Электромагнитная совместимость (ЭМС) статических преобразователей электроэнергии

August 9, 2013 by admin Комментировать »

Процесс массового внедрения статических преобразователей электроэнергии остро поставил проблему их электромагнитной совместимости (ЭМС) с другими техническими средствами — такими, например, как средства радиоприема, радиосвязи, беспроводного мониторинга и т. д. Чуть выше мы кратко обмолвились о том, что плохо спроектированные статические преобразователи однозначно являются источниками значительных электромагнитных помех, излучаемых в широкой полосе частот. Поэтому, чтобы исключить влияние преобразовательной техники на другие технические средства, необходимо уделить внимание снижению так называемых кондуктивных (распространяемых по проводникам) и излучаемых в пространство помех, тем более, что их допускаемые уровни регламентируются государственными и международными стандартами.

Давайте определим общие принципы локализации источников помех, чтобы следовать им при разработке собственных преобразователей электроэнергии. Этот общий подход может быть сведен к следующим мерам:

а)           подавление источника помехи — осуществляется созданием оптимальной конструкции прибора, уменьшением длины межэлементных связей, сокращением площади заземленных контуров, гальванической развязкой цепей питания;

б)           экранирование — весьма эффективный способ ослабления любых излучений, выполняется путем применения металлических экранов, токопроводящих напылений, заключением в экранирующие оболочки токоведущих проводников;

в)           фильтрация — наиболее часто используемый способ для подавления кондуктивных помех, реализуется путем установки в разрывы токоведущих цепей фильтров подавления высокочастотных гармоник.

При разработке мероприятий по снижению электромагнитных помех очень важно правильно локализовать их источники и связанные с ними параметры: характер распространения помехи, ее длительность и регулярность (периодичность), форму помехи, энергетический спектр, частотную область излучения. Для статических преобразователей наиболее актуальной является задача борьбы с кондуктивными помехами, то есть такими помехами, которые распространяются по токоведущим проводникам. Эффективная борьба с кондуктивными помехами начинается с их классификации по далее приведенным признакам. Познакомимся с ними.

По характеру распространения кондуктивные помехи делятся на:

а)           симметричные — напряжение помехи прикладывается между фазным и нейтральным силовыми проводниками;

б)           несимметричные (общего вида) — напряжение помехи прикладывается между фазным (нейтральным) силовым проводником и «землей» (заземляющим проводником).

По длительности и регулярности помехи подразделяются на:

а)           непрерывные (стационарные) — возникающие при продолжительной работе высокочастотных ключевых инверторов;

б)           кратковременные — имеющие нестационарный характер и возникающие в различных переходных режимах, например, при включении или отключении нагрузок;

в)           регулярные — возникающие при переходе статических преобразователей из одного режима работы в другой, например, в режим перегрузки;

г)           случайные — не имеющие отношения к функционированию преобразователя и возникающие под действием случайных внешних факторах, например, при грозовых разрядах.

По форме генерируемой помехи существует следующее деление:

а)           моносинусоидальные — имеющие в своем составе одну гармонику;

б)           полисинусоидальные — имеющие в составе ограниченное число гармоник;

в)           импульсные — обладающие непрерывным гармоническим спектром.

По энергетическому спектру:

а)           узкополосные — обладающие узким спектром с максимумом на частоте основной гармоники преобразования;

б)           широкополосные — имеющие широкий спектр излучения.

По области частот:

а)           низкочастотные — на частотах ниже 9 кГц;

б)           высокочастотные — в полосе частот от 9 до 150 кГц;

в)           радиочастотные — на частотах более 150 кГц.

Обычно при проектировании статических преобразователей рассматривают ряд типовых ситуаций, позволяющих в значительной степени снизить уровень помех. Одной из таких ситуаций является правильная реализация заземления прибора. Если проводники системы заземления выбраны неправильно, также неверно осуществлено подключение проводника к контуру заземления преобразователя, это может послужить либо дополнительным источником помех, либо свести «на нет» все меры по их снижению, предпринятые посредством установки фильтров. Традиционный подход к заземлению строится только на необходимости обеспечить электробезопасность при работе с приборами, однако в случае высокочастотной преобразовательной техники контур заземления обеспечивает еще и единый опорный потенциал.

Исключение высокочастотных помех, генерируемых инверторами и наводимых в питающих проводниках — другая немаловажная защита по обеспечению электромагнитной совместимости. С этой целью на входе статического преобразователя обычно устанавливают сетевой фильтр электромагнитной совместимости (ЭМС), который реализуется на основе каскадного Гили П-образного соединения емкостных и индуктивных элементов. Конденсаторы, устанавливаемые в фильтрах между фазным проводником и проводником заземление О^-конденсаторы), снижают несимметричные помехи, а конденсаторы, устанавливаемые между фазными проводниками (Х-конденсаторы), снижают помехи симметричного типа. Кроме этого, в составе фильтров ЭМС часто можно встретитьдроссели (втом числе и многообмоточные), которые включаются в разрыв фазных проводников. Согласное включение дроссельных обмоток приводит к подавлению несимметричных помех, а встречное — симметричных. Следует обратить внимание разработчиков силовой преобразовательной техники на то, что проектирование фильтров ЭМС — задача достаточно трудоемкая, поэтому имеет смысл применять (где это, конечно, возможно) покупные фильтры, разработанные и серийно поставляемые специализированными фирмами. Ксчастью, изготовлением и поставкой таких фильтров занято большое количество фирм, поэтому недостатка в выборе подходящего по электрическим параметрам и габаритам изделия не будет. Для справки, с помощью фильтров ЭМС типовых конструктивных исполнений удается снизить помехи почти в 1000 раз вдиапазоне 0,5…10,0 МГц. На более высоких частотах их эффективность падает, поэтому приходится, где такое подавление помех важно, прибегать к более сложным техническим решениям.

Статические преобразователи, как правило, представляют собой существенно нелинейную нагрузку для питающей сети, а это значит, что в питающей сети, как правило, появляются искажения синусоиды напряжения. Наиболее характерным случаем в трехфазных сетях следует считать появление 5-й и 7-й гармоники тока, поскольку типовые схемы выпрямления сетевого напряжения имеют в своем составе трехфазные мосты (обычно построенные по схеме Ларионова). С учетом того, что другие потребители сетевого напряжения могут быть не рассчитаны на наличие в сети высокого уровня гармоник, кратных основной, включенный в сеть статический преобразователь будет оказывать на них негативное влияние, которое может привести к авариям. Именно поэтому действующие стандарты ограничивают величину допустимого значения гармоник на уровне 9 % (в оценочных нормах величина первой гармоники принята за 100 %) для 5-й гармоники и 5,25 % для 7-й гармоники.

Каким образом осуществляется выбор фильтра подавления электромагнитных помех? Подход к этой задаче индивидуален в каждом конкретном случае, но все-таки возможно выделить некоторые общие принципы. Обычно необходимо учесть электрические характеристики преобразовательных схем, требования по степени подавления помех, частотные характеристики фильтруемых цепей (частоты среза, частоты ослабления и другие характерные параметры), условия эксплуатации и конструктивные ограничения, связанные с возможностью установки того или иного фильтра в прибор.

Наиболее часто встречаются следующие типовые фильтрующие схемы:

а)           фильтр С-типа (рис. 2.4.9, а) — представляет собой стандартный проходной конденсатор, шунтирующий помеху на «землю»; такой фильтр можно применять в случаях, если источник сигнала (в том числе — силовое питание) и нагрузка имеют достаточно высокий импеданс; крутизна спада частотной характеристики такого фильтра составляет 20 дБ/дек;

б)           фильтр Г-типа (рис. 2.4.9, б) — фильтр LC-типа, имеет крутизну спада около 40 дБ/дек, применяется при существенно различающихся импедансах источника сигнала и нагрузки, а именно — при низкоомной нагрузке;

в)           фильтр П-типа (рис. 2.4.9, в) — другой вариант LC-фильтра, представляющий собой комбинацию фильтров С-типа и Г-типа; применяется при наличии примерно равных по величине высоких импедансов источника и нагрузки; крутизна спада частотной характеристики фильтра составляет 60 дБ/дек;

г)           фильтр Т-типа (рис. 2.4.9, г) — применяется в случае низких импедансов источника и нагрузки; крутизна спада характеристики данного фильтра составляет 60 дБ/дек.

Рис. 2.4.9. Типовые схемы фильтров подавления ЭМП

Достаточно часто в схемах преобразовательной техники можно встретить комбинации указанных выше простых фильтров, соединенных каскадно, например, включенные друг за другом два Т-фильтра или два П-фильтра. Каскадное соединение применяется в случае, если необходимо достичь более эффективного подавления помех в области низких частот диапазона помех, а также получить более высокую крутизну спада частотной характеристики.

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

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