1500+1800=3,3 км.
  • Требуемое количество проводников / фаз = 118 / 205 = 0,57 А = 1 Нет
  • Падение напряжения в точке B = (I x (RcosǾ+XsinǾ)x Длина) / В (фаза-нейтраль))x100
  • Падение напряжения в точке B =((118x(0,272×0,8+0×0,6)x3,3)/1×6351) = 1,36%
  • % Стабилизация напряжения в точке A =1,36 %
Падение напряжения на нагрузке C
  • Ток нагрузки в точке C (I) = кВт / 1.732xVoltxP.F
  • Ток нагрузки в точке C (I) = 2000 / 1,732x11000x0,8 = 131А.
  • Расстояние от источника = 1500+1800+2000=5,3 км.
  • Требуемое количество проводников / фаз = 131/205 = 0,64 А = 1 Нет
  • Падение напряжения в точке C = (I x (RcosǾ+XsinǾ)x Длина) / В (фаза-нейтраль))x100
  • Падение напряжения в точке C =((131x(0,272×0,8+0×0,6)x5,3)/1×6351) = 2,44%
  • % Регулировка напряжения в точке A =2,44 %

Здесь Конечная точка % Напряжение Регламент 2.44%, что находится в допустимом пределе.

Перейти к содержанию ↑

Улучшения точности времени для Windows Server 2016

  • Артикул
  • 32 минуты на чтение
  • 8 участников

Полезна ли эта страница?

Да Нет

Любая дополнительная обратная связь?

Отзыв будет отправлен в Microsoft: при нажатии кнопки отправки ваш отзыв будет использован для улучшения продуктов и услуг Microsoft.Политика конфиденциальности.

Представлять на рассмотрение

В этой статье

В Windows Server 2016 улучшены алгоритмы, используемые для корректировки времени и настройки локальных часов для синхронизации с UTC. NTP использует 4 значения для расчета смещения времени на основе временных меток клиентского запроса/ответа и запроса/ответа сервера. Однако сети шумны, и могут возникать скачки данных от NTP из-за перегрузки сети и других факторов, влияющих на задержку в сети.Алгоритмы Windows 2016 усредняют этот шум, используя ряд различных методов, что приводит к стабильным и точным часам. Кроме того, источник, который мы используем для получения точного времени, ссылается на улучшенный API, который обеспечивает лучшее разрешение. Благодаря этим улучшениям мы можем достичь точности в 1 мс относительно UTC в домене.

Hyper-V

В Windows 2016 улучшена служба Hyper-V TimeSync. Улучшения включают в себя более точное начальное время при запуске или восстановлении виртуальной машины, а также коррекцию задержки прерывания для образцов, предоставляемых w32time.Это улучшение позволяет нам оставаться в пределах 10 мкс хоста со среднеквадратичным значением (среднеквадратичное значение, которое указывает дисперсию) 50 мкс даже на машине с 75% нагрузкой. Дополнительные сведения см. в разделе Архитектура Hyper-V.

Примечание

Нагрузка была создана с использованием бенчмарка Prime95 с использованием сбалансированного профиля.

Кроме того, уровень Stratum, о котором хост сообщает гостю, более прозрачен. Раньше Хост представлял фиксированный уровень 2, независимо от его точности. С изменениями в Windows Server 2016 хост сообщает об уровне, на один большем, чем уровень хоста, что приводит к лучшему времени для виртуальных гостей.Слой хоста определяется w32time обычными средствами на основе исходного времени. Присоединенные к домену гости Windows 2016 найдут наиболее точные часы, а не по умолчанию для хоста. Именно по этой причине мы советовали вручную отключить настройку поставщика времени Hyper-V для машин, участвующих в домене в Windows 2012R2 и ниже.

Мониторинг

Добавлены счетчики монитора производительности. Они позволяют вам определять, контролировать и устранять неполадки с точностью времени.Эти счетчики включают:

Счетчик Описание
Вычисленное смещение времени Абсолютное смещение времени между системными часами и выбранным источником времени, рассчитанное службой W32Time в микросекундах. Когда доступна новая допустимая выборка, вычисленное время обновляется смещением времени, указанным в выборке. Это фактическое смещение времени местных часов. W32time инициирует коррекцию часов, используя это смещение, и обновляет вычисленное время между выборками оставшимся смещением времени, которое необходимо применить к локальным часам.Точность часов можно отслеживать с помощью этого счетчика производительности с низким интервалом опроса (например, 256 секунд или меньше) и искать значение счетчика, которое меньше желаемого предела точности часов.
Регулировка тактовой частоты Абсолютная коррекция частоты часов локальной системы с помощью W32Time в частях на миллиард. Этот счетчик помогает визуализировать действия, предпринимаемые W32time.
Двусторонняя задержка NTP Самая последняя задержка приема-передачи, которую испытал клиент NTP при получении ответа от сервера в микросекундах.Это время, прошедшее на клиенте NTP между передачей запроса на сервер NTP и получением действительного ответа от сервера. Этот счетчик помогает охарактеризовать задержки, возникающие у клиента NTP. Большие или изменяющиеся круговые обходы могут добавить шум к вычислениям времени NTP, что, в свою очередь, может повлиять на точность синхронизации времени через NTP.
Количество источников клиента NTP Активное количество источников времени NTP, используемых клиентом NTP. Это количество активных, различных IP-адресов серверов времени, которые отвечают на запросы этого клиента.Это число может быть больше или меньше настроенных одноранговых узлов, в зависимости от разрешения DNS имен одноранговых узлов и текущей доступности.
Входящие запросы сервера NTP Количество запросов, полученных сервером NTP (запросов/сек).
Исходящие ответы сервера NTP Количество запросов, на которые ответил NTP-сервер (откликов/сек).

Первые 3 счетчика предназначены для устранения проблем с точностью.В разделе «Устранение неполадок с точностью времени и NTP» ниже в разделе «Рекомендации» содержится более подробная информация. Последние 3 счетчика охватывают сценарии NTP-сервера и полезны при определении нагрузки и базовой производительности.

Обновления конфигурации для каждой среды

Ниже описаны изменения в конфигурации по умолчанию между Windows 2016 и предыдущими версиями для каждой роли. Параметры для Windows Server 2016 и Windows 10 Anniversary Update (сборка 14393) теперь уникальны, поэтому они отображаются в виде отдельных столбцов.

Роль Настройка Windows Server 2016 Windows 10 Windows Server 2012 R2
Windows Server 2008 R2
Windows 10
Автономный/наносервер
Сервер времени time.windows.com нет данных time.windows.com
Частота опроса 64–1024 секунды нет данных Раз в неделю
Частота обновления часов Раз в секунду нет данных Один раз в час
Автономный клиент
Сервер времени нет данных раз.windows.com time.windows.com
Частота опроса нет данных Один раз в день Раз в неделю
Частота обновления часов нет данных Один раз в день Один раз в час
Контроллер домена
Сервер времени ПДК/ГТИМСЕРВ нет данных ПДК/ГТИМСЕРВ
Частота опроса 64 -1024 секунды нет данных 1024 — 32768 секунд
Частота обновления часов Раз в секунду нет данных Один раз в час
Рядовой сервер домена
Сервер времени DC нет данных DC
Частота опроса 64 -1024 секунды нет данных 1024 — 32768 секунд
Частота обновления часов Раз в секунду нет данных Один раз каждые 5 минут
Клиент-член домена
Сервер времени нет данных DC DC
Частота опроса нет данных 1204 — 32768 секунд 1024 — 32768 секунд
Частота обновления часов нет данных Один раз каждые 5 минут Один раз каждые 5 минут
Гость Hyper-V
Сервер времени Выбирает лучший вариант на основе уровня хоста и сервера времени Выбирает лучший вариант на основе уровня хоста и сервера времени По умолчанию хост
Частота опроса В зависимости от роли выше В зависимости от роли выше В зависимости от роли выше
Частота обновления часов В зависимости от роли выше В зависимости от роли выше В зависимости от роли выше

Примечание

Для Linux в Hyper-V см. раздел «Разрешение Linux использовать время хоста Hyper-V» ниже.

Влияние увеличения частоты опроса и обновления часов

Чтобы обеспечить более точное время, увеличены значения по умолчанию для частоты опроса и обновления часов, что позволяет нам чаще вносить небольшие корректировки. Это приведет к увеличению трафика UDP/NTP, однако эти пакеты имеют небольшой размер, поэтому влияние на широкополосные каналы должно быть незначительным или отсутствовать. Преимущество, однако, заключается в том, что время должно быть лучше на более широком спектре оборудования и сред.

Для устройств с батарейным питанием увеличение частоты опроса может вызвать проблемы.Устройства на батарейках не сохраняют время в выключенном состоянии. Когда они возобновятся, может потребоваться частая корректировка часов. Увеличение частоты опроса приведет к нестабильности часов, а также может привести к повышенному энергопотреблению. Корпорация Майкрософт рекомендует не изменять параметры клиента по умолчанию.

Контроллеры домена

должны быть минимально затронуты даже с умноженным эффектом увеличения количества обновлений от клиентов NTP в домене AD. NTP имеет гораздо меньшее потребление ресурсов по сравнению с другими протоколами и незначительное влияние.Вы, скорее всего, достигнете ограничений для других функций домена, прежде чем на вас повлияют расширенные настройки для Windows Server 2016. Active Directory использует защищенный NTP, который, как правило, синхронизирует время менее точно, чем простой NTP, но мы проверили, что он будет увеличиваться. клиентам, находящимся в двух слоях от основного контроллера домена.

В качестве консервативного плана вы должны зарезервировать 100 запросов NTP в секунду для каждого ядра. Например, если домен состоит из 4 контроллеров домена с 4 ядрами в каждом, вы сможете обслуживать 1600 запросов NTP в секунду.Если у вас есть 10 тыс. клиентов, настроенных на синхронизацию времени каждые 64 секунды, и запросы поступают равномерно во времени, вы увидите 10 000/64 или около 160 запросов в секунду, распределенных по всем контроллерам домена. Это легко укладывается в наши 1600 запросов NTP/сек на основе этого примера. Это консервативные рекомендации по планированию, которые, конечно же, сильно зависят от вашей сети, скорости и нагрузки процессора, поэтому всегда используйте базовый уровень и тестируйте в своих средах.

Также важно отметить, что если ваши контроллеры домена работают со значительной загрузкой ЦП, превышающей 40%, это почти наверняка добавит шум в ответы NTP и повлияет на точность времени в вашем домене.Опять же, вам нужно протестировать в своей среде, чтобы понять фактические результаты.

Измерение точности времени

Методология

Для измерения точности времени для Windows Server 2016 мы использовали различные инструменты, методы и среды. Вы можете использовать эти методы для измерения и настройки среды и определения соответствия результатов точности вашим требованиям.

Наши исходные часы домена состояли из двух высокоточных серверов NTP с оборудованием GPS. Мы также использовали отдельную тестовую машину для измерений, на которой также было установлено высокоточное оборудование GPS от другого производителя.Для некоторых тестов вам потребуется точный и надежный источник часов, который можно использовать в качестве эталона в дополнение к источнику часов вашего домена.

Мы использовали четыре разных метода для измерения точности физических и виртуальных машин. Несколько методов предоставили независимые средства для проверки результатов.

  1. Измерьте местные часы, обусловленные w32tm, по сравнению с нашей эталонной тестовой машиной с отдельным оборудованием GPS.

  2. Измерение эхо-запросов NTP от сервера NTP к клиентам с использованием «полосовой диаграммы» W32tm

  3. Измерение эхо-запросов NTP от клиента к серверу NTP с помощью «полосовой диаграммы» W32tm

  4. Измерьте результаты Hyper-V от хоста до гостя с помощью счетчика отметок времени (TSC).Этот счетчик является общим для обоих разделов и системного времени в обоих разделах. Мы рассчитали разницу времени хоста и времени клиента в виртуальной машине. Затем мы используем часы TSC для интерполяции времени хоста от гостя, поскольку измерения не происходят одновременно. Кроме того, мы используем фактор тактовой частоты TSV для задержек и задержек в API.

W32tm встроен, но другие инструменты, которые мы использовали во время тестирования, доступны для тестирования и использования в репозитории Microsoft на GitHub с открытым исходным кодом.Дополнительные сведения об использовании инструментов для выполнения измерений см. в Wiki по инструментам калибровки времени Windows

.

Результаты тестирования, показанные ниже, представляют собой подмножество измерений, выполненных нами в одной из тестовых сред. Они иллюстрируют точность, поддерживаемую в начале временной иерархии, и клиент дочернего домена в конце временной иерархии. Для сравнения это сравнивается с теми же машинами в топологии на основе 2012 года.

Топология

Для сравнения мы протестировали топологию на основе Windows Server 2012R2 и Windows Server 2016.Обе топологии состоят из двух физических хост-компьютеров Hyper-V, которые ссылаются на компьютер под управлением Windows Server 2016 с установленным оборудованием GPS-часов. На каждом хосте работает 3 присоединенных к домену гостя Windows, которые организованы в соответствии со следующей топологией. Линии представляют временную иерархию и используемый протокол/транспорт.

Обзор графических результатов

На следующих двух диаграммах представлена ​​точность времени для двух конкретных элементов в домене на основе приведенной выше топологии.На каждом графике отображаются результаты Windows Server 2012R2 и 2016 с наложением, что наглядно демонстрирует улучшения. Точность измерялась внутри гостевой машины по сравнению с хостом. Графические данные представляют собой подмножество всего набора тестов, которые мы сделали, и показывают наилучший и наихудший сценарии.

Производительность PDC корневого домена

Корневой основной контроллер домена синхронизируется с хостом Hyper-V (с помощью VMIC), который представляет собой Windows Server 2016 с оборудованием GPS, которое доказало свою точность и стабильность.Это критическое требование для точности в 1 мс, что показано в виде зеленой заштрихованной области.

Производительность клиента дочернего домена

Клиент дочернего домена подключен к PDC дочернего домена, который взаимодействует с корневым PDC. Это время также находится в пределах требуемой 1 мс.

Испытание на большие расстояния

На следующей диаграмме сравнивается 1 переход виртуальной сети с 6 переходами физической сети в Windows Server 2016. Две диаграммы накладываются друг на друга с прозрачностью, чтобы показать перекрывающиеся данные.Увеличение сетевых переходов означает более высокую задержку и большие временные отклонения. Диаграмма увеличена, поэтому граница в 1 мс, представленная зеленой областью, больше. Как видите, время по-прежнему находится в пределах 1 мс с несколькими переходами. Он смещен в отрицательную сторону, что свидетельствует о сетевой асимметрии. Конечно, каждая сеть уникальна, и измерения зависят от множества факторов окружающей среды.

Передовой опыт для точного хронометража

Часы с твердотельным источником

Точность времени машины зависит от исходных часов, с которыми она синхронизируется.Чтобы достичь точности в 1 мс, вам потребуется оборудование GPS или устройство времени в вашей сети, которое вы называете основными часами источника. Использование по умолчанию time.windows.com может не обеспечивать стабильный и локальный источник времени. Кроме того, по мере удаления от исходных часов на точность влияет сеть. Для наилучшей точности требуется наличие основных часов в каждом центре обработки данных.

Аппаратные опции GPS

Существуют различные аппаратные решения, обеспечивающие точное время.В основном решения сегодня основаны на антеннах GPS. Существуют также решения для радиосвязи и коммутируемого модема, использующие выделенные линии. Они подключаются к вашей сети либо как устройство, либо подключаются к ПК, например Windows, через устройство PCIe или USB. Различные варианты обеспечивают разный уровень точности, и, как всегда, результаты зависят от вашей среды. Переменные, влияющие на точность, включают доступность GPS, стабильность и нагрузку сети, а также аппаратное обеспечение ПК. Все это важные факторы при выборе исходных часов, которые, как мы уже говорили, необходимы для стабильного и точного времени.

Домен и время синхронизации

Члены домена используют иерархию домена, чтобы определить, какой компьютер они используют в качестве источника для синхронизации времени. Каждый член домена найдет другой компьютер для синхронизации и сохранит его в качестве источника часов. Каждый тип члена домена следует своему набору правил, чтобы найти источник часов для синхронизации времени. PDC в корне леса является источником часов по умолчанию для всех доменов. Ниже перечислены различные роли и высокоуровневое описание того, как они находят источник:

  • Контроллер домена с ролью PDC — этот компьютер является авторитетным источником времени для домена.У него будет самое точное время, доступное в домене, и он должен синхронизироваться с контроллером домена в родительском домене, за исключением случаев, когда включена роль GTIMESERV.
  • Любой другой контроллер домена — этот компьютер будет действовать как источник времени для клиентов и рядовых серверов в домене. Контроллер домена может синхронизироваться с основным контроллером домена своего домена или любым контроллером домена в своем родительском домене.
  • Клиенты/Рядовые серверы — Этот компьютер может синхронизироваться с любым контроллером домена или основным контроллером домена в своем собственном домене или с контроллером домена или основным контроллером домена в родительском домене.

На основе имеющихся кандидатов используется система подсчета очков для поиска наилучшего источника времени. Эта система учитывает надежность источника времени и его относительное расположение. Это происходит один раз, когда время запущено. Если вам нужно более точно контролировать синхронизацию времени, вы можете добавить надежные серверы времени в определенных местах или добавить избыточность. Дополнительную информацию см. в разделе [Указание локальной службы надежного времени с помощью GTIMESERV].

Среды со смешанными ОС (Win2012R2 и Win2008R2)

Хотя для максимальной точности требуется чистая среда домена Windows Server 2016, в смешанной среде все же есть преимущества.Развертывание Windows Server 2016 Hyper-V в домене Windows 2012 принесет пользу гостям из-за упомянутых выше улучшений, но только в том случае, если гости также являются Windows Server 2016. PDC Windows Server 2016 сможет предоставлять более точное время, поскольку улучшенных алгоритмов это будет более стабильный источник. Поскольку замена основного контроллера домена может быть невозможна, вместо этого вы можете добавить контроллер домена Windows Server 2016 с набором списков GTIMESERV, что повысит точность вашего домена. Контроллер домена Windows Server 2016 может обеспечить лучшее время для последующих клиентов времени, однако его качество не уступает исходному времени NTP.

Также, как указано выше, частота опроса часов и частота обновления были изменены в Windows Server 2016. Их можно изменить вручную на контроллеры домена нижнего уровня или применить с помощью групповой политики. Хотя мы не тестировали эти конфигурации, они должны хорошо работать в Win2008R2 и Win2012R2 и давать некоторые преимущества.

Версии до Windows Server 2016 имели множество проблем с сохранением точного времени, что приводило к дрейфу системного времени сразу после внесения корректировок.Из-за этого частое получение выборок времени из точного источника NTP и согласование локальных часов с данными приводит к меньшему смещению их системных часов в период внутренней выборки, что приводит к лучшему хранению времени в версиях ОС более низкого уровня. Наилучшая наблюдаемая точность составила примерно 5 мс, когда NTP-клиент Windows Server 2012R2, настроенный с параметрами высокой точности, синхронизировал свое время с точным NTP-сервером Windows 2016.

В некоторых сценариях, связанных с гостевыми контроллерами домена, образцы Hyper-V TimeSync могут нарушить синхронизацию времени домена.Это больше не должно быть проблемой для гостей Server 2016, работающих на хостах Server 2016 Hyper-V.

Чтобы запретить службе Hyper-V TimeSync предоставлять образцы для w32time, установите следующий раздел гостевого реестра: HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\W32Time\TimeProviders\VMICTimeProvider "Enabled"=dword:00000000

Разрешение Linux использовать время хоста Hyper-V

Для гостей Linux, работающих в Hyper-V, клиенты обычно настроены на использование демона NTP для синхронизации времени с серверами NTP.Если дистрибутив Linux поддерживает протокол TimeSync версии 4, а в гостевой системе Linux включена служба интеграции TimeSync, то он будет синхронизироваться со временем хоста. Это может привести к несогласованному учету времени, если включены оба метода.

Для синхронизации исключительно со временем хоста рекомендуется отключить синхронизацию времени NTP одним из следующих способов:

В этой конфигурации параметр сервера времени — этот хост. Его частота опроса составляет 5 секунд, а частота обновления часов также составляет 5 секунд.

Для синхронизации исключительно по NTP рекомендуется отключить службу интеграции TimeSync в гостевой системе.

Примечание

Примечание. Для поддержки точного времени с гостевыми системами Linux требуется функция, которая поддерживается только в последних версиях ядра Linux и пока недоступна во всех дистрибутивах Linux. Дополнительные сведения о поддерживаемых дистрибутивах см. в разделе Поддерживаемые виртуальные машины Linux и FreeBSD для Hyper-V в Windows.

Укажите локальную службу надежного времени с помощью GTIMESERV

Вы можете указать один или несколько контроллеров домена в качестве точных исходных часов, используя флаги GTIMESERV, Good Time Server.Например, определенные контроллеры домена, оснащенные оборудованием GPS, могут быть помечены как GTIMESERV. Это гарантирует, что ваш домен ссылается на часы, основанные на оборудовании GPS.

TIMESERV — это еще один связанный флаг доменных служб, который указывает, является ли машина авторизованной в настоящее время, что может измениться, если контроллер домена потеряет соединение. Контроллер домена в этом состоянии будет возвращать «Неизвестный слой» при запросе через NTP. После нескольких попыток контроллер домена зарегистрирует системное событие Time-Service Event 36.

Если вы хотите настроить контроллер домена как GTIMESERV, это можно настроить вручную с помощью следующей команды.В этом случае DC использует другую машину (машины) в качестве главных часов. Это может быть прибор или специальная машина.

  w32tm/config/manualpeerlist:"master_clock1,0x8 master_clock2,0x8"/syncfromflags:manual/reliable:yes/update
  

Если на контроллере домена установлено оборудование GPS, необходимо выполнить следующие действия, чтобы отключить клиент NTP и включить сервер NTP.

Начните с отключения клиента NTP и включите сервер NTP, используя эти изменения раздела реестра.

  reg add HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\w32time\TimeProviders\NtpClient /v Enabled /t REG_DWORD /d 0 /f

reg add HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\w32time\TimeProviders\NtpServer /v Enabled /t REG_DWORD /d 1 /f
  

Затем перезапустите службу времени Windows

  net stop w32time && net start w32time
  

Наконец, вы указываете, что эта машина использует надежный источник времени.

  w32tm/конфигурация/надежный:да/обновление
  

Чтобы убедиться, что изменения были сделаны правильно, вы можете запустить следующие команды, которые повлияют на результаты, показанные ниже.

  w32tm/запрос/конфигурация

Значение|Ожидаемая настройка|
----- | ----- |
ОбъявитьФлаги| 5 (местный)|
NTP-сервер |(локальный)|
DllName |C:\WINDOWS\SYSTEM32\w32time.DLL (локальный)|
Включено |1 (локально)|
NTP-клиент| (местный)|

w32tm/запрос/состояние/подробный

Значение| Ожидаемая настройка|
----- | ----- |
Слой| 1 (основной эталон - синхронизировано по радиочасам)|
Идентификатор ссылки | 0x4C4F434C (имя источника: "LOCAL")|
Источник| Локальные часы CMOS|
Смещение фазы| 0,0000000 с|
Роль сервера| 576 (Надежная служба времени) |
  
Windows Server 2016 на сторонних виртуальных платформах

Когда Windows виртуализирована, по умолчанию гипервизор отвечает за предоставление времени.Но члены, присоединенные к домену, должны быть синхронизированы с контроллером домена для правильной работы Active Directory. Лучше всего отключить виртуализацию в любое время между гостем и хостом любых сторонних виртуальных платформ.

Открытие иерархии

Поскольку цепочка иерархии времени к основному источнику часов является динамической в ​​домене и согласовывается, вам потребуется запросить состояние конкретной машины, чтобы понять ее источник времени и цепочку с главным источником часов.Это может помочь диагностировать проблемы синхронизации времени.

Учитывая, что вы хотите устранить неполадки определенного клиента; первый шаг — понять источник времени с помощью этой команды w32tm.

  w32tm/запрос/состояние
  

Среди прочего в результатах отображается источник. Источник указывает, с кем вы синхронизируете время в домене. Это первый шаг в этой иерархии машинного времени. Затем используйте запись источника сверху и используйте параметр /StripChart, чтобы найти следующий источник времени в цепочке.

  w32tm/stripchart/computer:MySourceEntry/packetinfo/samples:1
  

Также полезна следующая команда, которая выводит список всех контроллеров домена, которые она может найти в указанном домене, и выводит результат, позволяющий определить каждого партнера. Эта команда будет включать машины, настроенные вручную.

w32tm/монитор/домен:мой_домен

Используя список, вы можете отслеживать результаты по домену и понимать иерархию, а также временной сдвиг на каждом шаге.Обнаружив точку, в которой смещение времени становится значительно хуже, вы можете определить причину неправильного времени. Оттуда вы можете попытаться понять, почему это время неверно, включив ведение журнала w32tm.

Использование групповой политики

Вы можете использовать групповую политику для обеспечения более строгой точности, например, назначая клиентам использование определенных серверов NTP или управляя тем, как настраиваются ОС нижнего уровня при виртуализации. Ниже приведен список возможных сценариев и соответствующих параметров групповой политики:

Виртуализированные домены . Чтобы контролировать виртуализированные контроллеры домена в Windows 2012R2, чтобы они синхронизировали время со своим доменом, а не с хостом Hyper-V, вы можете отключить эту запись реестра.Для PDC не следует отключать запись, поскольку узел Hyper-V предоставит наиболее стабильный источник времени. Запись реестра требует перезапуска службы w32time после ее изменения.

[HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\W32Time\TimeProviders\VMICTimeProvider] «Включено» = двойное слово: 00000000

Нагрузки, чувствительные к точности . Для рабочих нагрузок, чувствительных к точности времени, можно настроить группы компьютеров для установки серверов NTP и любых связанных параметров времени, таких как частота опроса и обновления часов.Обычно это обрабатывается доменом, но для большего контроля вы можете настроить определенные машины так, чтобы они указывали непосредственно на главные часы.

Параметр групповой политики Новое значение
NTP-сервер ClockMasterName, 0x8
МинПолИнтервал 6–64 секунды
Максполлинтервал 6
Интервал обновления 100 — Один раз в секунду
EventLogFlags 3 — Регистрация всех особых временных рамок

Примечание

Параметры NtpServer и EventLogFlags находятся в разделе Система\Служба времени Windows\Поставщики времени с помощью параметров Настройка клиента Windows NTP.Остальные 3 находятся в разделе «Система\Служба времени Windows» с использованием параметров глобальной конфигурации.

Удаленный Точность Чувствительные нагрузки Удаленный — для систем в доменах филиалов, например Retail и индустрии платежных кредитов (PCI), Windows использует текущую информацию о сайте и локатор контроллеров домена для поиска локального контроллера домена, если не настроен ручной источник времени NTP. . Эта среда требует 1 секунды точности, которая использует более быструю сходимость к правильному времени. Этот параметр позволяет службе w32time переводить часы назад.Если это приемлемо и соответствует вашим требованиям, вы можете создать следующую политику. Как и в любой другой среде, убедитесь, что вы протестировали и установили базовые параметры вашей сети.

Параметр групповой политики Новое значение
MaxAllowedPhaseOffset 1, если больше одной секунды, установить часы на правильное время.

Параметр MaxAllowedPhaseOffset находится в разделе Система\Служба времени Windows с использованием параметров глобальной конфигурации.

Рекомендации по Azure и Windows IaaS

Виртуальная машина Azure: доменные службы Active Directory

Если виртуальная машина Azure, на которой запущены доменные службы Active Directory, является частью существующего локального леса Active Directory, то TimeSync (VMIC) следует отключить. Это позволяет всем контроллерам домена в лесу, как физическим, так и виртуальным, использовать единую иерархию синхронизации времени. См. технический документ с рекомендациями «Запуск контроллеров домена в Hyper-V»

.

Виртуальная машина Azure: присоединенная к домену машина

Если вы размещаете машину, которая является доменом, присоединенным к существующему лесу Active Directory, виртуальному или физическому, рекомендуется отключить TimeSync для гостя и убедиться, что W32Time настроен для синхронизации с контроллером домена, настроив время для Type=NTP5.

Виртуальная машина Azure: автономный компьютер рабочей группы

Если виртуальная машина Azure не присоединена к домену и не является контроллером домена, рекомендуется сохранить конфигурацию времени по умолчанию и синхронизировать виртуальную машину с узлом.

Приложение Windows, требующее точного времени

API меток времени

Программы, которым требуется максимальная точность относительно времени в формате UTC, а не времени, должны использовать API GetSystemTimePreciseAsFileTime. Это гарантирует, что ваше приложение получит системное время, которое обусловлено службой времени Windows.

Производительность UDP

Если у вас есть приложение, использующее связь UDP для транзакций, и важно свести к минимуму задержку, есть некоторые связанные записи реестра, которые вы можете использовать для настройки диапазона портов, которые будут исключены из портов основного механизма фильтрации.Это улучшит задержку и увеличит пропускную способность. Однако вносить изменения в реестр должны только опытные администраторы. Кроме того, этот обходной путь исключает защиту портов брандмауэром. См. ссылку на статью ниже для получения дополнительной информации.

Для Windows Server 2012 и Windows Server 2008 сначала необходимо установить исправление. Вы можете сослаться на эту статью базы знаний: Потеря дейтаграммы при запуске приложения многоадресного приемника в Windows 8 и Windows Server 2012

Обновление сетевых драйверов

Некоторые сетевые поставщики выпускают обновления драйверов, улучшающие производительность в отношении задержки драйвера и буферизации UDP-пакетов.Обратитесь к поставщику сети, чтобы узнать, есть ли обновления, улучшающие пропускную способность UDP.

Ведение журнала для целей аудита

В соответствии с правилами отслеживания времени вы можете вручную заархивировать журналы w32tm, журналы событий и информацию монитора производительности. Позже заархивированную информацию можно использовать для подтверждения соответствия в определенное время в прошлом. Для определения точности используются следующие факторы.

  1. Точность часов с использованием счетчика монитора производительности Computed Time Offset.Это показывает часы с желаемой точностью.
  2. Источник часов ищет «Ответ однорангового узла» в журналах w32tm. За текстом сообщения следует IP-адрес или VMIC, который описывает источник времени и следующие в цепочке эталонные часы для проверки.
  3. Состояние состояния часов с использованием журналов w32tm для проверки наличия «дисциплины ClockDispl: *SKEW*TIME*». Это указывает на то, что w32tm активен в это время.

Регистрация событий

Чтобы получить полную информацию, вам также потребуется информация из журнала событий.Собрав журнал системных событий и отфильтровав Time-Server, Microsoft-Windows-Kernel-Boot, Microsoft-Windows-Kernel-General, вы сможете обнаружить, есть ли другие влияния, которые изменили время, например, третьи лица. Эти журналы могут быть необходимы для исключения внешнего вмешательства. Групповая политика может влиять на то, какие журналы событий записываются в журнал. Дополнительные сведения см. в разделе выше об использовании групповой политики.

Ведение журнала отладки W32time

Чтобы включить w32tm в целях аудита, следующая команда включает ведение журнала, в котором отображаются периодические обновления часов и указываются исходные часы.Перезапустите службу, чтобы включить новое ведение журнала.

Дополнительные сведения см. в разделе Как включить ведение журнала отладки в службе времени Windows.

w32tm/debug/enable/file:C:\Windows\Temp\w32time-test.log/size:10000000/entries:0-73,103,107,110

Монитор производительности

Служба времени Windows Server 2016 предоставляет счетчики производительности, которые можно использовать для сбора журналов для аудита. Они могут быть зарегистрированы локально или удаленно. Вы можете записывать счетчики смещения времени компьютера и задержки приема-передачи.И, как и любой счетчик производительности, вы можете удаленно отслеживать их и создавать оповещения с помощью System Center Operations Manager. Вы можете, например, использовать оповещение, чтобы предупредить вас, когда смещение времени отклоняется от желаемой точности. Пакет управления System Center содержит дополнительную информацию.

Пример отслеживания Windows

В файлах журнала w32tm необходимо проверить две части информации. Первый указывает на то, что файл журнала в настоящее время является тактовым. Это доказывает, что ваши часы настраивались службой времени Windows в спорное время.

151802 20:18:32.9821765s — ClockDispln Discipline: SKEW TIME* — PhCRR:223 CR:156250 UI:100 phcT:65 KPhO:14307 151802 20:18:33.9898460s — ClockDispln Discipline: SKEW TIME* — PhCRR:1 CR:156250 UI:100 phcT:64 KPhO:41 151802 20:18:44.10s — ClockDispln Discipline: SKEW TIME* — PhCRR:1 CR:156250 UI:100 phcT:65 KPhO:38

Суть в том, что вы видите сообщения с префиксом ClockDispln Discipline, что является доказательством того, что w32time взаимодействует с вашими системными часами.

Далее вам нужно найти последний отчет в журнале перед спорным временем, который сообщает исходный компьютер, который в настоящее время используется в качестве эталонных часов. Это может быть IP-адрес, имя компьютера или поставщик VMIC, который указывает, что он синхронизируется с узлом для Hyper-V. В следующем примере предоставляется IPv4-адрес 10.197.216.105.

151802 20:18:54.6531515s — Ответ от узла 10.197.216.105,0×8 (ntp.m|0x8|0.0.0.0:123->10.197.216.105:123), офс: +00.0012218с

Теперь, когда вы проверили первую систему в цепочке эталонного времени, вам необходимо изучить файл журнала на источнике эталонного времени и повторить те же шаги. Это продолжается до тех пор, пока вы не доберетесь до физических часов, таких как GPS, или известного источника времени, такого как NIST. Если эталонными часами являются аппаратные средства GPS, то также могут потребоваться журналы производства.

Вопросы сети

Алгоритмы протокола NTP зависят от симметрии вашей сети.По мере увеличения количества сетевых переходов вероятность асимметрии возрастает. Поэтому трудно предсказать, какие типы точности вы увидите в ваших конкретных условиях.

Монитор производительности

и новые счетчики времени Windows в Windows Server 2016 можно использовать для оценки точности вашей среды и создания базовых показателей. Кроме того, вы можете выполнить устранение неполадок, чтобы определить текущее смещение любого компьютера в вашей сети.

Существует два основных стандарта точного времени в сети.PTP (протокол точного времени — IEEE 1588) предъявляет более жесткие требования к сетевой инфраструктуре, но часто может обеспечивать точность менее микросекунды. NTP (протокол сетевого времени — RFC 1305) работает в большом количестве сетей и сред, что упрощает управление.

Windows по умолчанию поддерживает простой NTP (RFC2030) для машин, не присоединенных к домену. Для машин, присоединенных к домену, мы используем безопасный NTP, называемый MS-SNTP, который использует согласованные с доменом секреты, которые обеспечивают преимущество управления по сравнению с аутентифицированным NTP, описанным в RFC1305 и RFC5905.

Как для протоколов, присоединенных к домену, так и для протоколов, не присоединенных к домену, требуется порт UDP 123. Дополнительные сведения о передовых методах работы с NTP см. в черновике рекомендаций IETF по протоколу сетевого времени.

Надежные аппаратные часы (RTC)

Windows не регулирует время, если не превышены определенные границы, а дисциплинирует часы. Это означает, что w32tm регулирует частоту часов с регулярным интервалом, используя настройку частоты обновления часов, которая по умолчанию установлена ​​​​один раз в секунду в Windows Server 2016.Если часы отстают, то ускоряют частоту, если опережают, то замедляют. Однако в течение этого времени между настройками тактовой частоты аппаратные часы находятся под контролем. Если есть проблема с прошивкой или аппаратными часами, время на машине может стать менее точным.

Это еще одна причина, по которой вам необходимо протестировать и установить базовые параметры в вашей среде. Если счетчик производительности «Расчетное смещение времени» не стабилизируется с точностью, на которую вы ориентируетесь, вам может потребоваться проверить актуальность встроенного ПО.В качестве еще одного теста вы можете увидеть, воспроизводит ли дублированное оборудование ту же проблему.

Устранение неполадок с точностью времени и NTP

Вы можете использовать раздел «Обнаружение иерархии» выше, чтобы понять источник неточного времени. Глядя на смещение времени, найдите точку в иерархии, где время больше всего отличается от своего источника NTP. Как только вы поймете иерархию, вы захотите попытаться понять, почему этот конкретный источник времени не получает точное время.

Сосредоточив внимание на системе с расходящимся временем, вы можете использовать эти инструменты ниже, чтобы собрать дополнительную информацию, которая поможет вам определить проблему и найти решение.Ссылка UpstreamClockSource ниже — это часы, обнаруженные с помощью «w32tm /config /status».

  • Журналы системных событий
  • Включите ведение журнала, используя: журналы w32tm — w32tm /debug /enable /file:C:\Windows\Temp\w32time-test.log /size:10000000 /entries:0-300
  • w32Time Раздел реестра HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\W32Time
  • Следы локальной сети
  • Счетчики производительности (с локального компьютера или UpstreamClockSource)
  • W32tm/ленточная диаграмма/компьютер: UpstreamClockSource
  • PING UpstreamClockSource для понимания задержки и количества переходов к источнику
  • Трассировка UpstreamClockSource
Ленточная диаграмма
Проблема Симптомы Разрешение
Локальные часы TSC нестабильны. Использование Perfmon — Физический компьютер — Синхронизируйте часы стабильно, но вы все равно видите, что каждые 1-2 минуты несколько 100us. Обновление микропрограммы или проверка другого оборудования не вызывают такой же проблемы.
Сетевая задержка w32tm отображает RoundTripDelay более 10 мс. Изменение задержки вызывает шум размером до ½ времени прохождения туда и обратно, например, задержку только в одном направлении.

UpstreamClockSource — это несколько переходов, на что указывает PING.TTL должен быть близок к 128.

Используйте Tracert для определения задержки на каждом переходе.

Найдите более близкий источник времени. Одним из решений является установка исходных часов в том же сегменте или вручную указание исходных часов, которые географически ближе. Для доменного сценария добавьте машину с ролью GTimeServ.
Не удалось надежно подключиться к источнику NTP W32tm /stripchart периодически возвращает сообщение «Время ожидания запроса истекло» Источник NTP не отвечает
Источник NTP не отвечает Проверьте счетчики Perfmon для счетчика источника клиента NTP, входящих запросов сервера NTP, исходящих ответов сервера NTP и определите свое использование по сравнению с вашими базовыми показателями. Используя счетчики производительности сервера, определите, изменилась ли нагрузка по отношению к вашим базовым показателям.

Есть ли проблемы с перегрузкой сети?

Контроллер домена не использует самые точные часы Изменения в топологии или недавно добавленные главные часы. w32tm/повторная синхронизация/повторное обнаружение
Часы клиента дрейфуют Событие Time-Service 36 в журнале системных событий и/или текст в файле журнала, описывающий, что: «Счетчик источника времени клиента NTP» изменяется с 1 на 0 Устраните неполадки в восходящем источнике и узнайте, не возникают ли у него проблемы с производительностью.

Базовое время

Базовый уровень

важен для того, чтобы вы могли сначала понять производительность и точность вашей сети и сравнить с базовым уровнем в будущем, когда возникнут проблемы. Вы захотите установить базовый уровень для корневого основного контроллера домена или любых машин, помеченных GTIMESRV. Мы также рекомендуем установить базовый уровень основного контроллера домена в каждом лесу. Наконец, выберите любые важные контроллеры домена или машины с интересными характеристиками, такими как расстояние или высокие нагрузки, и установите их в качестве базового.

Это также полезно для сравнения Windows Server 2016 и 2012 R2, однако у вас есть только w32tm /stripchart в качестве инструмента, который вы можете использовать для сравнения, поскольку Windows Server 2012R2 не имеет счетчиков производительности. Вы должны выбрать две машины с одинаковыми характеристиками или обновить машину и сравнить результаты после обновления. В дополнении Windows Time Measurements содержится дополнительная информация о том, как выполнять подробные измерения в период с 2016 по 2012 год.

Используя все счетчики производительности w32time, соберите данные как минимум за неделю.Это гарантирует, что у вас будет достаточно ссылок для учета различных событий в сети с течением времени, а также достаточный пробег, чтобы обеспечить уверенность в том, что ваша точность времени стабильна.

Резервирование сервера NTP

Для ручной настройки NTP-сервера, используемой с машинами, не присоединенными к домену, или PDC, наличие более одного сервера является хорошей мерой избыточности в случае доступности. Это также может дать лучшую точность, если предположить, что все источники точны и стабильны. Однако, если топология спроектирована неправильно или источники времени нестабильны, результирующая точность может быть хуже, поэтому рекомендуется соблюдать осторожность.Предел поддерживаемых серверов времени, на которые w32time может ссылаться вручную, составляет 10.

Високосные секунды

Период вращения Земли меняется со временем в зависимости от климатических и геологических явлений. Как правило, изменение составляет около секунды каждые пару лет. Всякий раз, когда отклонение от атомного времени становится слишком большим, вставляется поправка на одну секунду (вверх или вниз), называемая дополнительной секундой. Это сделано таким образом, чтобы разница никогда не превышала 0,9 секунды. Эта коррекция объявляется за шесть месяцев до фактической корректировки.До Windows Server 2016 служба времени Microsoft не знала о секундах координации, но полагалась на внешнюю службу времени, чтобы позаботиться об этом. Благодаря повышенной точности времени в Windows Server 2016 Microsoft работает над более подходящим решением проблемы дополнительных секунд.

Безопасное заполнение времени

W32time в Server 2016 включает функцию безопасного заполнения времени. Эта функция определяет приблизительное текущее время исходящих SSL-соединений. Это значение времени используется для наблюдения за локальными системными часами и исправления любых грубых ошибок.Вы можете прочитать больше об этой функции в этом сообщении в блоге. В развертываниях с надежными источниками времени и хорошо отслеживаемыми машинами, которые включают мониторинг смещения времени, вы можете отказаться от использования функции безопасного заполнения времени и вместо этого полагаться на существующую инфраструктуру.

Вы можете отключить эту функцию, выполнив следующие действия:

  1. Установите для параметра реестра UtilizeSSLTimeData значение 0 на определенной машине:

      reg add HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\w32time\Config /v UtilizeSslTimeData /t REG_DWORD /d 0 /f
      
  2. Если по какой-либо причине вы не можете немедленно перезагрузить машину, вы можете уведомить службу W32time об обновлении конфигурации.Это останавливает мониторинг времени и принудительное применение на основе данных о времени, собранных из SSL-соединений.

      W32tm.exe/конфигурация/обновление
      
  3. Перезагрузка машины немедленно вводит в действие настройку, а также приводит к прекращению сбора любых данных о времени из SSL-соединений. Последняя часть имеет очень небольшие накладные расходы и не должна быть проблемой для производительности.

  4. Чтобы применить этот параметр ко всему домену, установите для параметра UtilizeSSLTimeData в параметре групповой политики W32time значение 0 и опубликуйте этот параметр.Когда параметр принимается клиентом групповой политики, служба W32time получает уведомление и прекращает мониторинг времени и принудительное применение с использованием данных времени SSL. Сбор данных о времени SSL прекращается при перезагрузке каждой машины. Если в вашем домене есть портативные тонкие ноутбуки/планшеты и другие устройства, вы можете исключить такие машины из этого изменения политики. Эти устройства в конечном итоге столкнутся с разрядкой батареи и потребуют функции безопасного заполнения времени для начальной загрузки своего времени.

%PDF-1.6 % 1 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 4 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 7 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 10 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 13 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 16 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 19 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 22 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 25 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 28 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 31 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 34 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 37 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 40 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 43 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 46 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 49 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 52 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 55 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 58 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 61 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 64 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 67 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 70 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 73 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 76 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 79 0 obj>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 82 0 obj>/ColorSpace>/Font>/ProcSet[/PDF/Text]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 85 0 объект поток конечный поток эндообъект 86 0 объект> эндообъект 87 0 obj>/ColorSpace>/Font>/ProcSet[/PDF/Text/ImageC]/ExtGState>>>/Type/Page>> эндообъект 90 0 объект поток

Сильные торги сырой нефтью в Дубае исказили ориентир цен в Азии

СИНГАПУР (Рейтер) — Рекордные объемы торгов сырой нефтью в Дубае двумя китайскими государственными компаниями в этом месяце в рамках системы ценообразования на нефть, существовавшей десятилетиями, подтолкнули эталонный ориентир вверх, даже несмотря на то, что цены на другие сорта снижаются. под давлением глобального перенасыщения.

Нефтяные резервуары на заводе Sinopec в Хэфэй, провинция Аньхой, 31 мая 2009 г. более дешевая нефть в других местах или сокращение объемов НПЗ из-за низкой маржи.

Chinaoil и Unipec, торговые подразделения компаний PetroChina и Sinopec, соответственно, в начале августа продали рекордные объемы сырой нефти в соответствии с процессом оценки рынка ценовым агентством Platts.Это привело к резкому росту физических цен в Дубае по сравнению с будущими месяцами, создав отсталую рыночную структуру, обычно связанную с нехваткой предложения.

Напротив, глобальный избыток нефти привел к тому, что в этом году фьючерсы на нефть марки Brent и West Texas Intermediate (WTI) находились в состоянии контанго, и большинство аналитиков считают, что избыток сохранится и в следующем году.

«Platts следует серьезно обеспокоиться, поскольку я уверен, что они хотят справедливой рыночной цены, а рынок Дубая сейчас, похоже, перестает работать», — сказал Ойстейн Берентсен, управляющий директор по сырой нефти в сингапурской компании Strong Petrochemical.

Более высокие цены на сырую нефть, привязанные к Дубаю, и более низкие цены на нефтепродукты привели к сокращению маржи нефтепереработки в июле до самого низкого уровня с октября 2014 года, что вынудило некоторые азиатские нефтеперерабатывающие предприятия сократить объемы производства.

Представитель Platts сказал, что компания «уверена в своей методологии оценки цен в Дубае и в своей способности произвести оценку цен, отражающую реальную рыночную стоимость».

ПРЕИМУЩЕСТВО: ПОКУПАТЕЛЬ

Критики процесса Platts Market-on-Close (MoC) для дубайской нефти говорят, что проблема в том, что покупателям проще и менее рискованно участвовать в рынке, чем продавцам.

МС требует поставки 500 000 баррелей груза на каждые 20 торговых лотов в Дубае, проданных одному контрагенту. Это означает, что продавцы должны держать нефть в одном из утвержденных пунктов отгрузки, чтобы участвовать в рынке, с риском того, что в любой месяц баррели могут остаться непроданными, если ни один покупатель не согласится взять достаточно частичных партий, чтобы компенсировать отгрузку.

Таким образом, покупателей часто больше, чем продавцов, и это может подтолкнуть рынок выше фундаментальных рыночных факторов.

«Если крупные позиции, занимаемые китайскими государственными компаниями, время от времени искажают рынок, у ближневосточных производителей могут возникнуть трудности с конкурентоспособным ценообразованием на свою нефть», — говорится в заметке энергетической консалтинговой компании FGE.

Поставка также стала проблемой. Дубай, Оман и Аппер-Закум одобрены для поставки в соответствии с соглашением MoC Дубая, но в этом месяце Chinaoil купила 10 процентов от общего доступного месячного объема за один день, что вызвало опасения, что цены будут еще выше, поскольку баррели иссякнут.

ЭТАЛОННЫЙ ОБЗОР?

Ценовые маркеры иногда пересматривались из-за неустойчивых движений. Крупнейший экспортер сырой нефти Саудовская Аравия в 2010 году, недовольная тем, что, по ее словам, оценки были занижены, переключилась на индекс Argus Sour Crude — в отличие от оценок Platts WTI — для оценки экспорта в Соединенные Штаты.

Источники в нефтяных компаниях Персидского залива, тем не менее, сообщили, что в настоящее время нет призывов к пересмотру бенчмарка Дубая.

Некоторые переработчики говорят, что если в Дубае продолжится рост, они могут действовать самостоятельно.

«Если Дубай и Оман продолжат расти… тогда мы перейдем к переработке большего количества нефти, связанной с маркой Brent», — сказал глава нефтеперерабатывающего завода Hindustan Petroleum Corp Ltd Б.К. Намдео.

И хотя некоторые производители считают, что нефтепереработчикам необходимо участвовать в торговле MoC, большинство малых и средних нефтеперерабатывающих предприятий не готовы к такого рода торговым обязательствам.

Подразделение крупнейшего в Индии нефтеперерабатывающего предприятия Reliance Industries присоединилось к процессу MoC в Дубае в этом месяце, например, продав первую полную партию 17 августа, сообщили трейдеры.

Но другие переработчики сказали, что они не могут сравниться с китайцами или другими людьми с глубокими карманами.

«Китайцы слишком сильны в этой игре», — сказал трейдер азиатского нефтеперерабатывающего завода.

Platts, часть McGraw Hill Financial Inc, конкурирует с Thomson Reuters в предоставлении информации для энергетических рынков.

Репортаж Флоренс Тан и Хеннинга Глойштейна в СИНГАПУРЕ, Осаму Цукимори в ТОКИО, Миён Чо в СЕУЛЕ, Нидхи Вермы в НЬЮ-ДЕЛИ и Рании Эль-Гамаль в ДУБАЕ; Под редакцией Тома Хога

Gigabit Ethernet 101: Основы реализации | Блоги

Марк Харрис

|&nbsp Создано: 23 декабря 2020 г. &nbsp|&nbsp Обновлено: 12 февраля 2021 г.

На этапе планирования на системном уровне любого крупного проекта аппаратного обеспечения по крайней мере один канал связи Ethernet часто включается в качестве стандартной опции, и именно этот интерфейс Ethernet на плате мы собираемся подробно обсудить.В моем сообществе Altium каждые несколько месяцев возникает вопрос о том, как внедрить Ethernet. Часто встречаются некоторые общие ответы относительно импеданса, но ни у кого нет фантастического ресурса, на который они могут ссылаться, который охватывает все с нуля. Это руководство — то, что вам нужно, если вы готовы добавить Ethernet, особенно гигабитный Ethernet, в свою электронную конструкцию и вам нужно быстро освоить дифференциальное сопротивление Ethernet.

Прежде чем мы углубимся, это не проектная статья — мы не будем создавать полное решение в этом проекте.Тем не менее, я знаю, что всем нравится просматривать схемы, а не просто читать страницы технической информации, поэтому я добавил пример схемы на GitHub с реализацией трансивера Gigabit Ethernet Microchip KSZ9131RNX PHY. Мы рассмотрим, что такое PHY, позже, однако я знаю, что некоторым читателям будет проще понять, есть ли у них схема, на которую можно посмотреть, и применить статью к ней. Скриншоты этих схем есть в этой статье. Однако их гораздо проще просматривать в Altium Designer®, чем в виде изображений в блоге.

Протокол Ethernet был стандартизирован в 1980-х годах и быстро развивался со скоростью от 10 Мбит/с до 10 Гбит/с. С современной технологией Fast Ethernet (100BASE-TX) и Gigabit Ethernet (1000BASE-T) являются достаточно стандартными, если в качестве физической среды передачи используется медный провод (витая пара). С другой стороны, если предпочтение отдается волоконно-оптическим кабелям, то может быть достигнута пропускная способность связи более 10 Гбит/с. Следует отметить, что эти скорости передачи являются теоретическими максимальными значениями.Всегда будут узкие места, которые ограничивают практическую пропускную способность, такие как скорость контроллера и/или процессора, а также неблагоприятные воздействия, вызванные неточной трассировкой печатных плат (включая перекрестные помехи, несоответствие импеданса, максимальную длину трассы). Мы вернемся к компоновке печатной платы и трассировке ближе к концу статьи, как только поймем, как работает гигабитный Ethernet и его необходимые компоненты.

Возможно, у вас уже есть некоторое представление о реализации гигабитного Ethernet, возможно, вам даже удалось реализовать работающий интерфейс гигабитного Ethernet, или вы впервые погрузились в разработку высокоскоростного цифрового интерфейса.Эта статья предназначена для дизайнеров в качестве руководства от теоретических основ до практических аспектов проектирования схем и макетов. Даже если вы являетесь экспертом в области цифровых интерфейсов, эта статья может быть полезна в качестве чек-листа или напоминания теории. Вы должны знать, что для облегчения чтения этой статьи некоторые блоки или компоненты не будут описаны в некоторых разделах, но эти пробелы будут заполнены в некоторых из следующих разделов.

Основы Gigabit Ethernet

Прежде чем перейти непосредственно к аппаратному обеспечению, может быть полезно получить краткое представление о том, какие типы данных передаются из реального мира в контроллер с точки зрения сети.Общая 7-уровневая модель OSI повсеместно используется для обозначения структуры кадра всех протоколов связи, а Ethernet, как определено стандартом IEEE802.3, объединяет некоторые уровни модели OSI всего в четыре уровня, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1. 7-уровневая модель OSI и уровни протокола Ethernet

Областями интересов разработчиков аппаратного обеспечения являются «физический уровень» (Ethernet PHY) и «уровень канала передачи данных», в то время как другие уровни в первую очередь представляют интерес для разработчиков встроенного программного обеспечения. , библиотеки сетевого стека и разработчики приложений, а также эксперты по кибербезопасности.По определению, данные Ethernet, передаваемые по медному кабелю с витой парой, являются частью физического уровня, пока не достигнут устройства. На канальном уровне данные разлагаются в формат, понятный сетевому стеку, встроенному в контроллер. Проще говоря, физический уровень аналогичен дорогам и грузовикам, перевозящим почту. Уровень канала передачи данных, напротив, соответствует конверту, который содержит адресную информацию, необходимую для того, чтобы отличить одно почтовое отправление от другого. Далее в статье мы рассмотрим более подробное объяснение того, как эти сетевые уровни соотносятся с информацией об эквивалентном уровне IC.

Почему стоит выбрать Gigabit Ethernet?

При изучении истории развития протокола Ethernet становится очевидным значительное улучшение скорости, которое происходит с каждым новым поколением. Глядя на аппаратную скорость и пропускную способность, очевидным выбором поколения для внедрения в современный дизайн является гигабитный Ethernet. Когда дело доходит до различных сред, скажем, вы выбираете WiFi, чтобы избежать необходимости в кабелях, определенно есть некоторые преимущества и недостатки по сравнению с Ethernet, как можно увидеть в следующих примерах.

  • Скорость: Максимальная теоретическая скорость WiFi, работающая по стандарту IEEE 802.11g, составляет 54 Мбит/с, что явно несопоставимо со скоростью 100 Мбит/с Ethernet или гигабитной скоростью Ethernet. Однако Wi-Fi, работающий по стандарту IEEE 802.11ac, предлагает теоретическую скорость до 3,2 Гбит/с, что в три раза быстрее, чем у гигабитного Ethernet. Следует отметить, что адаптеры Wi-Fi и точки доступа должны быть совместимы со стандартом 802.11ac для связи, чтобы обеспечить такую ​​скорость передачи.Теоретическая скорость соединения WiFi часто невозможна в реальном мире, поскольку у нас редко бывает идеальная линия прямой видимости между устройствами.
  • Надежность : Проводные соединения могут маршрутизироваться как своего рода сеть «точка-точка», и если нет обрыва кабеля или неисправности разъема, перебои в сетевом трафике маловероятны. Это делает работу проводной сети очень стабильной с точки зрения скорости и задержки. С другой стороны, Wi-Fi чувствителен к помехам от других беспроводных устройств, а также к ухудшению сигнала из-за атмосферных условий и воздействия препятствий, таких как стены зданий.Простое изменение влажности может сильно повлиять на скорость, поскольку беспроводной сигнал ослабляется атмосферной влагой. Теоретическая и практическая разница в скорости также зависит от надежности, которая гораздо более заметна при использовании Wi-Fi.
  • Безопасность : Wi-Fi передает свой трафик по воздуху, а это означает, что приемник в пределах досягаемости может легко перехватывать сетевые действия, если только трафик не защищен надежным паролем/зашифрован с помощью известного безопасного алгоритма.Ваш трафик может быть безопаснее при использовании проводных подключений, где незамеченный перехват является более сложной задачей.
  • Простота использования : Если вам не нравится ограничиваться использованием кабелей или вы работаете в месте, где прокладка кабелей является проблемой, выбор WiFi может сделать сетевое подключение более доступным.

За исключением проектирования устройств IoT, разработчик оборудования часто использует интерфейс Ethernet для связи с другими системами, особенно для передачи объемных данных мониторинга и файлов.Надежность и скорость Ethernet трудно сравниться, и эта надежность и скорость упрощают инженерные решения и разработку аппаратного и микропрограммного обеспечения. Использование проводного соединения также дает еще одно преимущество: затраты на сертификацию могут быть намного ниже, если устройство не осуществляет радиопередачу, поскольку устройство будет сертифицировано как непреднамеренный излучатель.

Как насчет использования USB-интерфейса вместо Ethernet-соединения, о котором вы могли подумать? Оба они используют проводные соединения, а с недавней эволюцией технологии USB — USB 3.x стандартные интерфейсы имеют рейтинги скорости, которые аналогичны или выше, чем у гигабитного Ethernet (USB 3.1: ~10 Гбит/с). Должны ли мы тогда заменить все Ethernet-оборудование на USB 3.x? Прежде чем сделать свой выбор, подумайте, готовы ли вы согласиться на следующее:

  • Кабель меньшей длины (несколько метров вместо ~100 метров для Ethernet)
  • Двухточечное соединение вместо многоточечного соединения
  • USB не поддерживает типичные сетевые возможности, поэтому передача данных на удаленный веб-сервер/базу данных/файловый сервер является сложной задачей.

Если вы можете жить с этими ограничениями, то почему бы не попробовать USB3.x вместо Ethernet. Обратите внимание, что эти ограничения не направлены на то, чтобы очернить технологию USB3.x; выбор USB или Ethernet определяется тем, что вам нужно для конкретных требований вашего приложения.

Для Ethernet принципиально важным моментом является использование оптического канала связи вместо медного кабеля, вариант, который расширяет почти все ограничения по скорости, задержке и длине кабеля. Однако оптоволоконный гигабитный Ethernet — это тема для другого разговора, и в этой статье мы ее рассматривать не будем.

Ethernet — очень удобная технология, обеспечивающая прямой доступ к стандартным сетевым протоколам и системам. Если сеть, к которой подключено ваше устройство, разрешает доступ к Интернету, отправка данных на удаленные серверы, такие как облачные провайдеры, является относительно тривиальной реализацией, когда речь идет о разработке программного обеспечения/прошивки. Ethernet позволяет использовать существующую инфраструктуру. Wi-Fi предлагает множество удобств, но сопряжен с рисками и штрафами, которые могут быть приемлемыми или неприемлемыми для вашего приложения.USB — распространенный стандарт, доступный на многих устройствах. Однако ваше устройство должно находиться в непосредственной близости от хост-устройства или клиентского устройства, для которого обычно требуется специальное программное обеспечение, установленное на этом устройстве, для обеспечения связи с разрабатываемым вами продуктом. Ethernet не всегда является правильным решением проблемы, но часто это хороший ответ.

Изучение разъема RJ-45

Рисунок 2. Определение сигнала разъема Fast и Gigabit Ethernet

С незапамятных времен для интерфейсов Ethernet использовались розетки и вилки типа RJ-45 с медными кабелями с витой парой.Наиболее распространенной структурой кабеля является «неэкранированная витая пара (UTP)», которая классифицируется в соответствии с максимальной несущей частотой от категории 1 (Cat1) до категории 8 (Cat8). Несущая частота определяет скорость передачи, и для получения правильных скоростей для вашего гигабитного Ethernet всегда следует использовать кабель категории 5 или выше.

Совет: обратите внимание при выборе разъема RJ-45 для вашей печатной платы, так как некоторые разъемы имеют низкопрофильный вариант, который потребует выреза на плате под разъем.Также обратите внимание, что некоторые разъемы RJ-45 включают в себя необходимую схему магнитного согласования (известную как согласование Боба Смита), встроенную в разъем (иногда называемый разъемами MagJack).

Как видно на рисунке 2, кабели UTP имеют четыре витые пары, где каждой паре назначен один положительный и один отрицательный сигнал. В то время как Ethernet 10/100 Мбит/с использует только две пары, Gigabit Ethernet использует все четыре пары для полнодуплексной связи и отличается от Fast Ethernet тем, что все четыре пары, используемые Gigabit Ethernet, являются двунаправленными.В этот момент, скорее всего, у вас возникнут два вопроса: почему они используют витые пары и почему для каждой пары есть один положительный и один отрицательный сигнал?

Короткий ответ заключается в том, что обе эти функции используются для снижения воздействия электромагнитного излучения и помех. Параллельные кабели в жгуте (не скрученные) могут легко наводить помехи друг на друга, так как кабель действует как индуктор с током и создает магнитное поле. Метод дифференциальной передачи является отличной отправной точкой в ​​предотвращении этого эффекта магнитного поля, поскольку в этом методе используются два кабеля, один для исходного сигнала и один для инвертированной копии сигнала, каждый из которых индуцирует одинаковое и противоположное магнитное поле, которое нейтрализует другое. .

Хотя дифференциальные приемники по своей конструкции устойчивы к синфазному шуму, если положительный и отрицательный сигнальные кабели не находятся на одинаковом расстоянии от источника шума, синфазный шум может быть преобразован в дифференциальный шум. Эта проблема решается скручиванием пар положительных и отрицательных сигналов вместе. Это гарантирует, что они будут близко друг к другу по всей длине кабеля. Разновидность этого метода, дифференциальная маршрутизация пар, является широко распространенным методом, используемым при разводке печатных плат для критически важных сигналов.

Еще одна проблема, связанная с высокоскоростной связью, — отражение сигнала. Если на пути прохождения сигнала есть какие-либо несоответствия импеданса, максимальная мощность не будет передаваться дальше этой точки, а часть энергии сигнала будет отражаться обратно к источнику. Если сопротивление более длинных кабелей и/или дорожек печатной платы не согласовано, качество сигнала может ухудшиться до такой степени, что это приведет к сбою связи.

Таким образом, кабель UTP состоит из четырех сбалансированных витых пар с волновым сопротивлением 100 Ом для уменьшения отражения, и они скручены с разным коэффициентом поворота для уменьшения перекрестных помех между парами.Промышленность делает все возможное для производства кабелей, и эта статья расскажет вам, как получить наилучшую разводку печатной платы, чтобы избежать каких-либо побочных эффектов шума или потери сигнала.

Интерпретация сигналов Ethernet на печатной плате

Даже когда мы говорим о высокоскоростных цифровых интерфейсах, не будет ошибкой сказать, что реальный мир — это «аналоговая» среда. Вся информация, передаваемая по кабелю, должна быть надлежащим образом оцифрована в соответствии с требуемым протоколом контроллера, независимо от его архитектуры.Вспоминая модель OSI и уровни протокола Ethernet, первым из них является «физический уровень» (PHY), который начинается с кабеля и продолжается до тех пор, пока устройство PHY IC не получит/не передаст модулированный сигнал реального мира. PHY IC — это приемопередатчик интерфейса Ethernet, который обрабатывает операции кодирования/декодирования в соответствии с протоколом и включает в себя «Интерфейс, зависящий от среды (MDI)» для подключенной среды передачи (т. е. кабель UTP в случае Gigabit Ethernet). .

Рис. 3. Демонстрация PHY и MAC Ethernet 10/100 Мбит/с (модуляция PAM-5 для 1 Гбит/с) контроллер между PHY и микропроцессором, который включает сетевой стек в свою прошивку. После того, как PHY завершил свою работу с сигнальными битами, он напрямую отправляет их через «независимый от среды интерфейс (MII) » на контроллер MAC, который создает и проверяет структуру кадра в соответствии с определенным протоколом.PHY использует MDI для соединения RJ-45. MII используется для интерфейса между PHY и MAC.

Разработчик оборудования обычно имеет три варианта реализации интерфейса Gigabit Ethernet в своей системе:

Поскольку пропускная способность для требований к интерфейсам Gigabit (1/10+Gbps) Ethernet очень высока, для обработки требуется высокоскоростная шина, такая как PCI, PCIe, USB3.x или 16-/32-битная параллельная шина. устройства, не имеющие встроенного MAC. Большинство высокопроизводительных микропроцессоров и систем на кристалле (SoC) (например, NXP i.MX6 и i.MX8, Xilinx Zynq-7000 SoC, TI Sitara) имеют встроенный гигабитный MAC-контроллер для внутренней обработки передачи данных с высокой пропускной способностью в сетевой стек. Напротив, некоторые микроконтроллеры среднего уровня (например, ST STM32F4 и многие другие серии ARM Cortex или Microchip PIC32M) имеют встроенный MAC-адрес Ethernet 10/100 Мбит/с. Хотя мы упомянули третий вариант, найти комбинацию Gigabit PHY и MAC в одном корпусе непросто. Итак, мы только что включили эту опцию для полноты картины; например, на рынке доступны Microchip LAN7430 и LAN7850.Кроме того, серия Intel 825xx является еще одним вариантом, но поставщики не имеют их в наличии, а доступность зависит от минимального количества заказа (MOQ) и соглашений о неразглашении (NDA). С другой стороны, для варианта 10/100 Мбит/с вы можете найти многие из этих устройств в электронных платах любительского уровня, таких как ENJ2860, ENC424J600 и W5100/W5500 с интерфейсом для шины последовательного периферийного интерфейса (SPI).

Вообще говоря, второй вариант, который мы перечислили, всегда предпочтительнее, если процессор имеет достаточный интерфейс MAC (MII) для необходимого количества гигабитных интерфейсов для проекта.Даже при ограниченном количестве MAC-интерфейсов на стороне процессора использование Ethernet-коммутаторов уровня IC может решить любые проблемы, если все Ethernet-интерфейсы работают на одном уровне сетевой конфиденциальности. Использование в оборонной промышленности может потребовать физического разделения интерфейсов по соображениям безопасности. Основываясь на информации, которую мы рассмотрели до сих пор, мы выбрали пример конструкции, который будет основан на использовании дискретного PHY и интегрированного MAC.

Прежде чем идти дальше, давайте посмотрим, какие поставщики обычно предлагают популярные дискретные гигабитные микросхемы PHY и MAC.Обратите внимание, что конкретные критерии выбора и рассмотрение их особенностей будут рассмотрены в следующих разделах. Подходящими устройствами являются KSZ9031, KSZ9131, VSC8211 и VSC8501 (все от Microchip/Microsemi), ADIN1300 (Analog Devices), MAX3956 (Maxim) и DP83867 (Texas), которые являются широко распространенными чипами Gigabit PHY. Broadcom — еще один производитель гигабитных PHY (серии BCM546x и BCM548x), но они, как правило, не имеют складских запасов с высоким MOQ и/или имеют длительный срок поставки.

LAN7431 и LAN7801 (Microchip), BCM5727 и BCM5720 (Broadcom) — это ИС контроллера Gigabit MAC, которые можно найти на рынке.

Совет. При выборе обращайте внимание на экологические требования интегральных схем. Дважды проверьте свои потребности с точки зрения рабочей температуры, соответствия ROHS и чувствительности к влаге в дополнение к электрическим требованиям, таким как уровень напряжения, занимаемая площадь устройства и т. д.

Рис. 4. Образцы блок-схем High-End MPU и SoC

Magnetics

До этого момента мы говорили, что данные Ethernet передаются по кабелю UTP через разъем RJ-45, а затем передаются через MDI на PHY.Однако в стандарте Ethernet IEEE 802.3 указано, что PHY должен быть гальванически изолирован от среды передачи. Есть две фундаментальные причины для этого требования изоляции. Первая связана с возможным смещением земли между устройствами, расположенными далеко друг от друга. Во-вторых, защита всех устройств от сбоев в линии, таких как короткое замыкание на высоковольтную шину, скачок напряжения или разряд электростатического разряда. Хотя стандарт Ethernet строго не определяет метод изоляции, использование трансформатора или оптоизолятора обычно является предпочтительным вариантом в первую очередь.Однако изоляция трансформатора имеет ряд больших преимуществ при использовании в приложениях Ethernet и широко используется в проектах. Преимущества использования изолирующего трансформатора 1:1:

  • Нет необходимости в подаче напряжения на изолированную сторону, поскольку сигнал передается напрямую через трансформатор.
  • Сигналы Ethernet
  • (даже 10 Мбит/с) слишком быстры для большинства оптоизоляторов, а трансформаторы дешевле и их проще достать.
  • По своей природе трансформаторы имеют очень высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR), что делает их идеальными для дифференциальной связи.Любое синфазное напряжение, подаваемое на обе клеммы трансформатора, отклоняется, и на изолированную сторону передается только дифференциальное напряжение между клеммами.
  • Поскольку пары MDI представляют собой сбалансированные дифференциальные пары с регулируемым импедансом (Z0 = 100 Ом), они должны быть строго согласованы с волновым сопротивлением кабеля витой пары. Предположим, что кабельные пары имеют другое сопротивление, чем пары MDI. В этом случае трансформатор представляет собой идеальную точку для преодоления любого несоответствия импеданса, позволяя передавать сигнал без каких-либо отражений из-за согласованных импедансов.Кроме того, как мы обсудим в следующих разделах, некоторые приемопередатчики PHY могут быть основаны на несбалансированных парах MDI, а трансформаторы идеально подходят для использования в качестве преобразователя BALUN (сбалансированный в несбалансированный).
  • Защита от высокого напряжения изоляции (стандарт требует невосприимчивости к 1500 В переменного тока при 50/60 Гц в течение 60 секунд между парами или от одной пары до земли шасси) легко достигается при использовании магнитной изоляции, которая защищает физическую сторону от воздействия разрядов электростатического разряда. .

Пара недостатков использования трансформатора заключается в том, что он блокирует постоянную составляющую и не очень эффективен на низких частотах.Однако их можно легко решить с помощью схемы модуляции и выбора соответствующего преобразователя, соответствующего выбранным стандартным определениям протокола Ethernet.

После принятия решения об использовании трансформатора и после непродолжительного поиска поставщика первый вопрос, который у вас, скорее всего, возникнет, будет заключаться в том, следует ли вам использовать дискретные магниты или разъем со встроенными магнитами. К сожалению, идеального ответа не существует, и разработчику необходимо детально проанализировать компромисс между этими вариантами.Сравнение двух вариантов суммировано в таблице 1 ниже (жирным шрифтом обозначен победитель).

Таблица 1. Компромисс между дискретными и встроенными магнитными компонентами

  Дискретный магнетик Встроенная магнитная система с разъемом RJ-45
Стоимость Более дорогой из-за использования большего количества компонентов. Дешевле, так как количество позиций в спецификации меньше.
Сборка Более сложный, с большим количеством спаянных деталей. Сборка — это просто соединитель, после чего он готов к использованию.
Макет Более сложная и неудачная компоновка может свести на нет электрические преимущества использования дискретных магнитов. Более простой и с меньшим риском неправильной компоновки.
Техническое обслуживание Неисправные детали можно устранить и заменить отдельно. В случае сбоя необходимо заменить весь разъем, поэтому его обслуживание в долгосрочной перспективе может быть дороже, чем дискретный вариант.
Перекрестные помехи/ЭМС и электростатические разряды Благодаря хорошей компоновке возможность перекрестных помех между парами сведена практически к нулю. Поскольку магниты создают изолированный домен, разряды электростатического разряда обрабатываются в ограниченной области печатной платы, прежде чем они достигнут физической стороны. Хотя металлический экран соединителя обеспечивает некоторые преимущества ЭМС, он более чувствителен к перекрестным помехам между парами, а скачок напряжения от разряда электростатического разряда может быть легче связан с парами PHY MDI, поскольку трансформатор расположен на небольшой площади.
Физическая совместимость Совместимость со всеми физическими уровнями благодаря раздельной маршрутизации всех соединений к контактам. Некоторые центральные ответвители могут быть объединены вместе для уменьшения количества контактов, а затем направлены на один контакт, что может привести к снижению производительности.


В свете предоставленной информации разработчик должен выбрать наиболее подходящий вариант для своего конкретного применения. Просто отметим, что, исходя из нашего опыта, если есть какие-либо требования к надежности и/или безопасности (например, требования MTBF, FME(C)A в автомобильной и оборонной промышленности), то использование дискретных магнитов обычно лучше. выбор. Для серийных коммерческих проектов и электроники на уровне хобби встроенные магниты идеально подходят, поскольку они снижают затраты и упрощают процесс проектирования.Здесь для нашего примера конструкции будет выбран вариант дискретного магнитного поля. Внутреннее устройство, критерии выбора и схемы подключения дискретных магнетиков будут описаны ниже.

Во-первых, выбранные магниты должны иметь блок трансформатора для каждой из четырех пар, которые используются в приложениях Gigabit Ethernet. Кроме того, несмотря на то, что это не является обязательным, наличие синфазного дросселя (CMC) для повышения устойчивости к синфазным помехам всегда является хорошим вариантом. Хотя дифференциальные приемники сами по себе хорошо подавляют синфазный (CM) шум, с помощью CMC будет улучшаться отношение сигнал/шум и, как следствие, коэффициент битовых ошибок на стороне приемника.Что касается пар передатчиков, CMC уменьшает электромагнитные излучения, вызванные шумом CM, связанным с парами PHY MDI. Другим необязательным компонентом магнитопровода является автотрансформатор, который создает путь с высоким импедансом для дифференциальных сигналов и создает путь с низким импедансом для сигналов CM.

Рисунок 5. 12 обмоток (3 катушки на порт) и 8 обмоток (2 катушки на порт) магниты, доступные на рынке.Простая часть процесса выбора состоит в том, чтобы убедиться, что допуск обмотки составляет менее ±5%, а также убедиться, что напряжение изоляции, рабочая частота, CMRR и коэффициент перекрестных помех соответствуют стандарту IEEE для Gigabit Ethernet. Выбор магнитных компонентов с автотрансформатором является еще одним компромиссом, который должен учитывать разработчик, обеспечивая соответствие требованиям EMI / EMC на уровне системы, а также любым требованиям, установленным такими органами, как FCC, которые являются жизненно важными факторами. Выбор варианта с 12-обмоточными магнитами увеличит затраты и снизит риск отказа при испытаниях на электромагнитную совместимость.В качестве альтернативы вариант с 8-обмоточным магнитом дешевле и обеспечивает хорошую компоновку, но, возможно, потребуется снизить риск отказа при тестировании на электромагнитную совместимость. Хорошей практикой является выбор варианта с 12-обмоточными магнитами, если интерфейс Ethernet является частью цифровой системы, создающей много шума. Если в таких обстоятельствах желательна 8-обмоточная обмотка, рассмотрите возможность подключения стороны CMC к стороне кабеля для улучшения электромагнитных помех (обратите внимание, что обратное подключение также будет работать). При выборе 12-витковой обмотки автотрансформатор должен быть подключен к стороне кабеля для правильной работы.Pulse Electronics, Bel Fuse, Halo, Bourns и TDK обычно являются производителями магнитных изделий. Чтобы избежать путаницы при чтении таблицы данных, обычно метки контактов, начинающиеся с «Mx», предназначены для подключения к стороне «носителя» (кабеля), а метки контактов, начинающиеся с «Td», подключаются к стороне PHY.

Решение проблем, связанных с электромагнитной совместимостью, может показаться «черной магией», поэтому перед выполнением тестов трудно быть полностью уверенным, что уровни будут находиться в допустимых пределах. Следовательно, разработчик должен использовать все доступные методы снижения шума и иметь несколько альтернативных вариантов улучшения, чтобы снизить риск, чтобы гарантировать, что уровни в окончательном проекте будут достаточно низкими.Независимо от топологии в магнетизме, как у разделительного трансформатора 1:1, так и у автотрансформатора центральные ответвления выведены на штырьки, чтобы обеспечить дополнительные возможности согласования, фильтрации и смещения.

В соответствии с патентом Роберта (Боба) В. Смита, парные связи кабеля UTP образуют линии передачи относительно друг друга. Если линия передачи не завершена правильно, то существует возможность отражения, которое ухудшит качество сигнала. Для предотвращения отражений рекомендуется, чтобы каждый центральный ответвитель на стороне кабеля (включая 8- или 12-обмоточные компоненты) был отдельно подключен к заземлению магнитного шасси с помощью резистора 75 Ом.Также рекомендуется добавить один высоковольтный конденсатор между согласующим резистором и корпусом, чтобы сформировать дополнительный фильтр для подавления синфазных помех, аналогичный топологии раздельной нагрузки. Обратите внимание, что каждый центральный ответвитель должен иметь отдельный согласующий резистор, а всего одного конденсатора достаточно для всех четырех соединений шасси. (См. рис. 6 и 7 ниже)

Совет. Рекомендуется использовать устойчивые к импульсным перенапряжениям согласующие резисторы MELF 75 Ом для повышения устойчивости к электростатическим разрядам на стороне магнитного кабеля, хотя резисторы MELF сильно мешают монтажникам.

Когда речь идет о центральном ответвлении на стороне PHY, его обычно следует подключать к сигнальной земле с помощью конденсатора для дополнительной фильтрации. Как и согласующие резисторы Боба-Смита, каждый центральный отвод для пар должен иметь свои собственные конденсаторы, чтобы предотвратить протекание какого-либо блуждающего тока между каждой парой. Этот центральный ответвитель также можно использовать для подачи требуемого синфазного напряжения смещения, необходимого для топологии PHY, и/или тянуть линию вверх/вниз в соответствии с различными конфигурациями формирователя линии на стороне PHY.Пожалуйста, внимательно ознакомьтесь со спецификацией PHY, чтобы определить, какие конфигурации смещения и линейного драйвера применимы. Они будут обсуждаться далее в следующем разделе.

Рис. 6. Схема Magnetics Рис. 7. Схема Magnetics

Gigabit PHY

Говорят, что PHY является критической точкой, в которой происходит передача данных Ethernet из «цифрового» мира в «аналоговый» реальный мир и наоборот. Как видно на рисунке 8 ниже, PHY является последним активным компонентом перед тем, как сигнал пойдет на разъем (и магниты) во всех трех вариантах конфигурации.

Рис. 8. Полная блок-схема с опциями

В процессе выбора PHY только два фундаментальных вопроса будут решающими для выбора устройства, поскольку большинство стандартных свойств автоматически включаются в любую PHY IC. Первый вопрос — это определение интерфейса для подключения к устройствам канального уровня (MAC), а второй вопрос — это определение поддерживаемых опций носителя для подключения на стороне кабеля.Как указывалось ранее, приемопередатчик PHY имеет «Интерфейс, зависящий от среды» (MDI) для связи в реальном мире и «Интерфейс, независимый от среды» (MII) для связи по MAC-адресу. Соглашение об именовании MII можно рассматривать как общее название торговой марки, которое также используется для продуктов (т. Е. Все черное печенье с ванильным кремом обозначается как Oreo). Доступны пять альтернатив: MII, RMII, GMII, RGMII и SGMII (вкратце, давайте будем называть их «xMII»). Каждый из них будет подробно описан в следующем разделе.PHY должен иметь подходящий интерфейс с выбранным MAC. Точно так же необходимо учитывать системные требования к среде передачи, такой как медный кабель и оптоволокно. Если требуется использовать медный кабель UTP, PHY должен иметь подходящий интерфейс MDI для магнитов и разъем RJ-45.

Чтобы продемонстрировать это, вы должны проверить страницу продукта выбранного PHY в примере дизайна, которым является KSZ9131. Доступны два варианта: KSZ9131MNX и KSZ9131RNX.В то время как первый вариант поддерживает GMII/MII, последний поддерживает только RGMII. Если выбранный MAC имеет только интерфейс RGMII, то KSZ9131MNX будет неправильным выбором. Нет необходимости упоминать сторону MDI, так как это относительно яснее, когда речь идет о выборе правильного физического уровня с выбором между интерфейсами оптоволоконного и медного кабеля.

Чтение и понимание любого технического описания гигабитного PHY может показаться не таким простым на первый взгляд, поскольку в разделе функций будет перечислено множество стандартных свойств.Если вам не нужно создавать специальную реализацию гигабитного интерфейса Ethernet, большинство из этих функций просто «приятно иметь» опции, которые могут немного облегчить жизнь. Мы постараемся кратко описать некоторые из них, и если вы считаете, что для вашего конкретного приложения необходима дополнительная информация, просто введите в Google соответствующее ключевое слово:

.
  • Автосогласование : Это лучше всего определить как взаимное согласие сетевых устройств, совместно использующих проводное соединение, о том, какую скорость, дуплекс и элементы управления они все должны использовать для управления использованием канала.Эта функция очень полезна для обратной и прямой совместимости и является обязательным требованием для любого гигабитного Ethernet.
  • Auto MDIX (Crossover) : Для работы 10/100BASE пары TX должны быть направлены на пары RX, и наоборот. Примитивным решением было изменить порядок пар в разъеме кабеля. Затем это превратилось в изменение порядка разъемов устройств (MDI для прямого порядка, используемого с ПК, и MDIX для обратного порядка, используемого с коммутатором / концентратором).Наконец, инженеры HP запатентовали протокол Auto-MDIX, который позволяет PHY определять пары передачи/приема и устанавливать надлежащий канал связи. Основной причиной использования этой функции является обратная совместимость и устранение необходимости использования перекрестных кабелей UTP, поскольку пары Gigabit Ethernet являются двунаправленными и в них используются разные алгоритмы на физическом уровне, такие как подавление эха.
  • Energy Efficient Ethernet (EEE): Как видно из названия, если PHY имеет функцию EEE, то, если нет необходимости отправлять данные в течение определенного времени, передатчик автоматически переводится в режим низкого энергопотребления. -Режим ожидания, сообщающий всем подключенным устройствам, что они находятся в этом состоянии, отправляя пакеты LPI.Поскольку приемник всегда активен, нет риска прерывания связи, и, как правило, это может привести к экономии энергии более чем на 50%.
  • IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP) : Эта функция обычно требуется приложениям реального времени, от автоматизации производства до телекоммуникаций. Встроенные функции 1588 могут генерировать строго синхронизированные тактовые сигналы с низким джиттером, штамповать пакеты и запускать события на GPIO.
  • Synchronized Ethernet (SyncE) : Для высокоскоростных критичных ко времени коммуникаций, таких как передача голоса и видео в режиме реального времени, буферизация данных на каждом узле должна быть сведена к минимуму, и, как следствие, все узлы должны быть плотно синхронизированы с общим тактовым сигналом.SyncE создан для передачи информации о часах между узлами с использованием устройств PHY. Каждый PHY восстанавливает тактовый сигнал и использует либо внутреннюю, либо внешнюю PLL для устранения любого джиттера перед использованием сигнала для синхронизации операций.
Рис. 9. Модель уровня терминального оборудования данных

Ethernet PHY включает в себя блоки кодирования и модуляции в соответствии со стандартом IEEE для преодоления любых физических ограничений, которые позволяют кабелю Cat5 UTP быть эффективным и сертифицированным для частот до 125 МГц.Если PHY отправляет каждый бит за один такт (например, 10BASE), то потребуется кабель, поддерживающий частоту 1 ГГц. Вместо отправки каждого бита за один тактовый цикл 100/1000BASE передает один «бод» за цикл с применением кодирования. 100BASE кодирует каждую 8-битную группу в 10-битный пакет (схема 4B/5B или 8B/10B) для повышения надежности, а это означает, что необходимо отправлять данные со скоростью 125 Мбод, что требует тактовой частоты 125 МГц.

Gigabit Ethernet использует модуляцию PAM-5, которая использует пять уровней напряжения и кодирует два бита за такт, используя четыре разных уровня напряжения в каждой паре; пятый уровень напряжения используется для исправления ошибок.Основное различие между 100BASE и 1000BASE заключается в том, что гигабитный Ethernet использует все четыре пары двунаправленно и одновременно. Используя базовую математику, мы видим, что 1000 Мбит/с / 4 = 250 Мбит/с на пару, а кодирование двух битов в каждом цикле приводит к тактовой частоте 125 МГц. Таким образом, используя ту же скорость передачи данных и тактовую частоту, что и Fast Ethernet, Gigabit Ethernet более эффективно использует все доступные ресурсы и увеличивает скорость соединения, при этом сохраняя сертифицированные пределы относительно дешевого кабеля Cat5, вместо того, чтобы использовать больше. дорогие кабели высшей категории.

Используемая модуляция/кодирование очень распространена в мире связи, и все приемопередатчики не должны иметь проблем с успешной модуляцией и демодуляцией (mod/demod) сигналов. Поскольку Gigabit Ethernet PHY является приемопередающим устройством с обратной совместимостью, мы можем понять, почему для процессов модификации/демодирования ему требуется источник тактовой частоты 10 МГц (10BASE) и 125 МГц (100/1000BASE). Кроме того, в зависимости от выбранного типа интерфейса могут потребоваться дополнительные опорные частоты, такие как 2,5 МГц, 25 МГц или 125 МГц, для связи PHY-MAC «xMII».Как правило, PHY также будет иметь выход тактового сигнала 25 МГц или 125 МГц для синхронизации с другими физическими уровнями или в качестве входного эталона для устройства MAC.

Все устройства Ethernet PHY, доступные на рынке, имеют встроенный синтезатор тактовых импульсов с ФАПЧ, поэтому им нужен лишь эталонный кварц или генератор, как правило, на частоте 25 МГц. Всегда полезно перепроверить техническое описание, чтобы узнать, есть ли в нем встроенный драйвер кристалла, позволяющий использовать кристалл. Как правило, рекомендуется, чтобы требования к точности были выше 50 частей на миллион, а использование генератора может упростить компоновку.Опять же, это компромисс для дизайнеров с точки зрения цены, стабильности и усилий по макету. Вы должны быть осторожны, чтобы проверить емкость нагрузки кристалла, если вы выбираете эту опцию.

Терминология «strap» или «bootstrap», используемая для Ethernet-устройств, определяет жестко запрограммированные настройки для таких параметров, как адрес устройства, режим, выбор xMII, разрешение тактирования и т. д. до того, как устройство завершит включение питания. Настоятельно рекомендуется внимательно изучить техническое описание вариантов ремешков, поскольку они зависят от поставщика и могут меняться в зависимости от устройства.Важным моментом здесь является настройка требуемого времени сброса, чтобы контакты перемычки установились на желаемом уровне напряжения, который легко регулируется с помощью схемы задержки RC.

Рис. 10. Пример схемы сброса для правильной обвязки

Еще один момент, связанный с выбором PHY, — проверить, есть ли у него внутренние согласующие резисторы или нет. Их наличие критично для целостности сигнала, как для стороны MDI, так и для стороны MII. MDI использует сбалансированные дифференциальные пары, поэтому, если PHY не имеет встроенных согласующих резисторов, на плату необходимо добавить параллельное раздельное согласование (предпочтительно для фильтрации синфазных помех).Точно так же интерфейс xMII должен иметь последовательные согласующие резисторы, встроенные в микросхему или на плату.

Рисунок 11. Раздельная оконечная нагрузка (конденсаторы не применимы для Ethernet)

Как было кратко упомянуто при описании использования центрального отвода магнитного поля, для гигабитного Ethernet доступны два типа драйвера линии: токовый режим и режим напряжения . Разработчик должен проверить драйвер линии PHY на наличие соединения с центральным отводом магнитного поля и раздельным соединением с центральным отводом. Поскольку драйверы с режимом напряжения имеют различные преимущества по сравнению с режимом тока, в настоящее время этот тип линейного драйвера более распространен среди устройств.Тем не менее, проектировщик все равно должен знать о требованиях линейного драйвера текущего режима для различных аспектов проекта.

Рис. 12. Драйвер линии в режиме тока и в режиме напряжения

Совет. Для получения дополнительной информации см. документ Microsemi «ENT-AN0106 Application Note».

Большинству устройств Ethernet (PHY, MAC и Switch) требуется шина питания 1,2 В для аналоговых и цифровых ядер, а также для питания PLL. Другие аналоговые, цифровые источники питания и источники ввода-вывода обычно можно выбрать из 3.3 В, 2,5 В и 1,8 В, а в техпаспорте нужно внимательно свериться с требуемой схемой питания. Чтобы обеспечить работу с однополярным питанием, устройство может иметь встроенный контроллер LDO (например, в KSZ9131), который управляет полевым транзистором для регулирования напряжения питания 3,3 В или 2,5 В до требуемого напряжения питания 1,2 В. Если на плате уже есть отдельный блок питания 1,2 В, то эта опция может и не понадобиться. Поскольку выбор полевого транзистора строго связан с контроллером, разработчики должны следовать рекомендациям, приведенным в техническом описании для спецификаций полевых транзисторов.

Хотя это будет подробно описано в следующем разделе, стоит упомянуть, что PHY и MAC должны иметь соединение интерфейса управления поверх соединений «xMII» для установления правильной связи.

После выбора правильного физического уровня для выполнения требований и выполнения приведенных выше рекомендаций схемный проект является достаточно стандартным независимо от выбранного устройства и следует следующим шагам:

  • Подача питания на рельсы с помощью конденсаторов большой и локальной развязки
  • Соединения с магнитами и разъемом со светодиодами
  • Подключения к MAC с xMII
  • Подключения к MAC для интерфейса управления (MIIM)
  • Подайте правильный тактовый вход
  • Проверьте и расположите опции «ремень»
  • Проверить и согласовать варианты подключения и смещения

Пример схемы с использованием KSZ9131 PHY представлен на рис. 13 ниже.Некоторые пояснительные примечания и соединения выводов для конкретных устройств приведены внутри схемы. Файлы схемы для этого рисунка можно найти на GitHub, так как их гораздо проще просматривать в Altium Designer.

Рис. 13. Схема PHY KSZ9131RNX

Связь PHY с MAC

Оцифрованные и демодулированные/декодированные данные передаются в устройство канального уровня MAC через независимый от среды интерфейс xMII. Большинство вариаций MII (кроме SGMII) представляют собой параллельные интерфейсы и аналогичны параллельной шине памяти.Передаваемые и принимаемые сигналы должны быть синхронизированы с помощью тактовых сигналов. Крайне важно помнить, что развитие технологий не только увеличивает требования к полосе пропускания, но также может привести к одновременному использованию большого количества интерфейсов. Вот почему наличие по крайней мере одного вывода GPIO может быть полезным для будущего всей конструкции.

В самом начале для интерфейса Ethernet 10/100 Мбит/с с MII, основанным на тактовой частоте 25 МГц, было определено 16 контактов. Затем, с появлением режима Reduced-MII (RMII), тактовая частота была увеличена вдвое до 50 МГц, а количество выводов уменьшено до 7.Поскольку пропускная способность MII и RMII не подходит для гигабитного Ethernet, мы не будем в этой статье подробно останавливаться на этих двух типах устройств, за исключением перечисления выводов на рис. 14 ниже.

Рисунок 14. Контакты MII и RMII

Gigabit-MII (GMII) поддерживает максимальную скорость 1 Гбит/с при тактовой частоте 125 МГц, использует 25 контактов и полностью обратно совместим со спецификацией MII. Описание сигналов приведено в Таблице 2 ниже.

Таблица 2.Список сигналов GMII

Название сигнала Описание сигнала Направление сигнала  
ТСД[7..0] Данные для передачи MAC на PHY Передатчик
GTXCLK Тактовый сигнал для 1 Гбит/с (125 МГц) MAC на PHY
TXCLK Тактовый сигнал для 10/100 Мбит/с (2.5/25 МГц) MAC на PHY
TXEN Включение передатчика MAC на PHY
TXER Ошибка передатчика (при необходимости намеренно повредить пакет) MAC на PHY
RXD[7..0] Полученные данные PHY на MAC Ресивер
РКСКЛК Принятый тактовый сигнал (восстановлен из полученных данных) PHY на MAC
РХДВ Сигнал достоверных данных PHY на MAC
RXER Ошибка получения PHY на MAC
COL Обнаружение коллизии только для полудуплексного режима PHY на MAC
CS (CRS) Контроль несущей только для полудуплексного режима PHY на MAC


Уменьшенный GMII (RGMII) является почти самым популярным гигабитным физическим интерфейсом для MAC, поскольку он уменьшает количество сигналов вдвое по сравнению с GMII и похож на MII/RMII.Для гигабитной связи данные синхронизируются как по заднему, так и по переднему фронту тактового сигнала 125 МГц, что приводит к уменьшению количества сигналов данных вдвое. Если требуется обратная совместимость со связью 10/100 Мбит/с, то для синхронизации данных используется только нарастающий фронт. В дополнение к уменьшению сигнала данных модель RGMII мультиплексирует во времени сигнал TXEN с сигналом TXER в TXCTL и RXDV с сигналом RXER в RXCTL, исключая при этом сигналы COL и CRS. Всего для RGMII используется 12 сигнальных контактов, описание сигналов приведено в таблице 3 ниже.

Таблица 3. Список сигналов RGMII

Название сигнала Описание сигнала Направление сигнала  
ТСД[3..0] Данные для передачи MAC на PHY Передатчик
ТКС Тактовая частота передачи
2,5 МГц для 10 Мбит/с
25 МГц для 100 Мбит/с
125 МГц для 1 Гбит/с (двойной фронт)
MAC на PHY
TXCTL Мультиплексирование TXEN и TXER
По переднему фронту тактового сигнала: TXEN
По заднему фронту тактового сигнала: (TXEN xor TXER)
MAC на PHY
RXD[3..0] Полученные данные PHY на MAC Приемник
РКС Часы приема
2,5 МГц для 10 Мбит/с
25 МГц для 100 Мбит/с
125 МГц для 1 Гбит/с (двойной фронт)
PHY на MAC
RXCTL Мультиплексирование RXDV и RXER
По переднему фронту тактового сигнала: RXDV
По заднему фронту тактового сигнала: (RXDV xor RXER)
PHY на MAC


Сигнал TXC подается MAC, а PHY поставляет сигнал RXC.Оба они являются синхронизированными с источником тактовыми сигналами, и они используют как спадающие, так и нарастающие фронты тактовых импульсов, что делает синхронизацию более критичной. Стандарт RGMII требует добавления тактовой задержки от 1,5 нс до 2 нс как для сигналов TXC, так и для сигналов RXC, чтобы обеспечить обработку достоверных сигналов данных во время спада и нарастания фронтов. К счастью, большинство устройств PHY и MAC поддерживают RGMII-ID (RGMII-Internal Delay), и никаких дополнительных действий не требуется, кроме включения этой функции ID и настройки времени задержки.Однако разработчик должен быть на 100% уверен, что и MAC, и PHY поддерживают эту функцию внутренней задержки. Если она не поддерживается одним или обоими устройствами, то задержка должна применяться как часть разводки печатной платы с использованием правильно спроектированных серпантинов, как показано на рис. 15 ниже.

Рисунок 15. Внешняя и внутренняя задержка для сигналов RGMII TXC и RXC

При взгляде на рисунок 15 ваше внимание может быть привлечено к одному странному моменту: сигналы TX на стороне MAC связаны с сигналами TX на стороне PHY.Это связано с соглашениями об именах; каждый передатчик и приемник именуются относительно стороны MAC, что означает, что сигналы на стороне PHY, помеченные TX и RX, соответствуют приемнику PHY и передатчику PHY соответственно. Всегда перепроверяйте соглашения об именах перед разработкой макета.

В топологиях с несимметричной параллельной шиной требуется последовательное окончание на стороне драйвера для согласования импеданса выходного драйвера и характеристического импеданса линии для предотвращения отражений и проблем с электромагнитными помехами.Сигналы xMII должны быть 50 Ом, несимметричными, а сигналы TX должны быть согласованы по длине с TXC (TXCLK). Точно так же сигналы RX должны быть согласованы по длине с RXC (RXCLK). Разработчики должны проверить спецификации PHY и MAC на наличие внутренних оконечных резисторов, и если они не существуют, они должны быть размещены на плате. Сопротивление резистора будет представлять собой разницу между Z0 = 50 Ом и выходным сопротивлением драйвера линии. Как правило, значения от 20 до 40 Ом будут работать, но для достижения наилучших характеристик могут потребоваться некоторые пробы и ошибки.

Рис. 16. Внутренние и внешние согласующие резисторы серии

Последовательный GMII (SGMII) представляет собой совершенно другую концепцию по сравнению с другими режимами, поскольку он похож на сериализатор/десериализатор (SerDes), использующий одну пару TX, одну пару RX, и одна пара эталонных часов. Тактовая частота составляет 625 МГц DDR, что является относительно высоким показателем. Параллельные данные GMII кодируются с использованием формата 8B/10B в пары TX и RX. SGMII уменьшает количество контактов и увеличивает скорость, но недостатком является более сложная компоновка, чем для методов xMII.Более того, большинство интегрированных гигабитных MAC, доступных на рынке, поддерживают только интерфейсы xMII. Если в проекте требуется интерфейс 1G+ Ethernet, то SGMII — единственный вариант для подключения PHY к MAC.

Для большинства высокоскоростных интерфейсов SerDes требуется емкостная связь для предотвращения рассогласования синфазных напряжений приемника и передатчика. Рекомендуется иметь по крайней мере держатели для конденсаторов серии 100 нФ рядом со стороной TX пар SGMII вместе с параллельными согласующими резисторами в соответствии с сопротивлением дифференциальной пары (обычно 100 Ом или 150 Ом)..

Рис. 17. Соединение переменного тока SerDes

В дополнение к вышеупомянутому количеству контактов интерфейсов xMII необходимо добавить два сигнала для интерфейса управления MII (интерфейс MIIM или MDIO/MDC). Этот интерфейс похож на шину I2C и используется устройствами верхнего уровня (такими как MAC) для получения состояния PHY и программирования регистров PHY для настройки изменяемых параметров времени выполнения, таких как настройки часов и процедуры исправления. Сигнал MDC представляет собой тактовую частоту 25 МГц, поставляемую MAC, а MDIO представляет собой двунаправленный сигнал данных с открытым стоком, поэтому MDIO необходимо подтягивать в соответствии с общим числом устройств PHY (обычно требуется резистор между 1.5 кОм и 10 кОм). Помимо определения последовательного интерфейса управления (SMI) с использованием тех же контактов, некоторые производители также используют контакты MDC / MDIO для моста к I2C или SPI для простоты использования, особенно в коммутаторах Ethernet.

Ethernet-коммутаторы

Стоит отметить, что вам может не понадобиться добавлять на плату несколько устройств Ethernet PHY и MAC, если только не предъявляются строгие требования к физическому разделению интерфейсов. Многопортовые коммутаторы PHY и/или MAC — популярный способ увеличить количество интерфейсов Ethernet с помощью одного устройства.Некоторые коммутаторы имеют только PHY-интерфейсы к коммутатору, а некоторые другие сочетают в себе интерфейсы PHY и MAC (xMII). Есть много альтернатив; например, KSZ9897S — это вариант, который сочетает в себе 5-портовый PHY, 1-портовый RGMII/GMII/MII и 1-портовый SGMII вместе (см. рис. 18).

Очевидно, что если вы не проектируете чистый Ethernet-коммутатор, который напрямую направляет все физические интерфейсы на разъем RJ-45, может существовать возможность подключения другого физического уровня к физическому коммутатору.Наилучшей практикой является использование изолирующих трансформаторов для всех интерфейсов PHY, расположенных на плате, аналогично работе разъема RJ-45. Однако этот метод является дорогостоящим и занимает много места на плате. Существует теоретический вариант соединения PHY-PHY на плате, который называется Backplane Ethernet и не требует трансформаторов. Вместо этого все пары имеют емкостную связь с использованием последовательных конденсаторов емкостью 100 нФ. Хотя нет гарантии, что он будет работать на больших расстояниях, теоретически он очень хорошо работает на относительно коротких расстояниях.Если вы попытаетесь это сделать, не забудьте добавить смещающие резисторы после конденсаторов связи по переменному току, если и только если один из PHY имеет линейный драйвер токового режима (см. рис. 19).

Рис. 18. Блок-схема KSZ9897S Рис. 19. Бестрансформаторный PHY-PHY

Рекомендации по компоновке

После прочтения сотен страниц спецификаций у вас есть идеально спроектированная схема, отвечающая всем требованиям и предложениям производителей, однако все эти усилия могут быть легко разрушены или привести к ухудшению производительности из-за фундаментальных ошибок компоновки.При проектировании интерфейса Gigabit Ethernet необходимо учитывать дифференциальные и несимметричные сигналы с регулируемым импедансом, а также некоторые ограничения по длине и максимальной длине. В большинстве случаев эти требования автоматически выполняются за счет разумного размещения компонентов, если разработчик не пытается отменить этот подход. Проблема заключается в том, что если общие правила компоновки не соблюдаются (например, не используются сплошные опорные плоскости для трасс с регулируемым импедансом), строгое согласование длин трасс или удержание их ниже максимальных пределов длины будет напрасной тратой усилий.Поэтому мы кратко опишем общие правила высокоскоростной компоновки, прежде чем обсуждать конкретные требования к компоновке Gigabit Ethernet, чтобы заложить основу для более конкретных требований.

Блок питания

Высокоскоростные переключающие цифровые ИС требуют переходных токов. Эти переходные токи должны подаваться с помощью обходных/развязывающих конденсаторов, поскольку паразитный импеданс дорожки печатной платы между выводом питания и шиной питания будет иметь индуктивный компонент (зависящий от ширины дорожки), который сопротивляется переходным токам.Основное правило — размещать обходные конденсаторы как можно ближе ко всем выводам питания, по крайней мере, по одному конденсатору 10 нФ и 100 нФ на каждый вывод.

Для многослойных плат существуют отдельные плоскости питания и заземления, поэтому на пути подачи питания неизбежно будут использоваться переходные отверстия. Поскольку переходные отверстия также имеют индуктивный компонент, не следует использовать переходные отверстия между шунтирующим конденсатором и соответствующим контактом питания. Это правило показано на рисунке 20 ниже.

Рис. 20. Слева: ПЛОХАЯ схема подачи — справа: ХОРОШАЯ схема подачи

Базовая плоскость

Основное правило для всей электроники заключается в том, что ток, протекающий в цепи, всегда возвращается к своему источнику.Таким образом, всегда должен быть обратный путь для сигналов, и этот обратный путь будет формировать рамочную антенну с исходящим путем сигнала. Если площадь контура остается небольшой, то проблем с ЭМС/ЭМС не возникнет, но если по какой-либо причине площадь контура станет больше, то у проектировщика могут возникнуть серьезные проблемы с ЭМС/ЭМС. Эти проблемы электромагнитной совместимости/электромагнитной совместимости могут серьезно ухудшить производительность вашего устройства неожиданным для вас образом и, по крайней мере, могут привести к тому, что вы не пройдете тестирование электромагнитной совместимости при поиске сертификатов, необходимых для легального маркетинга/продажи вашего продукта.

Основываясь как на теории, так и на экспериментальных данных для высокоскоростных сигналов, текущий обратный путь будет следовать трассе на слое, который находится под ним. Другими словами, его опорная плоскость. Сохранение твердой опорной плоскости под любым высокоскоростным маршрутом сигнала сведет к минимуму площадь контура и предотвратит любую неоднородность импеданса. Если по какой-либо причине под высокоскоростной трассой образуются плоские пустоты, для создания обратного пути следует использовать сшивающие конденсаторы. Использование сшивающих конденсаторов также рекомендуется, если плоскость питания также является опорной плоскостью для высокоскоростного сигнала, создающего обратный путь к источнику тока.Эти правила проиллюстрированы на рис. 21 ниже, показывая плохие практики слева и хорошие практики справа.

Рис. 21. Компоновка базовой плоскости

Стек

Для улучшения характеристик EMI/EMC и упрощения разводки дорожек с контролируемым импедансом рекомендуется иметь по крайней мере четыре слоя (например, Верх — Земля — Питание/Земля — Нижний). Это не означает, что для гигабитного интерфейса Ethernet нельзя использовать двухслойную плату. Если для критических сигналов предусмотрена твердая опорная плоскость, для сигналов MDI проложены защитные трассы, и, наконец, если нет требований по соблюдению электромагнитных помех/электромагнитной совместимости, то, скорее всего, это будет работать на лабораторном столе.Однако на самом деле двухслойные платы следует использовать только для экспериментов и создания прототипов, поскольку в настоящее время у большинства производителей четырехслойные платы лишь немного дороже двухслойных — преимущества 4-слойной платы стоят незначительных дополнительных затрат.

Свойства трассировки и геометрия

Каждая дорожка на печатной плате будет иметь характеристический импеданс, рассчитанный относительно ее базовой плоскости. Altium Designer имеет встроенные средства расчета импеданса; однако для высокоскоростных сигналов существует множество других инструментов, помогающих моделировать производительность и проверять расчеты.Существует множество математических формул, а также доступных инструментов расчета, таких как «Saturn PCB Tool (бесплатно)» и лицензированный инструмент, предлагаемый Polar Instruments, который может выполнять эти расчеты.

Требуемая ширина дорожек и расстояние между диэлектриками могут быть легко рассчитаны для требуемого импеданса в соответствии с компоновкой печатной платы. Вообще говоря, использование изгибов под углом 45° предпочтительнее использования изгибов под углом 90°. В то же время дорожки, серпантины и пары лучше, если они максимально разделены, чтобы предотвратить любые перекрестные помехи и повысить их устойчивость к сбоям.Также следует избегать использования заглушек. Наконец, чтобы предотвратить перекрестные помехи между соседними слоями, следует избегать любой параллельной передачи сигналов вдоль слоев, если только между ними нет сплошной плоскости. Эти правила проиллюстрированы на рис. 22 ниже, показывая плохие практики слева и хорошие практики справа.

Рисунок 22. Разделение и ответвления

Линии передачи

Мы знаем, что микрополосковые накладные и щелевые антенны предназначены для преднамеренного создания электромагнитных полей для передачи и приема.Плохо спроектированная печатная плата также может непреднамеренно иметь множество непреднамеренных антенн, излучающих на разных частотах. Если трасса представляет собой линию передачи, то отражения могут быть действительно большой проблемой. При прокладке трасс проектировщик должен примерно оценить, может ли длина трассы действовать как антенна и превращать кондуктивный сигнал в излучаемый сигнал, и нужен ли согласующий резистор для предотвращения каких-либо отражений. Следующие примеры, основанные на некоторых практических правилах, объяснят эти вопросы.

Во-первых, думаю о проблеме с антенной. Самые высокие уровни излучения достигаются, если длина трассы антенны составляет λ/4, λ/2 или λ. Однако, если длина короче, чем примерно λ/20 несущей частоты, то не ожидается, что антенный эффект будет наблюдаться. Как правило, мы используем цифру λ/40 для максимальной длины, чтобы быть в безопасности.

Вторая проблема связана со временем нарастания сигнала, так как оно напрямую связано с полосой пропускания. Чем острее края, тем выше пропускная способность.Для микрополосковой конфигурации на плате FR4 сигнал распространяется со скоростью 6,146 пс/мм. Думая о сигнале, имеющем время нарастания 340 пс, трасса может быть незавершенной, если ее длина короче (1/10) * (340/6,146) = 5,53 мм. Всегда лучше иметь согласующий резистор, но более короткая трасса означает отсутствие проблем с отражениями и стоячими волнами.

Поскольку принципы, лежащие в основе проектирования высокоскоростных схем, являются обширной темой, практически невозможно затронуть все ее аспекты в этой краткой статье.Помимо краткого упоминания общих эмпирических правил, в следующей таблице приведены некоторые типичные ограничения и требования к компоновке Gigabit Ethernet.

Таблица 4. Требования к компоновке Gigabit Ethernet

Терминатор серии
Интерфейс Параметр Требование
МДИ Полное сопротивление трассы Дифференциал 100 Ом (95 Ом ±15%)
МДИ Требование прекращения Параллельное окончание (100 Ом или разветвление 2 x 49.9 Ом)
МДИ Макс. Внутрипарный перекос <1,6 пс ~250 мкм
МДИ Макс. Перекос между парами <330 пс ~50 мм
МДИ Макс. Длина трассы между PHY и Magnetics <~100 мм (чем короче, тем лучше)
МДИ Мин. Расстояние между парами > 450 мкм
МДИ Макс.Разрешен через 2 переходных отверстия для всех дорожек MDI
xMII Полное сопротивление трассы 50 Ом одинарный (50 Ом ±15%)
xMII Требование прекращения (от 20 до 40 Ом в зависимости от выходного сопротивления драйвера)
xMII Макс. Нагрузка привода 35 пФ — эти выходы интерфейса не предназначены для управления несколькими нагрузками, разъемами или кабелями.Лучше, если они будут использоваться на борту.
xMII Рекомендуемый макс. Длина трассы 50 мм
 
xMII Макс. Длина трассы 150 мм – только при размещении всех дорожек на внутренних слоях (не рекомендуется)
xMII Допуск соответствия длины 10 мм — сигналы TX с TXC(TXCLK) и сигналы RX с RXC(RXCLK)


В дополнение к указанным ограничениям, дискретная компоновка магнитных элементов также может потребовать особого внимания.Для повышения устойчивости к электростатическим разрядам и электромагнитным помехам/электромагнитным помехам необходимо создать отдельную заземляющую пластину, которая должна быть строго отделена от всех других плоскостей не менее чем на 2 мм (см. рис. 23).

Рис. 23. Компоновка Magnetics

Заключение

Цель этой статьи — помочь любому разработчику, который хочет добавить интерфейсы Gigabit Ethernet к своим платам, и мы попытались охватить все основные теоретические аспекты. В блоге Altium Designer есть много статей, в которых более подробно рассматривается высокоскоростная маршрутизация, согласование дифференциального импеданса Ethernet и другие темы, связанные с успешной маршрутизацией гигабитного Ethernet и других высокоскоростных сигналов.Это руководство должно дать вам хорошее представление о том, как методы высокоскоростной маршрутизации применяются конкретно к гигабитному Ethernet.

Несмотря на то, что я пытался предоставить хорошее руководство по основам успешной маршрутизации Gigabit Ethernet, всегда полезно следовать рекомендуемой схеме и рекомендациям в техническом описании микросхем, с которыми вы работаете. В продолжение этой статьи мы рассмотрим настройку правил проектирования специально для гигабитного Ethernet. Наличие правильных правил проектирования может сделать разницу между мучительной трассировкой и разочаровывающим опытом прототипирования/тестирования и Altium Designer, заставляющим ваш проект быть успешным.

Работа с гигабитным Ethernet может быть сложной задачей в первый раз, но не более, чем с любым другим высокоскоростным интерфейсом. Требования реализации Gigabit Ethernet, вероятно, самые снисходительные, когда речь идет о высокоскоростных интерфейсах. Используя хорошие методы компоновки и трассировки, а также правильный выбор клемм и других компонентов в вашей схеме, ваш проект, вероятно, будет очень успешным. Использование 4 или более слоев на печатной плате значительно облегчит разводку вашего проекта, повысив ваши шансы на успех.Это также может помочь вам следовать различным схемам заземления в гигабитном Ethernet.

Хотите узнать больше о том, как Altium может помочь вам в разработке вашей следующей печатной платы? Есть вопросы о дифференциальном импедансе Ethernet? Поговорите с экспертом Altium.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.