Электромагнитная совместимость при использовании преобразователей частоты

Преимущества

К техническим преимуществам использования помехоподавляющих фильтров SineFormer относятся следующие:

  • ослабление dv/dt до 
  • ослабление шума от электродвигателя;
  • существенное уменьшение потерь, обусловленных вихревыми токами;
  • существенное ослабление токов в подшипниках;
  • устранение наводок от кабеля двигателя на другие кабели;
  • более высокая помехозащищенность по сравнению с экранированными кабелями;
  • уровень излучаемых радиопомех соответствует требованиям стандартов;
  • наилучшее подавление кондуктивных и излучаемых помех по сравнению с другими фильтрующими схемами;
  • отсутствие (при необходимости) обратной связи по шине постоянного тока преобразователя.

У фильтров SineFormer имеются следующие экономические преимущества:

  • возможность использовать неэкранированные кабели двигателя, что позволяет сократить расходы на монтаж, значительно увеличить срок службы двигателя и минимизировать расходы на кабели;
  • возможность сократить размеры электродвигателя;
  • возможность использовать неэкранированные кабели большей длины (до 1000 м);
  • отсутствие эксплуатационных расходов, т. к. эти фильтры не требуют принудительной вентиляции;
  • сравнительно малый размер и вес фильтров;
  • более мягкие требования к сетевым фильтрам;
  • бесперебойная работа системы;
  • возможность замены.

Решение на основе фильтров SineFormer наряду с неэкранированными кабелями (с разными диаметрами и длиной), как правило, является более экономичным по сравнению с использованием экранированных кабелей. В оборудовании, в котором длина кабелей превышает 100 м, экономия средств за счет использования неэкранированных кабелей вместо экранированных превышает сравнительно высокую стоимость фильтров SineFormer. Длина кабеля, при которой решение с использованием фильтра SineFormer становится более экономичным, чем с синусоидальным фильтром и экранированным кабелем, составляет около 50 м. При этом даже не учитываются расходы на монтаж экранированных кабелей.

На рисунке 4 показано, насколько хорошо работает технология SineFormer: даже если силовые кабели и неэкранированные кабели электродвигателя проложены рядом, предельная величина шума не превышает безопасного уровня (в данном случае соответствует требованиям EN 61800–3 Category C2). Тот факт, что в кабелях не возникают наводки, является доказательством высокой эффективности рассматриваемой технологии фильтрации.

Рис. 4. Измеренный шум в схеме с фильтром SineFormer

В целом, эта технология позволяет сократить расходы и повысить техническую готовность оборудования. Несмотря на то, что кабели не экранированы, функционирование осуществляется в допустимых пределах.

Как правильно выбрать входной и выходной фильтр ЭМС

Их отличительные достоинства заключаются в высоком помехопоглащающем коэффициенте. ЭМС применяются в устройствах с импульсными источниками питания. Стоит придерживаться требований инструкций по конкретной схеме управления асинхронных двигателей. Существуют общие принципы, определяющие правильность выбора.

Необходимо обратить внимание, что выбранная модель должна соответствовать:

  • параметрам частотного преобразователя и сети питания;
  • уровню снижения помех до требуемых пределов;
  • частотным параметрам электрических цепей и установок;
  • особенностям эксплуатации электрооборудования;
  • возможностямэлектромонтажа модели в систему управления и т. д.

Самый простой способ повысить качество электрической сети – это предпринять меры на стадии проектирования. Самое интересное, что при необоснованном отклонении от проектных решений вина полностью ложится на плечи электромонтажников.

Правильное решение по выбору типа частотного преобразователя, в совокупности с подходящей фильтровой аппаратурой, предотвращает возникновение большинства проблем для функционирования силового привода.

Обеспечение хорошей совместимости получается при правильном подборе параметров компонентов. Некорректное применение приборов может увеличить уровень помех. В реалии, входные и выходные фильтры иногда негативно влияют друг на друга. Это, особенно, касается случая, когда входной прибор встроен в частотный преобразователь. Выбор фильтрующего прибора к конкретному преобразователю осуществляется по техническим параметрам и лучше по компетентной рекомендации специалиста. Профессиональная консультация, возможно, принесёт вам существенную выгоду, так как дорогостоящей аппаратуре на самом деле всегда подбирается качественный недорогой аналог. Либо же она не действует в нужном частотном диапазоне.

Выбор компонентов LC-фильтра

Оба элемента фильтра — и конденсатор, и катушка индуктивности в действительности обладают не только емкостными, но и индуктивными свойствами. Как известно, фильтрующий эффект катушек индуктивности в наибольшей мере проявляется на их собственной резонансной частоте SRF (Self-Resonant Frequency). Значение SRF катушек в большой мере зависит от их индуктивности и конструкции, которая определяет емкостную связь между витками обмотки. Довольно подробно особенности выбора дросселей описаны в .

Конденсаторы тоже имеют собственную резонансную частоту SRF. Она, в свою очередь, в значительной мере зависит от емкости, технологии, конструктивного исполнения и, особенно, от длины выводов конденсатора. Следовательно, при выборе компонентов фильтра желательно удостовериться, что SRF обоих компонентов находится в самой верхней части частотного диапазона, в котором напряжение радиочастотных помех имеет максимальный уровень, или, соответственно, в той полосе частот спектра, в которой фильтр должен быть активным. Некоторые особенности работы конденсаторов в импульсных цепях и выбора этих компонентов рассматриваются, например, в .

Определяющим компонентом для уменьшения дифференциального шума является катушка индуктивности, поскольку именно она противодействует быстрому нарастанию и падению тока во входной цепи. На рис. 5 показаны графики зависимости полного сопротивления от частоты для трех индуктивностей, выполненных на стержневых сердечниках, из семейства WE-SD компании Würth Elektronik.

Рис. 5. Пример зависимости импеданса от частоты и конструктивного исполнения трех катушек индуктивности серии WE-SD компании Würth Elektronik

Поскольку чем выше индуктивность, тем меньше SRF, рекомендуется выбирать катушку, численное значение индуктивности которой меньше емкости конденсатора фильтра. На практике максимальное значение индуктивности фильтра выбирается равным 10 мкГн, т. к. в зависимости от конструкции собственная резонансная частота этой индуктивности достигает 30 МГц. По существующим стандартам это максимальная частота для оценки кондуктивных помех.

Кроме того, необходимо учитывать, что большой рабочий ток, значительно превышающий номинальный ток катушки индуктивности фильтра, может привести к повреждению изоляции провода ее обмотки. Если КПД импульсного преобразователя обозначить как η, эффективный входной ток силового модуля можно вычислить с помощью уравнения (8):

READ  Гост р 55194-2012 электрооборудование и электроустановки переменного тока на напряжения от 1 до 750 кв. общие методы испытаний электрической прочности изоляции

Из соображений безопасности в качестве номинального тока катушки фильтра следует выбрать большее значение тока. В качестве конденсатора фильтра можно задействовать электролитический конденсатор с жидким электролитом, полимерный или даже керамический конденсатор. При этом необходимо, чтобы добротность фильтра на частоте среза была достаточно малой, как уже упоминалось.

При использовании π-фильтра следует принимать дополнительные меры. В оптимальном случае входной фильтр требуется устанавливать как можно ближе к входу силового модуля. Если этот фильтр расположен дальше, исходя из геометрических и других соображений, на высоких частотах линии подключения могут работать как антенна между входным фильтром и силовым модулем. Однако индуктивность этих линий связи можно также использовать вместе с керамическим конденсатором как дополнительный LC-фильтр с более высокой частотой среза (рис. 6). Из-за его ничтожно малого ESR керамический многослойный конденсатор может закорачивать токи, возникающие от высокочастотных помех, на землю.

Рис. 6. Входной π-фильтр

Собственная резонансная частота конденсатора должна находиться примерно в области спектра рабочей частоты силового модуля. На рис. 7 показаны кривые полного сопротивления керамических конденсаторов WCAP-CSGP типоразмера 0805 от компании Würth Elektronik.

Рис. 7. Пример зависимости импеданса от частоты конденсаторов WCAP-CSGP типоразмера 0805 от компании Würth Elektronik

Из компонентов, характеристики которых показаны на рис. 7, на тактовой частоте 2 МГц для рассматриваемой задачи подходит, например, конденсатор емкостью 1 мкФ (кривая красного цвета). Даже керамический конденсатор емкостью 100 нФ (кривая оранжевого цвета), который используется в качестве блокирующего конденсатора во многих электронных схемах, является вполне подходящим кандидатом для указанных целей. Однако заметим, что по сравнению с конденсатором емкостью 1 мкФ, у 100‑нФ конденсатора величина ESR в девять раз выше.

ГОСТы:

ГОСТ 12.1.038-82 Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов. 

ГОСТ 30328-95 (ГОСТ Р 50514-93, МЭК 255-5-77) Реле электрические. Испытание изоляции.

ГОСТ Р 50571.18-2000 (МЭК 60364-4 442-93) Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Глава 44. Защита от перенапряжений. Раздел 442. Защита электроустановок до 1 кВ от перенапряжений, вызванных замыканиями на землю в электроустановках выше 1 кВ.

ГОСТ Р 50648-94 (МЭК 1000-4-8-93) Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к магнитному полю промышленной частоты. Технические требования и методы испытаний.;

ГОСТ Р 50649-94 (МЭК 1000-4-9-93) Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к импульсному магнитному полю. Технические требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 51317.4.2-2010 (МЭК 61000-4-2:2008) Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электростатическим разрядам. Требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 51317.4.3-2006 (МЭК 61000-4-3:2006). Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к радиочастотному электромагнитному полю. Требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 51317.4.4-2007 (МЭК 61000-4-4:2004). Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к наносекундным импульсным помехам. Требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 51317.4.5-99 (МЭК 61000-4-5-95). Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии. Требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 51317.4.12-99 (МЭК 61000-4-12-95). Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к колебательным затухающим помехам. Требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 51317.4.17-2000 (МЭК 61000-4-17-99). Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к пульсациям напряжения электропитания постоянного тока. Требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 51317.6.2-2007 (МЭК 61000-6-2:2005) Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых в промышленных зонах. Требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 51317.6.5-2006 (МЭК 61000-6-5:2001) Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых на электрических станциях и подстанциях. Требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 51317.4.11-2007 (МЭК 61000-4-11:2004) Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к провалам, кратковременным прерываниям и изменениям напряжения электропитания. Требования и методы испытаний.

ГОСТ Р 51179-98 (МЭК 870-2-1-95) Устройства и системы телемеханики. Часть 2. Условия эксплуатации. Раздел 1. Источники питания и электромагнитная совместимость.

Как шумы связаны с частотным преобразователем?

Электроток является наиболее важной частью во время преобразования. Это кровь, протекающая по артериям (проводам) для питания оборудования

Конденсаторы отвечают за фильтрацию импульсов тока. Именно ток обеспечивает нужный уровень Uвых. Мощность зависит от текущей нагрузки. Паразитная емкость и взаимная индуктивность приводит к образованию потерь. Эта концепция перекрестных преткновений распространяется по всей цепи.

Преобразователи для  асинхронных двигателей с динамически изменяющимся рабочим режимом, имея много положительного, обладают рядом недостатков — их использование приводит к возникновению интенсивных электромагнитных помех и наводок, которые формируются в аппаратах, связанных с ними по сети либо расположенными вблизи и подвергающимися излучению. Зачастую АД размещают удаленно от инвертора и соединяют с ним удлинённым проводом, что создаёт угрожающие предпосылки выхода электродвигателя из строя.

Предназначение фильтров ЭМС для частотных преобразователей

Частотный преобразователь создаёт сильные помехи, и их требуется свести к минимуму при комплектации монтаже, установке и эксплуатации электрического привода.

READ  Как правильно паять паяльником: инструкция для чайников

Преобразователи частоты неминуемо создают помехи, они являются основными источниками и виновниками больших скачков напряжения. Для нормальной работы приводной техники это оборачивается такими негативными явлениями, как:

  • избыточная энергия, передающаяся по проводу и называемая наведёнными помехами;
  • воздействие электромагнитных волн, то есть паразитное электромагнитное излучение.

Для всех этих негативных помех соответствует свой высокочастотный диапазон. Радиочастотные помехи также считаются частью электромагнитных помех, влияющих особенно на средства связи. Защитой от помех является фильтрация. ЭМС-фильтры обеспечивают соблюдение норм по электромагнитной совместимости и защищают от токов утечки, вызванных емкостью проводников. В совокупности с экранированным кабелем двигателя достигается нормальная работа техники.

Выходные ЭМС-фильтры для частотных преобразователей

ЭМС-фильтры делятся на активные и пассивные. И в тех и других присутствуют катушки индуктивности, конденсаторы и резисторы. Отличие заключается в том, что в активных фильтрах применяются:

  • нелинейные элементы;
  • обратная отрицательная связь, то есть часть выходного сигнала подается на вход усилителя в противофазе.

Помимо этого, разумеется, активным фильтрам требуется питание. А, главное, они намного эффективнее, чем пассивные фильтрующие средства.

Фильтры частотных преобразователей

Для повышения качества управления, ослабления отрицательного влияния используется фильтрующее устройство, представляющее собой элемент с нелинейной функцией. Задаётся частотный диапазон, вне которого реакция начинает ослабевать. С точки зрения электроники, этот термин довольно часто используется при обработке сигналов. Им определяется ограничительные условия для токовых импульсов. Основная функция частотника заключается в генерировании полезных, уменьшении нежелательных колебаний до уровня, установленного в соответствующих стандартах.

Существует два вида приборов в зависимости от места расположения в цепи, именуемые как входной и выходной. «Вход» и «выход» означает, что фильтрующие аппараты подсоединены к входной и выходной стороне преобразователя. Отличие между ними определяется их применением.

Входные служат для уменьшения шумовв кабельной линии электроснабжения. Они также влияют на устройства, подключенные к той же сети. Выходные предназначаются для помехоподавления для аппаратов, расположенныхрядом с инвертором и использующих одну и ту же землю.

Особенности измерения кондуктивных помех

Для того чтобы выполнить требования стандартов электромагнитной совместимости (ЭМС) требуется приложить немало усилий. И хотя основные правила обеспечения ЭМС известны, при проведении сертификационных испытаний нередко можно столкнуться с неприятным сюрпризом, когда изделие не соответствует требованиям стандартов.

Основная проблема заключается в том, что заранее нельзя рассчитать или смоделировать уровень помех, а испытания на ЭМС макетных образцов и прототипов нецелесообразны, т. к. они конструктивно отличаются от готового изделия. Таким образом, единственный способ удостовериться в соответствии изделия требованиям стандартов заключается в предварительных испытаниях готового изделия.

Рассмотрим испытания на соответствие нормам по кондуктивным помехам в проводах питающей сети. Эти помехи измеряются в диапазонах частот 9 кГц…30 МГц или 150 кГц…30 МГц. Общая схема испытаний приведена на рис. 4. Устройство LISN (Line Impedance Stabilization Network) на рис. 4 представляет собой схему стабилизации полного сопротивления. Иногда вместо LISN встречается термин AMN (Artificial Mains Network) – эти два термина эквивалентны .

Рис. 4. Общая схема измерений кондуктивных помех на проводах питающей сети

Основная цель LISN/AMN заключается в том, чтобы исключить влияние на результаты измерения нестабильности полного сопротивления сети и помех с ее стороны. Однако следует иметь в виду, что если приходится работать с «грязной», зашумленной сетью, необходимо использовать сетевой ЭМП-­фильтр. При использовании LISN/AMN и ЭМП-­фильтра можно быть уверенным, что измеряются помехи, создаваемые испытуемым устройством, а не случайные помехи сети. Значение полного сопротивления LISN/AMN в зависимости от частоты указаны в . Другие примеры сетей LISN/AMN см. в .

Предполагается, что кондуктивные помехи свыше 30 МГц значительно ослабляются из-­за поверхностного эффекта, а также за счет паразитных индуктивностей рассеяния проводов, и этими шумами можно пренебречь. Помехи свыше 30 МГц представляют собой радиопомехи и также нормируются стандартами. В статье рассматриваются испытания, в процессе которых измеряются только кондуктивные помехи. Упрощенная структурная схема измерения кондуктивных помех показана на рис. 5.

Рис. 5. Упрощенная структурная схема измерения кондуктивных помех на проводах питающей сети

Выбор выходного фильтра и его особенности

Поскольку силовые модули MagI3C от компании Würth Elektronik характеризуются ничтожно малыми остаточными пульсациями выходного напряжения, необходимость в выходном фильтре в таких случаях отсутствует. Однако если компоненты с питанием от импульсного преобразователя используют коммутируемые интерфейсы (например, мультиплексоры датчиков, аналоговые коммутационные схемы и т. д.), то для фильтрации выходного напряжения требуется выходной фильтр.

Схема выходного фильтра, представленная на рис. 6, сопоставима со схемой на рис. 8. Однако, как правило, невозможно сделать окончательный вывод о необходимости и эффективности такого выходного фильтра, поскольку для каждого конкретного приложения требуется свой расчет. Выходной фильтр позволяет уменьшить остаточные пульсации выходного напряжения силового модуля до минимума или подавить нежелательные субгармонические колебания. Фильтр рассчитывается тем же способом, которым мы воспользовались выше, но принимать меры для ухудшения его добротности уже не требуется.

READ  Где в москве принимают опасные бытовые отходы

Рис. 8. Выходной фильтр

Что такое электромагнитные шумы?

Они возникают буквально от всех металлических антенн, собирающих и излучающих дезориентирующие энергетические волны. И сотовые телефоны, естественно, тоже наводят магнитоэлектрические волны, поэтому при взлете/посадке самолета стюардессы просят отключать аппаратуру.

Шумы разделяются по типу источников их возникновения, по спектру и характерным признакам. Электрическими и магнитными полями разных источников из-за наличия коммутационных связей создаютсяв кабельной линии ненужные разности потенциалов, нарастающие на полезные волны.

Возникающие в проводах помехи называются противофазными либо синфазными. Последние (они также называются несимметричными, продольными) образуются между кабелем и землей, и действуют на изоляционные свойства кабеля.

Их значительная часть образуется от коммутации электрических цепей, непреднамеренной взаимной индуктивности и паразитной емкости. И небольшое количество от магнитного излучения, которое распространяется в пространстве по мере изменения параметров сети во времени.

Наиболее распространенными шумовыми источниками является индуктивная аппаратура (содержащая катушки), такие, как асинхронные двигатели (АД), реле, генераторы и т. д. Шум может вступать в «конфликт» с некоторыми устройствами, индуцируя электротоки в их цепях, вызывая сбои в рабочем процессе.

Причины высокочастотных помех

Отчего появляются высокочастотные помехи в установке, работающей лишь с постоянным или с переменным напряжением сети? Все дело в том, что различные формы сигналов имеют свои частотные спектры. Каждому несинусоидальному сигналу свойственно содержать, помимо своей основной частоты, еще и её кратные производные, которые именуются высшими гармониками. В общей сложности, чем быстрее меняется амплитуда сигнала, тем выше высокочастотные гармоники этого сигнала.

Это значит, что каждый процесс коммутации приводит к возникновению высокочастотных сигналов, которые становятся причиной помех. Границы частоты коммутации определяются исходя из расчётных потерь при коммутации, так как их возрастание связано пропорциональной зависимостью с частотой. И не только. Определенная частота коммутации, время переключения находятся при достижении некоего компромисса между требованиями, установленными для работы, к потерям при коммутации, рассеиванию мощности и соблюдением условий электромагнитной совместимости (ЭМС).

Как уменьшить влияние гармонических помех преобразователей частоты до допустимого уровня? Решения существуют, но их сложность и объём зависят от уровня вносимых частными преобразователями помех. Основным показателем качества электрической энергии значится коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения.

При незначительном увеличении этого коэффициента до 8–10% достаточно установки перед преобразователем частоты линейных дросселей либо дросселей постоянного тока. При этом проводится соответствующий расчёт эффективности от установки фильтрующих аппаратов.

Если же гармонические искажения превышают гораздо больше (более 10%), тогда необходимо тщательно проанализировать распределение энергии высокочастотных гармоник с применением измерителя нелинейных искажений или анализатора качества электроэнергии. Исходя из полученных результатов, принимаются технические решения, направленные на:

  • снижение какой-либо преобладающей гармоники – с использованием пассивных резонансных фильтров;
  • на подавление помех во всем спектре – с применением активных фильтров гармоник.

Ферритовый фильтр

Ферритовые кольца – это пассивный способ борьбы с синфазными помехами. Когда стоит задуматься о пассивных способах борьбы с помехами? Тогда, когда требуется наличие:

  • любой конструкции, в которой длина проводов как силовых, так и сигнальных большая (от 30–40 см) и при этом нет экранов в виде алюминиевых или карбоновых лучей, экранированного кабеля;
  • длинных слаботочных цепей;
  • мощной передающей аппаратуры (600–800 МВт и более).

Ферритовые кольца фильтра синфазных помех обладают овальной формой для простоты монтажа. Через отверстие в кольце продеваются все три фазные жилы моторного кабеля.

Выводы

Как и прежде, входные фильтры независимо от уровня переменной составляющей являются необходимым средством для успешной сертификации конечных изделий на соответствие требованиям к электромагнитной совместимости (ЭМС). Для самостоятельного расчета такого входного фильтра можно использовать достаточно простые формулы. Грамотный подход к проектированию фильтра с учетом его импедансов и импульсного преобразователя позволяет избежать возникновения паразитных колебаний, а также обеспечивает стабильность контура управления и самого импульсного преобразователя.

Поскольку целенаправленный выбор компонентов фильтра закладывает основы для его оптимальной конструкции, входной фильтр, созданный с учетом всех требований, гарантирует определенный успех при тестировании конечного оборудования на соответствие ЭМС. Разработчик конечного оборудования может при необходимости создать собственный импульсный преобразователь и с помощью несложной методики расчета, представленной в этой статье, скорректировать фильтр для решения конкретной задачи.

Выводы

На представленных в этой статье примерах мы убедились в необходимости проведения испытаний импульсных преобразователей на ЭМС еще на этапе разработки. По полученным осциллограммам можно заранее оценить уровень электромагнитных помех на входе импульсного регулятора. Однако определяющими по-­прежнему остаются измерения напряжения помехи с помощью анализатора спектра и схемы стабилизации импеданса линии. Если на этапе проектирования импульсного регулятора уже учитывается наличие входного фильтра, его влияние можно проверить с помощью анализатора спектра. Применяя этот метод, разработчик получает возможность установить уровни нежелательных помех в импульсном регуляторе. Селективное использование фильтрующих элементов позволяет приложению успешно пройти финальный тест на электромагнитную совместимость.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: