artmyraviev-blog - Tumblr blog

[artmyraviev-blog]

Электромагнитная совместимость при использовании преобразователей частоты

Продолжаем ряд постов про новости ЭМС. И так, электромагнитная совместимость (ЭМС) – это способность электрического или электронного оборудования нормально работать в присутствии электромагнитных полей. Одновременно оборудование не должно создавать помех работе любого другого близко расположенного оборудования или системы.

Директива международной энергетической комиссии (МЭК) по ЭМС определяет требования к устойчивости и излучению электрооборудования, используемого в Европейской экономической зоне. Стандарт ЭМС EN 61800-3 охватывает требования, установленные для преобразователей частоты.

Преобразователь частоты потребляет ток от источника только в периоды, когда мгновенное значение синусоидальной волны источника питания выше, чем напряжение в звене постоянного тока, т.е. в области пикового напряжения источника. В результате ток протекает не постоянно, а прерывисто, с очень большими пиковыми значениями.

Этот тип волнообразной формы тока включает наряду с основными составляющими частоты более или менее высокую долю гармонических составляющих (гармоник источника питания).

В трехфазных преобразователях частоты они состоят, главным образом, из 5, 7, 11, и 13 гармоник. Эти токи вызывают искажение формы напряжения источника питания, что влияет на другие электропотребители в той же сети.

Кроме того, прерывистые токи вызывают колебания в цепях компенсации коэффициента мощности при некоторых критических условиях, которые могут привести к перенапряжению.

Условия являются критическими, когда :

как минимум 10 – 20% мощности установки образовано инвертором и неуправляемым выпрямителем преобразователя частоты;

цепь компенсации работает без прерываний;

низшая ступень компенсации создает резонансную цепь вместе с трансформатором цепи питания и резонансной частотой, близкой к 5 или 7 гармониками 50 Гц, т.е. около 250 или 350 Гц.

В результате очень быстрого переключения транзисторов инвертора при широтно-импульсной модуляции наблюдаются акустические эффекты, которые оказывают негативное воздействие на питающую сеть и электродвигатель.

Быстрое переключение транзисторных ключей инвертора приводит к возникновению широкополосного спектра сигнала помех, который воздействует на окружающую среду через кабели двигателя. Непрерывные изменения индукции, вызванные интервалами напряжения ШИМ и DTC – управления, приводят к незначительным изменениям длины листов сердечника электродвигателя (магнитострикции), что приводит к возникновению характерного модулированного шума в пакете сердечника статора электродвигателя.

Выходное напряжение преобразователя частоты представляет собой высокочастотную последовательность прямоугольных импульсов различной полярности и длительности с одинаковой амплитудой. Крутизна фронта импульсов напряжения определяется скоростью переключения силовых ключей инвертора и различна при использовании разных полупроводниковых приборов (например: для IGBT-транзисторов она составляет 0,05 – 0,1 мкс).

Прохождение импульсного сигнала с крутым фронтом вызывает волновые процессы в кабеле и приводит к появлению перенапряжений на зажимах двигателя.

Длина кабеля электродвигателя зависит от длины распространяющейся в нем высокочастотной волны (фронта импульса). Критической считается длина кабеля, равная половине длины волны, при которой к обмоткам асинхронного электродвигателя прикладываются импульсы напряжения, близкие по величине к двойному напряжению звена постоянного тока.

Для обеспечения требований норм электромагнитной совместимости в электроприводах с преобразователями частоты используются сетевые дроссели и фильтры ЭМС.

Фильтры ЭМС уменьшают акустические помехи, излучаемые преобразователем, и для большинства типов преобразователей встраиваются на заводе – изготовителе в корпус преобразователя. Для более глубокого понимания необходимо углубиться в мир ЭМС. Сетевые дроссели предназначены для уменьшения больших бросков тока и, следовательно, гармоник сетевого тока, а также улучшают защиту преобразователя частоты от перенапряжений.

[artmyraviev-blog]

Электромагнитная обстановка

Электромагнитная обстановка на территории предприятия (как внутри, так и снаружи) определяется напряженностью электромагнитного поля (напряженностью поля). Для измерения напряженности поля необходимы сложные измерительные приборы. Расчет напряженности поля с использованием классических выражений и формул затруднен из-за влияния окружающих предметов или близости других ТС, которые будут искажать и/или отражать электромагнитные в��лны. Необходимо четкое понимание такого понятия как концепция ЭМС. Все испытания, которые необходимо проводить при оценке электромагнитной совместимости технических средств, отражены в ряде ГОСТов Испытания на помехоустойчивость к излучаемым электромагнитным радиочастотным полям проводятся в соответствии с ГОСТ Р 51317.4.3-99 (МЭК 61000-4-3-95) [2], в котором приведены степени жесткости испытаний при различных полосах частот. Устанавливаемые степени жесткости испытаний соответствуют типичным уровням воздействующего электромагнитного поля. Вместе с тем в некоторых местах размещения ТС указанные уровни могут быть превышены, например при одновременной установке в одном здании двух мощных радиопередатчиков, которые используются для обеспечения радиосвязи на всей территории предприятия. В этих случаях более предпочтительным, чем установление для всех ТС повышенных требований устойчивости к электромагнитному полю, может быть экранирование помещения или здания, в котором расположены радиопередатчики, и применение помехоподавляющих фильтров в силовых кабелях и кабелях передачи сигналов. Эффекты, вызываемые высшими гармониками напряжения и тока, могут быть разделены на эффекты мгновенного и длительного возникновения. Анализ, проведенный авторами, показал, что для нормального и бесперебойного функционирования предприятия в современном мире необходимо разработать практический алгоритм действий, обеспечивающий оценку реального состояния электромагнитной совместимости технических средств, используемых на предприятии, а также влияния электромагнитного излучения на состояние окружающей среды, что позволяет вести постоянный контроль параметров и умение понимать все требования ЭМС в процессе эксплуатации технических средств, а также выявлять новые источники «загрязнения» электрической сети предприятия гармониками всех уровней, но это уже тема для следующей статьи.

[artmyraviev-blog]

Электромагнитная совместимость технических средств, используемых на промышленных предприятиях

Проблема электромагнитных помех появилась вместе с появлением электронных средств. С течением времени количество электронных средств неуклонно растет и к ним предъявляются все более жесткие требования по электромагнитной совместимости (т.е. ЭМС технологии).

Именно поэтому ведется разработка новых методов и средств борьбы с помехами. Надежность и бесперебойность работы технических средств (ТС) на промышленных предприятиях в настоящее время в значительной степени определяется способностью обеспечивать их электромагнитную совместимость.

Количество и качество параметров ЭМС ТС определяется путем проверок, измерений и испытаний на ЭМС. В последние годы в России вводятся в действие новые отечественные стандарты и методы испытаний (свыше 50 стандартов), гармонизированные с международными и европейскими стандартами, регламентирующими объем современных требований к техническим средствам по обеспечению электромагнитной совместимости.

К сожалению, в настоящее время не существует четкого перечня параметров, влияющих на электромагнитную совместимость (ЭМС) технических средств, по которому можно было бы характеризовать электромагнитную обстановку на предприятии.

Из всего многообразия факторов или параметров, влияющих на ЭМС технических средств можно выделить основные и наиболее значимые:

устойчивость к колебаниям напряжения (ГОСТ Р 51317.4.14-2000);

устойчивость к электростатическим помехам (ГОСТ Р 513.17.4.2-99);

устойчивость к излучаемым электромагнитным и радиочастотным помехам (ГОСТ Р 51317.4.3-99 [2]; ГОСТ Р 51317.4.1-2000 — стандарт применяется при установлении требований к электротехническим, электронным и радиоэлектронным изделиям, оборудованию и системам по устойчивости к электромагнитным помехам и соответствующих видов испытаний применительно к условиям электромагнитной обстановки при эксплуатации технических средств;

устойчивость к кондуктивным помехам, наведенным радиочастотными электромагнитными полями (ГОСТ Р 51317. 4.6-99 [4]);

устойчивость к радиопомехам от электрического, светового и аналогичного оборудования (ГОСТ Р 51318.15-99);

уровень электромагнитных помех (электромагнитная обстановка) (ГОСТ Р 51317.2.2-2000; ГОСТ Р 51317.2.5-2000);

гармоники тока и фликер;

уровень «загрязнения» электрической сети предприятия гармониками всех уровней (нормы устанавливаются в ГОСТ 13109-97 [1], а также в РД 153-34.0-15.501-00 [3] отдельно для сетей 0,4 и 6/10 кВ (подробнее см. табл. 1 «Нормы на коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения»);

устойчивость к динамическим изменениям напряжения электропитания (ГОСТ Р 51317.4.11-99).

Это лишь небольшой перечень нормативных документов, на которые следует обратить внимание при исследовании вопроса, необходима лаборатория ЭМС на предприятии (как говорилось выше стандартов более 50, здесь выделяются основные). Зачастую ТС на промышленных предприятиях эксплуатируют в условиях воздействия на них электромагнитных и радиочастотных излучений. Источниками этих излучений часто являются портативные приемопередатчики, применяемые эксплуатационным персоналом и службами безопасности, стационарные радио и телевизионные передатчики, радиопередатчики подвижных объектов, а также различные промышленные источники излучений.

[artmyraviev-blog]

Электромагнитная совместимость

Под электромагнитной совместимостью (требования ЭМС, EMC довольно обширны) технических средств (ТС) понимается обязательная в настоящее время способность их одновременного функционирования при условии воздействия преднамеренных электромагнитных помех в реальных условиях эксплуатации с сохранением при этом требуемого качества работы данных технических средств и отсутствием создания недопустимых помех этими средствами другим ТС.

Необходимость электромагнитной совместимости обусловлена тем, что в реальных условиях работы оборудования присутствует немалое число излучений различного рода, а совместная корректная и надежная работа технических средств невозможна без обеспечения ЭМС. Выход технических средств из строя либо же неправильная их работа могут стать причиной аварии, в том числе системной. Кроме того, нарушения могут быть как обратимыми, так и необратимыми.

ЭМС технических средств должна обеспечиваться на всех этапах их «жизни»: как во время проектирования, ввода в работу, так и в процессе эксплуатации.

Вопросы ЭМС технических средств наиболее актуальны для предприятий и организаций, где:

• имеется высокая энерговооруженность: для электрических станций и подстанций, металлургических, нефтехимических производств;

• действуют повышенные требования относительно надежности работы информационных систем: для банков, диспетчерских, узлов связи;

• отмечаются частые сбои работы информационных систем, или другими словами, неблагоприятная электромагнитная обстановка.

Основные понятия в теории ЭМС

В теории ЭМС основными являются такие понятия, как передатчики и приемники электромагнитной энергии (помех), в расширенном их понимании.

Передатчики электромагнитной энергии. К ним относятся:

теле- и радиовещательные устройства;

электрические системы и цепи, которые непреднамеренно излучают электромагнитную энергию в окружающую среду;

электроприемники, которые являются источниками ЭМП, распространяющихся по цепям питания, и т.д.

Приемники электромагнитных воздействий. К ним относятся:

теле- и радиоприемники;

системы автоматизации;

силовые электроприемники;

автомоб��льная микроэлектроника;

устройства обработки информации;

средства релейной защиты и автоматики и т.д.

Многие из электрических устройств одновременно могут действовать и как приемники, и как передатчики.   В связи с этим совместимым считается электрическое устройство, которое, действуя как:

передатчик является источником помех, не превышающих допустимые;

приемник обладает достаточной помехоустойчивостью.

Стандарты в области ЭМС

На территории Таможенного союза (Беларусь, Казахстан, Россия) в качестве основного стандарта в области ЭМС технических средств выступает ЭМС ГОСТ ТР ТС 020/2011.Данный документ содержит официальные определения терминов в области ЭМС, таких как:

электромагнитная обстановка;

электромагнитная совместимость;

электромагнитная помеха;

влияние помехи;

устойчивость к электромагнитным помехам, помехоустойчивость.

Основными европейскими стандартами (EN) по ЭМС, определяющими вопросы помехоустойчивости, измерения помех и другие в отношении различных технических средств, являются: EN 55022, EN 55011, EN 55015, EN 55014-1, EN 55014-2, EN 61326-1, EN 61000-6-1, EN 61000-6-2, EN 61000-6-3, EN 61000-6-4, EN 61000-3-2, EN 61000-3-3.   Разрабатываются европейские стандарты в области электротехники в основном Европейским Комитетом по стандартизации в области электротехники (CENELEC) и Европейским Институтом по стандартизации в области телекоммуникаций (ETSI).

[artmyraviev-blog]

ПОНЯТИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

Под электромагнитной совместимостью ( как и ЭМС материалы) понимают способ­ность приборов, устройств, технических систем, биологических объектов нормально функционировать в условиях воздействия на них электрических, магнитных и электромагнитных полей, су­ществующих в окружающей обстановке и не создавать недопус­тимые помехи другим объектам. Под электромагнитной совместимостью также понимают нормальное функционирование передатчиков и приемников электромагнитной энергии. Понятия «передатчик» и «приемник» в электроэнергетике имеют более ши­рокий смысл, чем, например, в средствах связи. Причем, к передат­чикам электромагнитной энергии наряду с телевизионными и ра­диовещательными устройствами относятся также электрические цепи и системы, которые непреднамеренно излучают в окружаю­щую среду влияющую электромагнитную энергию (так называе­мые источники помех), например, линии электропередачи, энергетические и электротехнические устройства, атмос­ферные разряды и т. д. Приемниками электромагнитной энергии наряду с радио– и телевизионными приемниками являются систе­мы автоматизации, измери­тельные, управляющие приборы и регуляторы, устройства обра­ботки информации, автомобильная микроэлектроника, биологические организмы и т.д. Тем самым современное понятие ЭМС выходит далеко за рам­ки классической защиты от радиопомех, однако по-прежнему включает их, являясь понятием более широким. Электромагнитная совместимость ни в коем случае не являет­ся сама собой разумеющейся, так как окружающая среда характе­ризуется растущим электромагнитным загрязнением, и ее охрана требует все больших усилий. Поэтому взаимным интересам всех пользователей электромагнитного спектра служат широкие зна­ния о воздействии электромагнитных полей и волн на электро­магнитные системы и биологические организмы. Электрические устройства могут одновременно действовать как приемники, так и как передатчики. При этом можно упомянуть промежуточную частоту супергетеродинных приемни­ков, частоту строчной развертки телевизионных приемников и компьютерных мониторов; электронные устройства управления и измерения; силовые кабели и линии связи и т.д. Поэтому говорят также об электромагнитной совместимости отдельных приборов и устройств. С этих позиций электрическое или электронное устройство считается совместимым, если оно в качестве передатчика является источником помех не выше допустимых, а в качестве приемника обладает достаточной помехоустойчивостью к посторонним или внутренним электромагнитных помехам.