Оглавление,
Введение. 4
Глава 1. Анализ специфики ГЭУ с гонки зрения проблем ЭМС. 9
1.1 Гелиоэнергетическая установка как источник электромагнитных помех. 9
1.2 Назначение и принцип действия инвертора. 12
1.3 Анализ спектра частот помех, создаваемых ГЭУ. 13
1.4 Дроссель - как основной источник ЭМ полей рассеяния. 16
1.5 Анализ существующих европеиста норм по ЭМС,
применительно к инверторам для ГЭУ. 18
1.6 Выводы. 22
Г лава 2. Анализ методов расчета ЭМ полей рассеяния дросселя
и влияния на них экранов. 24
2.1 Постановки задач и аналитические методы расчета
магнитных полей дросселя. 25
2.2 11исленные методы расчета электромагнитных полей. 28
2.2.1 Метод конечных разностей (МКР). 29
2.2.2 Метод конечных элементов (МКЭ). 30
2.2.3 Метод граничных элементов (МГЭ)
(метод вторичных источников). 32
2.3 Выводы. 39
Г лава 3. Расчеты и исследования электромагнитных полей рассеяния дросселя. Выбор оптимальных размеров и формы магнитопровода дросселя. 40
3.1 Цели исследования ЭМ полей рассеяния дросселей инверторов. 40
3.2 Методика проведения расчетного эксперимента
при исследовании ЭМ полей рассеяния дросселя. 44
3.3 Расчеты и анализ ЭМ полей рассеяния дросселей
разных размеров и форм. 52
3.3.1 Расчег и анализ машитных полей рассеяния
базового варианта дросселя. 52
3.3.2 Расчет и анализ влияния относительной магнитной проницаемости магнитопровода на магнитные поля рассеяния дросселя. 62
2
3.3.3 Расчет и анализ влияния длины зазоров и их числа
на магнш-ное поле рассеяния дросселя. 69
3.3.4 Расчет и анализ влияния изменения размеров катушек дросселя
на топографию магнитных полей рассеяния. 79
3.3.5 Расчет и анализ влияния изменения размеров магнитопровода
дросселя на топографию магнитного поля рассеяния. 83
3.3.6 Расчет и анализ магнитных полей рассеяния “беззазорного” дросселя (или дросселя с “беззазорным” магнитопроводом). 88
3.3.7 Расчет и анализ магнитных полей рассеяния дросселя
с Ш-образным сердечником и с 3-мя зазорами 93
3.3.8 Расчет и анализ магнитных полей рассеяния дросселя
с Ш-образным сердечником с одним зазором на центральном стержне. 100
3.3.9 Расчет и анализ магнитных полей рассеяния дросселя
с горшкообразным (цилиндрическим) сердечником. 103
3.4 Выводы. 109
Глава 4. Расчет и исследование влияния экранов
на топографию магнитных полей рассеяния дросселя. 111
4. 1 Расчет и исследование изменения топографии
магнитного поля рассеяния дросселя внутри и снаружи
ферромагнитного проводящего экрана 113
4.2 Расчет и исследование изменения топографии магнитных полей
рассеяния с внешней стороны неферромагнитных экранов. 129
4.3 Экспериментальная проверка точности расчета влияния экрана
на магнитные поля рассеяния. 141
4.4 Выводы. 149
Глава 5. Методы снижения кондуктивных помех,
создаваемых ГЭУ. 151
5.1 Пассивная фильтрация помех. 151
5.2 Разработка активного параллельного компенсатора высокочастотных кондуктивных помех (в сетевых проводах). 151
5 .2.1 Постановка задачи разработки активного компенсатора. 156
5.2.2 Блок-схема и принцип действия. 157
5.3 Экспериментальная оценка эффективности работы
параллельного компенсатора. 160
5.4 Разработка активного последовательного компенсатора
кондуктивных помех (в питающих проводах солнечной батареи). 162
з
5.5 Постановка задачи разработки
активного последовательного компенсатора. 166
5.6 Практическая блок-схема последовательного активного компенсатора. 166
5.7 Применение параллельных и последовательных компенсаторов.
Выводы. 169
5.8 Выводы. 171
Заключение. 172
Список литературы. 175
Приложение 1. Приложение 2.
180
198
4
Введение.
В условиях обостряющейся проблемы загрязнения окружающей среды становится всё более актуальна разработка альтернативных источников электрической энергии. Наиболее перспективным из них является преобразование энергии солнца в электрическую энергию. Рассматриваемая в этой работе установка, называемая в дальнейшем гелиоэнергетической (ГЭУ) и призвана выполнять эту функцию.
Одним из принципиальных недостатков ГЭУ является то, что пики потребления энергии не совпадают с периодами, когда от установки можно отбирать максимальную мощность. Устранение этого недостатка возможно при использовании соответствующего накопителя энергии. Однако надёжные и дешёвые накопители энергии в настоящее время на рынке отсутствуют. Одним из вариантов решения проблемы является работа ГЭУ в режиме, параллельном сети. Этот режим позволяет наиболее оптимально осуществлять сглаживание разницы между энергией, вырабатываемой установкой и её локальным потреблением. Если энергии производится больше, чем это нужно для локального потребления, её избыток отдается в сеть, если же меньше - недостаток берётся из общей сети. Вышеупомянутый накопитель энергии заменяется мощностными резервами электростанции. Широкое применение ГЭУ привело бы к уменьшению изначальной потребности в электростанциях и, посредством этого, к снижению загрязнения окружающей среды за счёт уменьшения вредных выбросов.
Главным препятствием для массового применения ГЭУ является высокая стоимость солнечного генератора и, следовательно, высокая стоимость производимой электрической энергии. Разработками в направлении снижения стоимости ГЭУ сейчас активно занимаются учёные многих стран, в том числе в России, Германии, Австралии, Японии, и др. О серьёзной альтернативе в производстве электрической энергии можно говорить лишь тогда, когда суммарная мощность ГЭУ, например, в Германии достигла бы 1000МВт.
Предвидя будущие проблемы, исследовательская лаборатория Высшей профессиональной школы города Констанц (Германия) под руководством профессора доктора Бистрона, при участии автора, поставила перед собой
5
задачу разработать ориентированный на будущее инвертор, который кроме чисто технических характеристик, отвечающих самым высоким современным требованиям, обладал бы при этом высокой электромагнитной совместимостью, как по полевым, так и по кондуктивным помехам.
С появлением, в последнее время, новых, мощных полупроводниковых ключей и их совершенствования, постоянно возрастает их роль и сфера применения в различных областях электроники. Особенное развитие получили импульсные преобразователи, применяемые, например, для управления электрическими двигателями, а также преобразователи, применяемые в ГЭУ и др.
Работающие в преобразователях современные электронные ключи, коммутирующие токи в сотни ампер с тактовой частотой в десятки килогерц вызывают скачки тока в тысячу ампер за микросекунду, создавая как электромагнитные (ЭМ) помехи, так и помехи по проводам, мешающие нормальной работе систем управления и подключенных к той же сети других электрических приборов и устройств.
Токи высоких частот, в свою очередь, вызывают падение напряжения на сопротивление сети. Таким образом, в сети возникают искажения формы напряжения, которые вызывают целый ряд нежелательных воздействий. Высокочастотные токи порождают дополнительные электрические потери, связанные с нагреванием сетевых трансформаторов и других устройств электроснабжения. Это приводит к тому, что их номинальная мощность не может быть реализована. В асинхронных двигателях, при определённых условиях, возникают повышенные потери, шумы и дополнительный износ, а иногда и разрушение конструкций. Кроме этого, появление в сети высших гармоник приводит к значительному снижению порогов срабатывания защитных устройств. Создаваемые инверторами высокие гармоники в сетевом напряжении, негативно влияют также на частотночувствительные устройства в коммуникационных системах. Счётчики электроэнергии реагируют на появление в сети высоких гармоник положительной ошибкой, особенно при слабой нагрузке. Имеется целый ряд исследований, доказывающих, что гармоники, начиная с 11-ой, вызывают возрастающую с частотой ошибку передачи в преобразователях тока. Проблемой также является усиление токов высокой частота,
6
посредством образования многочисленных параллельных и последовательных колебательных контуров. Высокочастотные составляющие в сетевом напряжении становятся серьезной проблемой и для бытовых электрических приборов, снижая их срок службы. На осциллограмме Рис.1 показана форма напряжения сети электрического снабжения города Констанц. Картина довольно типичная для городов Германии.
U, В
400
200
-200.
-400
-600
и
\ "X
/ 10 20 40 У 50 60 80 / 90
. J
t, мс
ГГц
100 200 300 400 500 600 700 800 900
РисЛ. Осциллограмма сетевого напряжения.
Как видно из этой осциллограммы, форма сетевого напряжения заметно искажена за счет напряжений высших гармоник, в основном 3 и 5, появление которых обусловлено несиносоидальностью токов, потребляемых от сети многочисленными потребителями.
Электромагнитная совместимость по определению, сформулированном в соответствующих документах Европейского Сообщества, есть ’’способность приборов, устройств и систем надёжно работать в электромагнитном окружении, при этом не создавая электромагнитных помех для других работающих в том же окружении приборов, устройств и систем ”. Это определение распространяется на воздействия посредством естественных электромагнитных явлений (например, молния), а также на
7
влияния, оказываемые на электрические и электронные приборы, устройства или системы, содержащие электронные компоненты.
Это определение не распространяется на воздействие электромагнитных явлений на биологические системы, то есть на людей, животных и растения.
Сейчас много говорится о так называемом ’’электрическом смоге” -вредных для здоровья человека и мешающих окружающим электромагнитных полях, генерируемых различными электронными устройствами. Проблемы электромагнитной совместимости рассматриваются часто с точки зрения защиты окружающей среды с использованием той же терминологии. С этих же позиций целесообразно рассматривать и вопрос о нежелательном воздействии, оказываемом электронными устройствами на сеть низкой частоты, рассматривая сеть как окружающую среду, как источник, из которого должны получать высококачественную энергию миллионы потребителей.
Новые Европейские нормы и призваны ужесточить существующие стандарты, регламентирующие граничные допустимые значения величин, характеризующих электромагнитную совместимость, которые вступили в законную силу с 1 января 1996г. С этого момента ни одно электронное или другое устройство не может быть продано в странах Европейского Сообщества, если оно не отвечает установленным требованиям и специально не сертифицировано. Практически все немецкие фирмы, производящие преобразователи, вынуждены прилагать серьёзные усилия для приведения их продукции к Европейским стандартам, неся при этом крупные финансовые расходы. Для некоторых фирм, вступление в силу закона об электромагнитной совместимости станет непреодолимым препятствием и приведёт к банкротству.
Именно по этому сейчас очень важно предложить методы и приёмы, позволяющие уже на стадии моделирования, проектирования и конструирования предусмогреть, устранить или снизить уровень возможных помех, создаваемых преобразователями. Это позволит сэкономить в дальнейшем значительные средства. Одновременно с этим чрезвычайно важно предложить новые, приемлемые с технической и экономической стороны методы и технические средства, позволяющие снизить уровень помех уже существующих и производимых в настоящее
8
время устройств, в частности инверторов, которые позволят продолжать использовать парк оборудования, не создавая чрезмерных помех.
Целью представляемой работы и является исследование специфической проблематики с точки зрения ЭМС и решение вышеуказанных задач, с применением современных прикладных методов моделирования и расчётов электромагнитных полей и экранов, используя возможности и быстродействие современной вычислительной техники на примере преобразователя ГЭУ, работающего в городе Констанц.
9
Глава 1. Анализ специфики ГЭУ с точки зрения проблем
эмс.
1.1 Гелиоэнергетическая установка
как источник электромагнитных помех.
Гелиоэнергетика развивается во всем мире быстрыми темпами. Создаются новые солнечные батареи (СБ), обладающие все лучшими электротехническими и экономическими характеристиками. Новые конструкционные материалы позволяют изготавливать СБ большой мощности. На основе новой импульсной преобразовательной техники создаются источники, обладающие повышенным коэффициентом полезного действия, меньшими размерами и себестоимостью. Однако, вместе с тем возникают проблемы, связанные с электромагнитными помехами, создаваемые импульсными устройствами ГЭУ. Данная работа посвящена проблеме борьбы с этими помехами.
Рассмотрим, каким образом и какие электромагнитные помехи создает ГЭУ. Для этого воспользуемся структурной схемой ГЭУ на Рис.1.1.
Преобразователь
В состав ГЭУ входят:
1. Солнечная батарея СБ - совокупность преобразователей солнечной энергии в электрическую энергию постоянного тока.
2. Преобразователь - устройство типа инвертор (далее ИН) для преобразования постоянного напряжения СБ в напряжение синусоидальной формы частотой 50Гц.
10
ГЭУ подключается к сети электроснабжения и через нее - к различным потребителям. Подключение к сели позволяет максимально согласовать возможности ГЭУ производить энергию и запросы местных и дальних потребителей энергии без использования промежуточных накопителей энергии.
Основной частью ГЭУ, создающей ЭМ помехи, является инвертор, так как в нем (при любом принципе преобразования) используются импульсные устройства, генерирующие колебания с множеством гармоник повышенной частоты.
Импульсные токи и напряжения ИН возбуждают:
- электромагнитные поля вблизи ГЭУ, т.н. поля рассеяния ИН и СБ;
- в проводах, соединяющих ИН с СБ и с сетью, т.н. кондуктивные помехи;
- в сети высшие гармоники напряжения.
На Рис. 1.2, дана классификация помех, создаваемых инвертором.
Рис. 1.2. Классификация помех, создаваемых инвертором для ГЭУ.
В современных инверторах используются электронные ключи, как правило, с транзисторами типа IGBT (Insolated Gate Bipolar Transistor). Они позволяют коммутировать токи в сотни ампер с частотой в десятки килогерц [1]. Для получения выходного напряжения близкой к синусоидальной форме необходимо интегрирующее звено, в качестве которого используется дроссель - индуктивная катушка с ферромагнитным сердечником, имеющим немагнитный зазор.
На Рис. 1.3. и Рис. 1.4. проиллюстрированы принципы двух наиболее распространенных в настоящее время способов преобразования: широтноимпульсной ШИМ (см. Рис. 1.3) и разностной широтно-импульсной модуляции РШИМ (см. Рис. 1.4).
11
Рис. 1.4. Форма выходного тока при разностной широтно-импульсной модуляции.
Характерной особенностью метода преобразования ШИМ, является постоянная тактовая частота, которая и определяет основную гармонику спектра выходного тока инвертора. Отклонение мгновенного значения от заданного значения тока Д1 зависит от времени и обратно пропорционально произведению значения индуктивности дросселя (Рис. 1.1) на частоту; поэтому, чтобы уменьшить значение Д1, необходимо увеличивать либо тактовую частоту, что приводит к увеличению динамических потерь в электронных ключах, либо увеличивать значение индуктивности дросселя, что влечет за собой повышение размеров и стоимости дросселя, а, следовательно, и всего инвертора. Именно поэтому в последние годы все большее распространение получил принцип преобразования называемый РШИМ (Разностная Широтно-Импульсная Модуляция).
При этом способе преобразования пороги срабатывания компаратора, управляющего включением и выключением электронных ключей, определяют разницу между реальным и заданным мгновенным значением выходного тока инвертора А\ (Рис. 1.4). При этом индуктивность выполняет функцию интегрирующего звена [2], сглаживающего пульсации выходного
12
тока инвертора. Следовательно, при Р1ПИМ Л1 всегда постоянна, однако, частота переключения электронных ключей зависит от времени, формы и амплитуды преобразуемого тока, а также от значения заданного Д1 и значения индуктивности дросселя. Это означает, что варьируя установкой порогов срабатывания компаратора и значением индуктивности дросселя можно добиться снижения динамических потерь в электронных ключах за счет уменьшения частоты их переключеня, а следовательно, уменьшения нижней частоты спектра выходного тока.
Исходя из вышесказанного, рассматривая ГЭУ с точки зрения проблем ЭМС, следует заключить, что (независимо от способа преобразования) основным источником полей рассеяния и кондуктивных помех в инверторе и в ГЭУ являются высокочастотные составляющие тока дросселя.
В данной работе будут проведены исследования полей рассеяния, создаваемых дросселем, предложены методы их ослабления, а также исследованы кондуктивные помехи и методы борьбы с ними.
1.2 Назначение и принцип действия инвертора.
Инвертор предназначен для преобразования энергии постоянного тока солнечной батареи в энергию переменного (синусоидального) тока промышленной частоты 50 Гц с напряжением 220И. Преобразованная энергия отдается через промышленную или бытовую сеть потребителям. При этом выходной ток инвертора не зависит от напряжения сети, а полностью определяется энергетическими возможностями солнечного генератора. Инвертор должен обладать техническими параметрами, отвечающим современным требованиям, включая требования ЭМС.
В настоящее время европейский рынок предлагает целый ряд инверторов, однако, их технические характеристики, коэффициент формы выходного напряжения (клирфактор) и коэффициент полезного действия в большинстве случаев не отвечают современным требованиям. Массовое использование таких инверторов может привести к искажению формы напряжения сети.
Принцип преобразования, который использован в разработанном и исследованном в диссертации инверторе, использует способ преобразования, описанный выше и разработанный еще в начале
13
семидесятых годов профессором Кибакиным В.М. [2]. Метод получил название Разностной Широтно-Импульсной Модуляции (РШИМ).
Применение этого метода преобразования оказалось возможным в результате появления новой элементной базы, по своим параметрам значительно превосходящей характеристики элементов прошлого поколения. Речь идет о мощных ключах ГСВТ, способных коммутировать токи в сотни ампер, выдерживать высокие напряжения до 1700В на частотах, превышающих 50 кГц.
Проблемы ЭМС ГЭУ являются важнейшими при создании инверторов, что подтвердили многочисленные контакты автора с разработчиками и производителями конкурентной продукции.
1.3 Анализ спектра частот помех. создаваемых ГЭУ
Рассматривая инвертор, как источник магнитных полей рассеяния и кондуктивных помех, очень важно, в первую очередь, оценить спектр частот создаваемых помех.
Рис. 1.5. Мгновенные значения выходного тока инвертора.
14
Для демонстрации формы токов и временной зависимости изменения магнитных полей рассеяния, создаваемых дросселем инвертора для ГЭУ, были проведены соответствующие измерения, представленные на осциллограмме Рис. 1.5.
Кривые 1 и 2 представляют мгновенное значение выходного тока инвертора, соответственно за 50мс и за 500мкс.
0.21 А
0.17 А
кГц
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Рис.1.6(а,б) Частотный спектр выходного тока при разных мощностях инвертора.
15
На рисунке 1.6(а,б) представлен спектральный анализ тока, изображенного на рисунке 1.5. Анализ спектра показывает, что его максимальная ширина достигает 10-15кГц. Что касается нижней частоты этого спектра (исключая 50Гц\ то она зависит во многом от значения индуктивности дросселя, порога срабатывания компаратора и амплитудного значения отдаваемого в сеть тока [в данном инверторе при мощности 1 кВт эта частота составляет 2 кГц {Рис. 1.6а), а при мощности 3 кВт: 800 I ц {Рис. 1.66)].
At -5.93 ps -168.6 KHz
Puc.l. 7 (а,б). Осциллограммы переменной составляющей тока СБ.
16
Данное заключение позволяет более оптимально и целенаправленно исследовать магнитные ноля рассеяния дросселя и кондуктивные помехи, создаваемые инвертором.
Значения напряженности магнитного поля рассеяния дросселя зависят от его конструкции. В данной работе ставилась задача поиска конструкции дросселя и других мер (экранирование и активная компенсация), позволяющих значительно снизить уровень ЭМ помехи.
Что касается кондуктивной помехи в проводах, идущих от СБ, и в проводах, соединяющих ее элементы, то в идеальном случае частота помехи принципиально не должна превышать удвоенной частоты промышленной сети. Это связано с тем, что на входе инвертора (параллельно СБ) всегда включается буферный конденсатор (Рис. 1.1) относительно большой емкости (порядка 1000/Л7).
Однако, на практике, за счет того, что реальные емкости и соединительные провода обладают индуктивностями, то при быстром нарастании тока, вызванным переключением электронных ключей, происходит возбуждение паразитных колебательных контуров на относительно высокой частоте.
Это подтверждено экспериментальными осциллограммами (Рис. 1.7).
На рисунке 1.7.а показана осциллограмма переменной составляющей тока в проводе СБ. На рисунке 1.7.6 увеличен и показан один из характерных импульсов тока СБ. Амплитуда импульса составляет несколько ампер, а частота его заполнения - сотни килогерц.
Приведенные выше исследования подтверждают необходимость поиска новых эффективных методов борьбы с помехами такого рода.
1.4 Дроссель - как основной источник ЭМ полей рассеяния.
Значительная часть диссертации посвящена дросселю и создаваемым дросселем магнитным полям рассеяния. Являясь принципиально важной и неотъемлемой частью инвертора (Рис. 1.1), дроссель выполняет функцию интегратора, посредством которого формируется синусоидальный выходной ток ИН. Ток дросселя имеет значительные высшие гармонические составляющие, которые создают высшие гармоники в магнитных полях рассеяния.
17
В данной работе (Глава 2) проведен анализ существующих аналитических и численных методов расчета магнитных полей рассеяния дросселя, с учетом реального спектра ожидаемах помех, с целью выбора наиболее приемлемого метода расчета, позволяющего исследовать топографию магнитного поля рассеяния дросселя.
На основе выбранного метода рассчитаны топографии магнитных полей рассеяния дросселей разных конструкций. Целями этих расчетов являлась оптимизации дросселя по форме и материалу сердечника с критерием оптимизации - снижение уровня магнитных полей рассеяния.
Инвертор ГЭУ снабжен металлическим корпусом, выполняющим не только функцию защиты людей от высоких напряжений в инверторе и самого устройства от повреждений, но и функцию снижения уровня ЭМ полей рассеяния. В Главе 2 проанализированы существующие аналитические и численные методы оценки качества экранирования [3], и их правомерность, выбран оптимальный метод расчета и осуществлено сравнительное исследование топографии магнитных полей рассеяния дросселя при наличии и без экрана в условиях, наиболее приближенных к реальным.
18
7.5 Анализ существующих европейских норм по ЭМС, применительно к инверторам для ГЭУ.
На международном уровне вопросами стандартизации электротехнической продукции, в том числе и ЭМС, занимается Международная электротехническая комиссия (МЭК). Внутри МЭК вопросами ЭМС занимается преимущественно организация, называемая СКРЯ. Разрабатываемые С18РЯ рекомендации или нормы создают общую предметную основу для национальных стандартов стран-участниц. В связи с интеграционными процессами в Европе, в дополнение к национальным комитетам появились ещё и региональные (Европейские) комитеты, задачей которых является создание европейских стандартов, например СЕЫЕЬЕС (Европейский комитет по стандартизации в электротехнике, Брюссель).
По содержанию, стандарты подразделяются на три класса:
1. Общие стандарты, включающие в себя минимальные требования к излучению помех и помехоустойчивости, связанные с условиями эксплуатации, например, использование прибора в бытовых и промышленных целях.
2. Основные стандарты, включающие описание физических основ измерительных и испытательных методов для доказательства ЭМС, а также требуемые граничные значения параметров.
3. Стандарты, содержащие детальные указания по созданию измерительных и испытательных методов для доказательства ЭМС, а также требуемые граничные значения параметров, относящихся к конкретной группе изделий.
В Германии ЭМС электротехнических и электронных устройств регулируется нормами ЭШ-УОЕ. Если раньше законодательно устанавливался максимальный уровень излучаемых помех, то сейчас законом установлены и максимальные требования к помехоустойчивости.
Правовой основой для нормирования в области электромагнитной совместимости является закон об электромагнитной совместимости ЕМ\Ю. Он распространяется на все приборы, которые могут вызывать электромагнитные помехи или номинальное функционирование которых
19
может быть нарушено помехами, иными словами - на все электрические и электронные аппараты, устройства и системы, содержащие электронные компоненты, за исключением радиолюбительских устройств, не используемых в коммерческих целях. Несоблюдение требований законов, норм электромагнитной совместимости рассматривается как нарушение порядка и наказывается штрафом, в зависимости от обстоятельств, в размере до 100 тыс. немецких марок. Приборы с нарушениями норм могут изыматься из обращения. Международные нормы, регламентирующие уровень помех, излучаемых различными электротехническими
устройствами, находятся в постоянной работе и будут, несомненно, ужесточаться. В июне 1996г. европейский комитет по стандартизации принял новые нормы, распространяющиеся на промышленные частотные преобразователи.
С января 1997 года нормы по регламентированию содержания токов высших гармоник электротехнических устройств, подключенных к сети, которые ранее распространялись только на бытовую технику, стали распространяться на все электротехнические изделия.
Введение этих изменений и новых норм явилось очередным витком ужесточения норм ЭМС, в частности, для преобразователей. Этот процесс будет неизбежно и перманентно продолжаться. Уже сейчас специалисты ведущих электротехнических фирм ведут работу по разработке нормирования в диапазонах частот от 2 до 150 кГцу которые до сих пор являлись ’’электромагнитной свалкой”. Это ещё раз доказывает, насколько важно заранее подготовить научную основу новых, нетрадиционных методов борьбы с электромагнитными полевыми и кондуктивными помехами в применении к современным преобразователям.
Далее классифицируются и анализируются основные нормативные документы применительно к преобразователям типа инвертор.
Все нормирование организовано таким образом: существуют основные нормы, под действие которых попадают лишь те электротехнические устройства, для которых нет специальных норм. Принципиально не существуют специальные нормы для инверторов ГЭУ, и поэтому было бы правильно взять за основу основные нормы, которые очень часто по граничным значениям совпадают со специальными нормами для конкретных групп устройств.
20
Приведенные ниже таблицы демонстрирует нормы, которые могут быть применены для устройств типа инвертор для ГЭУ.
Таблицаї. Нормативные документы ЭМС в инверторах.
Норма Заголовок Содержание
УВЕ 0839-81-1 Излучение помех: Электротехнические устройства, используемые в жилых помещениях и на небольших предприятиях. Помехи излучением, значения напряжения помех, скачки напряжения, высшие гармоники токов
УВЕ 0839-81-2 Излучение помех: электротехнические устройства, используемые в промышленности. Помехи излучением, значения напряжения, (с января 1998 года также высшие гармоники токов)
УВЕ 0838-2 Влияния, оказываемые на сеть электроснабжения бытовыми приборами с несинусоидальными токами. Высшие гармоники токов
УВЕ 0838-3 Влияния, оказываемые на есть электроснабжения бытовыми приборами с нссинусоидальными токами. Колебания напряжения
УВЕ 0875-11 Помехи, их граничные значения и методы измерений промышленных, научных и медицинских высокочастотных электротехнических средств (18М-устройства). Помехи излучения Помехи по напряжению
В Таблице 2 приведены граничные значения высших гармоник токов, выраженных в процентах по отношению к основной гармонике.
Таблица 2. Граничные значения высших гармоник токов.
Номер гармоники Максимально-допустимые значения высших гармоник токов Нечетные гармоники
3 2,30
5 1,14
7 0,77
9 0,40
11 0,33
13 0,21
15 £ п £ 39 0,15 • 15/п
Четные гармоники
2 1,08
4 0,43
6 0,30
8 < п < 40 0,23 -8/п
21
В Таблице 3 приведены граничные значения помех излучения и кондуктивных помех в нормированных частотных диапазонах.
Как видно из приведенных таблиц, частотные диапазоны при /<750 кГц для кондуктивных помех и /<30МГц для помех излучения, не учтены при нормировании.
При выполнении этой работы автору приходилось общаться со многими специалистами, активно участвующими в разработке новых и совершенствовании существующих норм ЭМС. Они подтвердили, что наличие "’окон” в нормированных частотных диапазонах обусловлено не только тем, что устройства, создающие помехи в этих диапазонах никому не мешают, а, в основном, тем, что не существовало эффективных, с технической стороны, и приемлемых, с точки зрения экономической, методов борьбы с ЭМ помехами в данных диапазонах.
Таблица 3. Допустимые уровни помехи излучения и кондуктивных помех..
Подключе ние Частотный диапазон Граничные значения Соотв. Евронормы Примечание Применение
Корпус 30 до 230 МГц 230 до 1000 МГц 30 дБ (мкВ/м) в 10м 37 дБ (мкВ/м) в 10м ЕМ 55 022 Класс В См. зам. 1 См. зам. X
Сеть переменного тока Одо 2 кГц ЕЫ 60 555-2 ЕМ 60 555-3 См. зам. 2
от 0,15 до 0,5 МГц 66 до 56 дБ (мкВ) О*) 56 до 46 дБ (мкВ) М*) ЕМ 55 022 Класс В См. зам. X
0,5 до 5 МГц 56 дБ (мкВ) О*) 46 дБ (мкВ) М*)
5 до 30 МГц 60 дБ (мкВ) О*) 50 дБ (мкВ) М‘)
0,15 до 30 МГц См. Основные нормы для случайных помех ЕМ55014
Замечание 1: Справедливо для электронных устройств в частотном диапазоне выше 9 кГц. Замечание 2: Справедливо для технических средств, описаных в ЕМ 60 555-2 и ЕЫ 60 555-3. Граничные значения не предусмотренные в вышеуказанных нормах находятся в разработке. Замечание X: Применять, как статистическую оценку основных норм.
*) О = Измерение квазимаксимального значения М = Измерение среднего значения.
Сейчас разрабатываются ограничения по значениям кондуктивных помех в диапазоне от 9 до 150 кГц и по помехам излучения от 9 кГц до 30МГц.