Кафедра теоретических основ электротехники

Кафедра теоретических основ электротехники

Электромагнитная совместимость

Промышленного электрооборудования

 

 

Учебное пособие по дисциплине

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

 

 

Составил: доц. Романов А.В.

 

Рязань 2011

Содержание.

Введение.................................................................................................................................	3
Основные термины и определения......................................................................................	5
Электромагнитные аномалии в сетях электроснабжения.................................................	7
Виды и допустимые нормы электромагнитных помех.....................................................	9
Основные проблемы обеспечения электромагнитной совместимости в импульсных ИВЭП и общие методы их решения...........................................................	13
Ослабление электромагнитных воздей­ствий со стороны сети электропитания.............	19
Практические рекомендации по проектированию AC/DC-преобразователей с улучшенными показателями электромагнитной совместимости…..............................	27
Список используемых источников......................................................................................	30
Приложение. Директива Совета ЕС № 89/336................................................................	32

 

Введение

В настоящее время к качеству электрической энергии в широком смысле этого понятия предъявляются требования более высокие, чем ранее. Источники вторичного электропитания (ИВЭП), входящие в состав любых радиоэлектронных средств, систем автоматизации, различного оборудования, являются связующим зве­ном между потребителями и системой электроснабжения. Бурное развитие импульсных ИВЭП, работающих на высоких частотах преобразо­вания и обладающих высокой экономичностью и улучшенными массогабаритными показателями, обострило проблему электромагнитной совмести­мости (ЭМС)  между приборами.

Уже в 1980-х годах в международном сообществе специалисты пришли к выводу, что необходимо уже­сточить требования по ЭМС в связи с широким раз­витием компьютерной техники, высококачественной аудио-, теле- и видеоаппаратуры, мобильных средств связи. Так, федеральные комиссии электросвязи в ФРГ (FTZ) и США (FCC) первыми признали серьезность этой проблемы и ввели соответствующие нормы в этой области. Введенные нормативы относились ко всем техническим средствам (ТС) – промышленным и коммерческим. Директива Евросоюза № 89/336 от 3 мая 1989 года (см. приложение 1) установила правовое регулирование в области ЭМС ТС. В частности, предлагалось:

– установить обязанности физических и юридических лиц по обеспечению ЭМС при разработке, изготовлении, реализации, установке и применении ТС;

– придать обязательный характер требованиям к ТС по помехоустойчивости и помехоэмиссии;

– ввести обязательное подтверждение соответ­ствия ТС требованиям по ЭМС;

– осуществлять государственный контроль и над­зор за соблюдением требований ЭМС.

При соответствии ТС требованиям ЭМС согласно директиве ЕС № 89/336 на ТС дол­жен наноситься символ " " и год, в который бы­ла нанесена маркировка.

В 1990-1996 годах современные законодательные ак­ты в указанной области были приняты государства­ми – членами ЕС. После 1990 года Международной электротехнической комиссией (МЭК или IEC), ее Спе­циальным комитетом по радиопомехам (СИСПР или CISPR) и Европейским комитетом по электротехни­ческой стандартизации (CENELEC) стали проводить­ся мероприятия, направленные на обеспечение необ­ходимой устойчивости ("иммунитета") ТС к воздей­ствию электромагнитных помех (ЭМП или помехи) в окружающей электромагнитной обстановке. Вмес­те с тем, необходимо было ограничить уровни генера­ции и излучения ("эмиссии") различных видов ЭМП, способных нарушить нормальное функционирование других ТС. В декабре 1999 года и в России был принят закон "О государственном регулировании в об­ласти обеспечения электромагнитной совместимости технических средств". В этой связи в нашей стране по­явилось множество государственных стандартов в об­ласти ЭМС, "гармо­низированных" (разработанных в соответствии) с международными и европейскими стандартами, а также ряд других нормативных доку­ментов. Одновременно отрабатывались методики из­мерений помех и совершенствовалось оборудование по контролю параметров ЭМП.

Проблема ЭМС аппаратуры, в том числе импульсных источников питания, требует постоянного внимания и контроля. Это связано с инди­видуальным характером разработки некоторых сис­тем и средств электропитания, с развитием электрон­ной компонентной базы, особенно интегрированных силовых модулей, и, наконец, со специфическими условиями эксплуатации аппаратуры в ряде случаев, например "плохая" электросеть, помехочувствительная нагрузка…

Далее рассмотрим необходимые сведения и практические ре­комендации схемотехнического, компонентно­го, конструктивно-технологического характе­ра по эффективному подавлению помех и обеспечению ЭМС для импульсных ИВЭП на уровне современных требований с учетом накопленного практического опыта.

Основные термины и определения

Основным государственным стандартом в области терминологии ЭМС технических средств является ГОСТ Р 50397-92. Между­народная терминология ЭМС представлена в стандарте МЭК-50-161-90, в котором содер­жится официальный перевод терминов в об­ласти ЭМС на русский язык.

Электромагнитная обстановка (ЭМО) − совокупность реальных электромагнитных яв­лений, существующих в данном месте в час­тотном и временном диапазонах.

Электромагнитная совместимость (ЭМС) (Electro - Magnetic Compatibility − EMC) − это способность источника питания, как техниче­ского средства, эффективно функциониро­вать с заданным качеством в определенной ЭМО, не создавая при этом недопустимых электромагнитных помех другим ТС и пита­ющей электросети.

Электромагнитная помеха (ЭМП) (Electro - Magnetic Influence − EMI) − электромагнит­ные явления, которые ухудшают или могут ухудшить качество функционирования ТС (электрической сети, приборов и устройств потребителей). Уровень ЭМП − значение ве­личины помехи, измеренное в регламентиро­ванных условиях.

Электромагнитная эмиссия от источника питания, помехоэмиссия − генерирование источником питания электромагнитной энер­гии, которая излучается в пространство в ви­де электромагнитных волн.

Уровень электромагнитной эмиссии от ис­точника помехи (источника питания), уровень помехоэмиссии − уровень помехи конкрет­ного вида, которая генерируется источником питания. Этот уровень измеряется в регламен­тированных условиях.

Устойчивость к ЭМП, помехоустойчи­вость − способность источника питания со­хранять заданное качество функционирова­ния при воздействии внутренних (в самом ис­точнике) и внешних (со стороны питающей сети) помех.

Уровень устойчивости к ЭМП, уровень по­мехоустойчивости источника питания −максимальный уровень помехи конкретного вида, воздействующей на источник питания, при котором источник питания сохраняет за­данное качество функционирования.

Качество электрической энер­гии − совокупность свойств электрической энергии в электрической сети, которые опре­деляют электромагнитную совместимость ТС, подключенных к этой сети. Качество электри­ческой энергии − обобщенное понятие, ха­рактеризующее уровень низкочастотных кондуктивных электромагнитных помех определенных видов в электрической сети, которые вызывают отклонение напряжения, частоты и формы синусоидальности кривой напряже­ния в сети от установленных значений. Ины­ми словами, низкочастотной помехе дано бо­лее широкое толкование.

Установившееся отклонение напряжения − отклонение напряжения в установившемся режиме работы системы электроснабжения.

Колебания напряжения − серии единичных изменений напряжения во времени.

Провал напряжения в сети электроснабжения − вне­запное значительное снижение напряжения в сети электроснабжения с последующим его восстановлением.

Временное перенапряжение в системе электроснабжения − временное по­вышение напряжения в точке электрической сети выше уровня 1,1 U_HOM продолжительно­стью более 10 мс, возникающее в сетях элект­роснабжения при коммутациях или коротких замыканиях.

Импульс на­пряжения в системе электроснабжения − рез­кое изменение напряжения в точке электри­ческой сети, за которым следует восстановле­ние напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток вре­мени до нескольких миллисекунд.

Таблица 1.

Общие методы обеспечения ЭМС импульсных источников питания.

Таблица 1 (продолжение).

Отметим важное обстоятельство при реа­лизации рекомендаций, приведенных в таб­лице 1 или описанных в других работах: для уверенного решения задачи практическо­го обеспечения ЭМС импульсных источников питания по всем требуемым нормам необхо­димо учитывать весь комплекс мероприятий.

Накопленный опыт разных разработчиков и исследователей показывает, что при прене­брежении какими-то отдельными рекоменда­циями (второстепенными по мнению нович­ка), недопустимый уровень помех может про­явиться в непредвиденных аспектах: некоторые режимы функционирования, диапазон частот, "другая" сеть электропитания и т. д. В то же время разумный подход к проблеме обеспече­ния ЭМС импульсных ИВЭП, использование "чужого" положительного опыта и, конечно, инженерная интуиция позволяют достигнуть существенных результатов даже при решении сложных задач по подавлению помех.

Ослабление электромагнитных воздей­ствий со стороны сети электропитания

Использование структур источниковпитания, адаптированныхк "плохой" сети электропитания

Для обеспечения адаптации ИВЭП к "плохой" эле­ктросети используются специальные структурные и схемотехнические методы. К числу основных клас­сов таких источников питания можно отнести:

• источники гарантированного питания (ИГП);

• источники бесперебойного питания (ИБП) – Uninterruptible Power Supply (UPS);

• источники питания с универсальным входом (universal input);

• источники питания с коррекцией коэффициента мощности (ККМ) – Power Factor Correction (PFC).

Источники питания с универсальным входом (ИВЭП-УВ)

ИВЭП-УВ снабжены переключающими устройствами, позволяю­щими изменять схемную конфигурацию для адаптации к пониженному сетевому напряже­нию.

При понижении напряжения питании до определенного порогового уровня два диода мостового выпрямителя и два электролитических кон­денсатора в полумостовом преобразователе образовывают удвоитель напряжения. Это поз­воляет получить постоянное напряжение, необходимое для работы полу­мостового преобразователя.

По­добные источники широко используются для ослабления влияния относительно медленных провалов напряжения (до 30% и более) в сети электропитания.

Особенности разработки ИВЭ-УВ:

1. Значительное увеличение емкости сетево­го выпрямителя, чтобы, с одной стороны, обеспечить пульсации напряжения на нем в допустимых пределах и, с другой сторо­ны, выполнить стандартное требование по величине времени удержания выходного напряжения (не менее 20 мс).

2. Обеспечение изменения основного параме­тра регулирования в широких пределах, на­пример, коэффициента заполнения (duty cycle) при широтно-импульсном регулиро­вании (ШИМ) или частотного коэффици­ента при частотно-импульсном регулиро­вании (ЧИМ).

Современные ИВЭП-УВ способ­ны нормально функционировать в широком диапазоне изменения входного напряжения: сетевого переменного ~85... 264 В часто­той 47-440 Гц или постоянного 120…374 В.

Кафедра теоретических основ электротехники