Переходные процессы

June 19, 2013 by admin Комментировать »

Некоторые упоминания о переходных процессах были сделаны раньше, а в этой главе рассмотрим их более детально. Срок службы систем силовой электроники в большой степени определяется их способностью противостоять броскам напряжения при переходных процессах, возникающих как внутри, так и снаружи систем.

Помехи в линиях электропередачи

Грозовые разряды и коммутационные переходные процессы распространяются в линиях электропередачи и в конченом счете достигают подстанций. Здесь с помощью разрядников броски напряжения ограничиваются до уровня, который оборудование подстанций может выдержать без повреждений. Затем напряжение поступает в распределительные сети в форме дифференциального напряжения между проводниками сети и в форме синфазного напряжения между несколькими проводниками и землей.

Дифференциальное напряжение попадает на первичные обмотки трансформаторов у потребителей и передается в их вторичные цепи с соответствующим коэффициентом трансформации. Некоторое уменьшение его может происходить из-за влияния межвитковой емкости трансформаторов, но иногда эта емкость способствует и его увеличению. Броски синфазного напряжения передаются из первичной обмотки трансформатора во вторичную через межвитковую емкость и могут быть эффективно подавлены с помощью электростатического экрана (экран Фарадея), располагаемого между обмотками. А при отсутствии экрана их амплитуда близка к амплитуде бросков на первичной обмотке. Это может оказаться серьезной проблемой в системах среднего напряжения, в которых броски синфазного напряжения во вторичной цепи могут достигать 10 и более киловольт.

Наилучшая защита от всех типов бросков напряжения, источником которых является линия электропередачи, обеспечивается использованием во вторичной цепи набора металлооксидных варисторов. Варисторы, включенные между проводами фаз, обеспечивают защиту от бросков дифференциального напряжения, а от синфазных бросков, если не используется электростатический экран между обмотками трансформатора, защищают варисторы, включенные между проводами фаз и землей. Электростатический экран представляет собой сравнительно недорогое дополнение к трансформатору и для трансформаторов среднего напряжения является хорошей практикой включать эти экраны в соответствующие спецификации. Но даже с таким экраном остается нужда в варисторах для подавления бросков дифференциального напряжения, включаемых между проводами фаз. Как отмечалось в гл. 2, трансформаторы сухого типа на диапазон средних напряжений должны быть оборудованы разрядниками, как минимум, распределительного класса.

Помехи, возникающие внутри оборудования

В большинстве случаев управляющие электроды тиристоров и затворы биполярных транзисторов с изолированными затворами (IGBT) питаются тем или иным способом через трансформаторы, на первичную обмотку которых поступает напряжение управления, а вторичная соединена соответственно с катодом тиристора или эмиттером IGBT, потенциал которых может быть существенно выше земли. Через паразитную емкость между обмотками этих трансформаторов броски напряжения в силовой цепи способны проникать в цепи управления. Далее они могут протекать по проводникам печатных плат и вызывать как нарушения в работе, так и повреждение компонентов системы управления. Наилучшей защитой в этом случае является использование электростатических экранов между обмотками трансформаторов управления и как можно более «прямое» соединение вывода первичной обмотки с землей.

При использовании многослойных печатных плат обычно получается намного больше земляньис контуров, чем это было в однои двухслойных платах. При разработке печатных плат неправильно вводить земляной проводник с одного конца платы и выводить с другого. Земляные и общие проводники следует по возможности вводить и выводить с одного конца печатной платы. То же самое относится и к силовым выводам.

При выключении катушки управления контакторами и силовыми реле создают броски напряжения. Использование ДС-цепей способствует снижению влияния этих помех на другие элементы схемы, однако хорошей практикой является разделение низковольтных цепей управления от мощных коммутируемых цепей путем расположения их в различных жгутах и желобах.

Кроме того, сигнальные цепи следует защищать с помощью использования экранированных проводов. Экраны должны быть постоянно соединены, но заземлены только в одной общей точке для всех проводов. Однако и в этом случае возможно наведение помех на сигнальный провод. Дело в том, что экранировка защищает только от электрического поля, а от магнитного поля помогает слабо. На Рис. 5.1 показан механизм наведения помех в экранированных проводах при их неправильном заземлении. Вверху изображено соединение блока А и блока В через экранированный сигнальный кабель, который проходит прямо, а общие выводы блоков заземлены на некотором расстоянии от него. В результате образуется петля большой площади, переменное магнитное поле в которой может индуцировать помехи в сигнальном проводе. Если сигнальный провод проложить вдоль провода заземления, этот эффект будет устранен. Помогает также применение в сигнальных цепях скрученных пар проводов.

Рис. 5.1. Неправильное (вверху) и правильное (внизу) заземление экрана сигнального

провода

При переключении полупроводниковых приборов, в частности IGBTтранзисторов, могут возникать импульсы тока с очень крутыми фронтами, высокие значения di/dt которых способны проникать в другие цепи. По этой причине схемы управления затворами транзисторов и другие низковольтные цепи следует располагать достаточно далеко от силовых переключающих цепей.

При включении тиристоров напряжение на них падает практически до нуля за несколько микросекунд и остается таким все время, пока тиристор включен. При этом на напряжении питания образуются «просечки» (notching), а связанные с ними помехи могут попадать через общие шины питания в другие узлы оборудования. Одним из путей уменьшения этих помех является установка на силовой линии помехоподавляющих RC-цепей. Использование этих фильтров полезно также для ограничения максимального значения dv/dt, попадающего на триаки из-за бросков напряжения силовой линии. На Рис. 5.2 приведена простейшая схема такого фильтра. Символом L обозначена индуктивность линии электропитания в каждой фазе. Для переходных процессов между фазными проводами эквивалентное значение сопротивления Req равно Req = 2R/2>, а эквивалентное значение емкости равно Ceq = ЗС/2. Для мгновенного броска напряжения между фазными проводами, равного V, di/dt составит V/2L, а максимальное значение dv/dt, которое попадет на электронное оборудование, будет равно Req(di/dt). Для получения критического затухания (на границе апериодичности) Ceq = Req/8L. При расчете элементов этих фильтров необходимо также учитывать ограничения на скорость нарастания тока при включении триаков.

Рис. 5.2. Простейший помехоподавляющий фшьтр

Хотя большинство помех в сетях связаны с бросками напряжения, его провалы также могут нарушить работу оборудования. Если в цепи управления катушкой большого контактора или электродвигателя из-за, например, включения другого оборудования произойдет снижение напряжения, то это чревато размыканием контактора или нарушением работы двигателя. Избежать этого можно, используя для питания цепей управления трансформаторы с избыточной мощностью или с малой индуктивностью рассеяния.

Электронные компоненты, применяемые для обработки сигналов, в частности, операционные усилители, цифровые процессоры и т. д., имеют ограничения на диапазон синфазных напряжений на их дифференциальных входах. Если ожидается сигнал с высоким содержанием шума, то «правилом хорошего тона» является подавление шумовых составляющих до того, как они попадут на вход чувствительной схемы. Однако это не всегда помогает, особенно когда ожидаемый уровень шума неизвестен. В этом случае лучше использовать ^С-фильтры, как это показано на Рис. 5.3. Полюс этого фильтра должен находиться на частоте, в 10 раз большей, чем максимальная рабочая частота умножителя.

Рис. 5.3. Применение фильтров на входе умножителя

Электромагнитные помехи

Электромагнитные помехи (EMI) являются двойной проблемой. Оборудование не должно излучать помехи свыше некоторого оговоренного в спецификациях уровня, а также не должно быть подвержено воздействию внешних помех, не превышающих определенного уровня. Эти требования особенно важны для оборудования военного назначения. Отмеченные выше уровни указываются в спецификациях раздельно для радиопомех и кондуктивных помех. Радиопомехи, как излучаемые наружу, так и наводимые извне, обычно могут быть подавлены экранированием критических узлов оборудования и правильным заземлением. Для подавления кондуктивных помех используются Т-образные фильтры, подобные приведенному на Рис. 5.4. Этот фильтр работает в обе стороны, т. e. подавляет помехи и из оборудования наружу, и из сети в оборудование. К проблеме кондуктивных помех мы еще вернемся в гл. 14.

Локальные помехи могут создавать проблемы в измерительных цепях. Так, в цепях измерения постоянного (а иногда и переменного) тока обыч-

Рис. 5.4. Звено Т-образного фильтра

но применяются комбинации из резистора-шунта и изолирующего усилителя. (Необходимость использования усилителя связана с тем, что падение напряжения на шунте, как правило, составляет 50…100 мВ.) Проблемы могут возникнуть из-за неправильного соединения усилителя с шунтом, особенно если поблизости проходят цепи с большими уровнями пульсаций тока. На Рис. 5.5 изображены два варианта соединения шунта с усилителем. Слева соединительные провода образуют петлю большой площади, в которой переменное магнитное поле способно наводить значительную электрическую помеху. Справа, где эти провода скручены между собой, площадь петли и, следовательно, уровень наводок сведены к минимуму.

Рис. 5.5. Неправильное (слева) и правильное (справа) соединение шунтасусилителем

Но даже со скрученными проводами остается возможность наведения помехи на петлю, образующуюся из-за толщины самого шунта. Шунт должен быть сделан так, чтобы сигнальные выводы располагались симметрично относительно его центра и находились на разных его сторонах. На Рис. 5.6 показана рекомендуемая конструкция шунта и способ подсоединения к нему проводов к усилителю.

Даже со всеми этими предосторожностями и ухищрениями не всегда удается устранить наводки от цепей переменного тока или с высоким уровнем пульсаций тока. Тогда нейтрализовать наводки поможет катушка из нескольких витков провода без сердечника, включенная последовательно с сигнальным выводом шунта. Место расположения и пространствен-

Рис. 5.6. Предпочтительная конструкция шупта и способ соединения шунта

с усилителем

ную ориентацию этой катушки для получения максимального эффекта подбирают экспериментально.

Следует соблюдать некоторые правила и при осциллографических исследованиях малых сигналов в условиях сильных помех. Так, провод заземления осциллографа следует прокладывать вдоль провода его щупа для уменьшения площади петли и наводимых помех.

Источник: Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI, 2008. — 252 c.: ил. (Серия «Силовая электроника»).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты