Анализ электромагнитной обстановки в системе «Сеть активный фильтр гармоник»

У«К62131 А. Г. ЛЮТАРЕВИЧ

Омский государственный технический университет

АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ В СИСТЕМЕ «СЕТЬ -АКТИВНЫЙ ФИЛЬТР ГАРМОНИК»____________________

Данная статья посвящена вопросам электромагнитной совместимости активного фильтра гармоник как технического средства. В статье рассматриваются основные термины и определения в области электромагнитной совместимости применительно к активному фильтру гармоник. Также уделяется внимание электромагнитной обстановке в системе «питающая сеть — активный фильтр гармоник». В заключение приводятся способы ограничения уровня помех, генерируемых активным фильтром гармоник. Ключевые слова: электромагнитная совместимость, активный фильтр гармоник.

Проведенные исследования в области электромагнитной совместимости показывают, что при изготовлении, вводе в эксплуатацию и в процессе применения технических средств должно быть регламентировано соблюдение двух требований:

1) по ограничению эмиссии электрическим оборудованием и аппаратами электромагнитных помех в окружающую среду, способных нарушить функционирование другого оборудования;

2) по обеспечению устойчивой работы электрического оборудования и аппаратов при воздействии внешних помех искусственного и природного происхождения.

Электромагнитная эмиссия от технических средств приводит к «загрязнению» окружающей среды полевыми и кондуктивными электромагнитными помехами, способными нарушить нормальное функционирование других технических средств, и иногда — повлиять на человека.

Нарушение нормальной работы технических средств при воздействии на них электромагнитных помех в условиях эксплуатации может иметь различные последствия: помехи в работе бытовой радиоэлектронной аппаратуры, возможные отказы в работе систем управления технологическими процессами, которые могут привести к браку продукции и возникновению опасности для жизни и здоровья людей, причинению вреда имуществу и окружающей среде. Техническое регулирование в области электромагнитной совместимости имеет целью исключить или ограничить указанные последствия.

При осуществлении технического регулирования в области электромагнитной совместимости должно учитываться то обстоятельство, что существующие проблемы во всех развитых странах обостряются. Обострение проблем электромагнитной совместимости связано с широким внедрением микроэлектроники, вычислительной техники и средств радиосвязи, что приводит к повышению электромагнитной восприимчивости технических средств и к большей зависимости качества их функционирования от электромагнитных помех в окружающей электромагнитной обстановке. Поэтому техническое регулирование в области электромагнитной совместимости является необходимым условием существования и устойчивого развития современного общества.

Основным государственным стандартом в области терминологии электромагнитной совместимости технических средств является ГОСТ Р 50397-92 [1]. Применим основные термины и понятия к активным фильтрам гармоник.

Электромагнитная обстановка как совокупность электромагнитных явлений, существующих в рассматриваемой среде, описывается характеристиками источников помех в частотном и временном диапазонах.

Электромагнитная совместимость — это способность активного фильтра гармоник, как технического средства, эффективно функционировать с заданным качеством в определенной электромагнитной обстановке, не создавая при этом недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам и питающей электросети.

Электромагнитная помеха (ЭМП) — электромагнитные явления, которые ухудшают или могут ухудшить качество функционирования активного фильтра гармоник. Уровень ЭМП — значение величины помехи, измеренное в регламентированных услозиях.

Электромагнитная эмиссия от активного фильтра гармоник — генерирование активным фильтром гармоник электромагнитной энергии, которая излучается в пространство в виде электромагнитных волн.

Уровень электромагнитной эмиссии от активного фильтра гармоник — уровень помехи конкретного вида, которая генерируется активным фильтром гармоник. Этот уровень измеряется в регламентированных условиях.

Устойчивость к ЭМП, помехоустойчивость — способность активного фильтра гармоник сохранять заданное качество функционирования при воздействии внутренних (в самом фильтре) и внешних (со стороны питающей сети) помех.

Уровень устойчивости к ЭМП, уровень помехоустойчивости активного фильтра гармоник — максимальный уровень помехи конкретного вида, воздействующей на активный фильтр, при котором активный фильтр сохраняет заданное качество функционирования.

Полевые ЭМП — это помехи, распространяющиеся в окружающем пространстве.

Кондуктивные ЭМП — помехи, распространяющиеся в проводящей среде (по проводам, проводящим поверхностям).

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК N>2 (ВО). 2009 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (80). 2009

ч

Сеть

электропитания

I.

Активный фильтр гармоник

'ВЫЛ. НС -............

Нагрузка

Пг.

©

Глс

?

Сн

< I

Гп/

'ГИЛ)

Сп(ю

102”

Рис. 1. Упрощенная эквивалентная схема распространения кондуктивных помех в системе «сеть электропитания - активный фильтр гармоник - нагрузка»

В зависимости от происхождения и характера распространения кондуктивные помехи принято разделять на следующие виды [2,3]:

— симметричные;

— несимметричные.

Симметричная помеха возникает, когда напряжение помехи приложено между фазным (линейным) и нейтральным проводами, то есть это помеха, распространяющаяся аналогично протеканию переменного тока в сети. В цепях постоянного тока напряжение симметричной помехи приложено между положительным и отрицательным проводниками.

Несимметричная помеха — это помеха, действующая между проводниками и корпусом или шиной заземления через паразитные емкости между этими объектами. В цепях постоянного тока напряжение несимметричной помехи приложено между проводниками (положительным, отрицательным) и корпусом.

На рис. 1 представлена упрощенная эквивалентная схема распространения кондуктивных помех в системе «сеть электропитания — активный фильтр гармоник — нагрузка». На схеме сплошными линиями показаны пуги распространения несимметричных помех, а пунктирными — симметричных помех. Также условно изображены направления распространения помех со стороны сети электропитания и направления распространения помех, создаваемые самим активным фильтром гармоник. Источники помех обозначены следующим образом: Г|1С — генератор помех со стороны сети электропитания, Гп лфг - активный фильтр гармоник как генератор помех.

Также на схеме: 2С, 2Н - сопротивление сети и нагрузки соответственно; - сопротивление

проводников заземления нейтрали и одного (например, отрицательного) полюса нагрузки; Сп (Л), С„ (В), Сщк, — паразитные емкости выходных полюсов (зажимов) активного фильтра относительно корпуса и корпуса относительно «земли».

Несимметричные помехи замыкаются на «землю» через токонесущие цепи и соответствующие паразитные емкости. Нетрудно заметить, что величина (амплитуда) токов несимметричных помех зависит как от

амплитуды сигналов помех, так и от величины сопротивления паразитных связей с шиной заземления.

Активные фильтры гармоник, представляют большую опасность из-за генерации высокочастотных электромагнитных шумов, обусловленных наличием в конструкции фильтра силовых преобразователей с быстро изменяющимся напряжением и током. Поскольку усовершенствование силовой части активного фильтра привело к увеличению частоты переключения, то требования к снижению электромагнитных шумов только усилились. Таким образом, требования по электромагнитной совместимости активного фильтра гармоник как технического средства выходят на первый план.

Основные принципы, вызывающие электромагнитные шумы, относительно просты. Существенно то, что задача требует распознавания полей, вызванных быстро изменяющимися током и напряжением. В то время как эти характеристики количественно описаны уравнениями Максвелла, необходимо отметить, что шум может быть вызван взаимным влиянием элементов схемы посредством магнитных или электрических полей [5].

Согласно закону электромагнитной индукции, магнитное поле заставляет изменяющийся ток в одном проводнике вызывать напряжение в другом согласно формуле:

е - -М—>

(Н

где М — взаимная индуктивность между источником и приемником.

Точно так же изменяющееся напряжение заставляет электрическое поле на поверхности возбуждать протекание тока в другом проводнике:

/ = С—.

сН

где С - емкость, между источником и приемником.

Уравнения (1) и (2) говорят о том, что там, где име-

ются быстро изменяющиеся токи, как, например, в проводниках, включенных последовательно с силовыми ключами активного фильтра, можно ожидать генерирование напряжения в других проводниках, связанных взаимной индуктивностью. И там, где есть йи

высокое значение —, как на выводах мощных переключающихся ЮВТ-транзисторов, любая паразитная емкость может вызвать ток в другой линии.

Основные методы борьбы с помехами в активном фильтре гармоник основываются на подавлении помех в силовой части фильтра, которые можно условно разделить на схемотехнические, алгоритмические (управления) и конструктивные [6|.

В результате выше сказанного, необходимо стремиться к снижению исходного уровня и влияния генерируемых помех за счет оптимального выбора элек-трической схемы, элементной базы, способа управления и регулирования, рациональной компоновки конструктивных частей и монтажа активного фильтра.

В качестве методов по ограничению уровня генерируемых помех могут использоваться в системе управления мощного преобразователя интегральные схемы с повышенной помехоустойчивостью, кроме того, уменьшение влияния наводок можно добиться минимизацией площадей соединительных контуров, а также применением электростатических и магнитных экранов. Для уменьшения всплесков (провалов) напряжения при коммутациях целесообразно применение магнитосвязаниых реакторов в сетевых проводах питания преобразователя, дросселей насыщения, включаемых последовательно с вентилями, нелинейных ограничителей напряжения, помехоподавляющих конденсаторов, подключаемых к входным и выходным выводам силового преобразователя, шунтирующих сигналы высокочастотных помех на корпус преобразователя. Кроме того, последовательно с входной цепыо тиристора включают быстродействующий диод который поднимает порог отпирания на величину напряжения смещения, что повышает помехоустойчивость схемы. Параллельно входной цепи тиристора устанавливают дополнительную ЯС-цепь, шунтирующую сигнал высокочастотной помехи. Также может использоваться двойная гальваническая развязка информационной части и входной цепи тиристора с помощью импульсного трансформатора и оптрона. При этом применяют специальный развязывающий узел на дискретных элементах. Каналы управления этого узла должны иметь общие выводы земли до и после развязывающих оптронов. Гальваническая развязка посредством трансформатора является эффективной и малокритичной к напряжениям и мощности развязываемых цепей, однако ее реализация связана с усложнением конструкции и может значительно повлиять на технико-экономические показатели.

Наиболее простым и как следствие распространенным способом ограничения уровня генерируемых активным фильтром гармоник помех является применение на выходе силовой части фильтров, например, однозвенных Г-образных ЬС-фильтров, принцип действия которых основан на том, что для высших гармоник напряжения индуктивность представляет собой большое сопротивление, а емкость — малое. В результате высшие гармоники ослабляются в большей степени, чем первая (основная) гармоника. Отсюда и существенный недостаток однозвенного фильтра: он ослабляет не только высшие гармоники, но и первую. Данный недостаток устранен в фильтре, основными звеньями которого являются последовательная Ы С1 - и параллельная 12С2-цепи. Считая элементы фильтра идеальными, т.е. не имеющими активных потерь, при точном соблюдении условий резонанса можно считать, что сигнал с силовой части активного фильтра поступает в нагрузку без искажений.

Библиографический список

1. ГОСТ Р 50397-92. Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения. -М. : Издательство стандартов, 1998. — 16 с.

2. Эраносян С., Ланцов В. Электромагнитная совместимость импульсных источников питания. Часть1 // Силовая электроника. — 2006. — № 4 — режим доступа: http://www.power-e.ru/2006_04_58.php.

3. Карташев И.И., Тульский В.Н., Шамонов Р.Г. Управление качеством электроэнергии / под ред. Ю.В. Шарова. — М. : Издательский дом МЭИ, 2006. - 320 с.

4. Розанов Ю.К., Рябчинский М.В., Кваснюк А.А. Силовая электроника : учебник для вузов. — М. : Издательский дом МЭИ, 2007. — 632 с.

5. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле : учебник. — 9-е изд., перераб. и доп. — М. : Гардарики, 2001. — 317 с.

6. Эраносян С., Ланцов В. Электромагнитная совместимость импульсных источников питания. Часть1 // Силовая электроника. — 2007. — № 1 — режим доступа: http://www.power-e.ru/2007_01_82.php.

7. Дмитриев С. Международные стандарты электромагнитной совместимости электронной аппаратуры // Электронные компоненты. — 2000. — N8 1 — режим доступа: http://www.elcp.ги/шс!ех.р11р?з1а1е = 1г<1&Мгс1 = е1сотр&1_пиш = 2000_01&1_аг1= 1

ЛЮТАРЕВИЧ Александр Геннадьевич, аспирант и ассистент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».

E-mail: l.alexander@inbox.ru

Дата поступления статьи в редакцию: 29.05.2009 г.

© Лютаревич А.Г.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК N« 2 (ВО). 2009 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА