Помехи из сети электроснабжения

а)	б)	в)
Рис. 3.3. Виды помех, проникающих из сети питания: а) - от вспышки молнии; б) - при переключении индуктивной нагрузки; в) - помехи от радиостанций

Питающая сеть 220/380 В с частотой 50 Гц и подключенные к ней блоки питания являются источниками следующих помех:

o фон с частотой 50 Гц;

o выбросы напряжения от вспышки молнии (рис. 3.3, а);

o кратковременные затухающие колебания при переключении индуктивной нагрузки (рис. 3.3, б);

o высокочастотный шум, наложенный на синусоиду 50 Гц (рис. 3.3, в);

o инфранизкочастотный шум, проявляющийся как нестабильность во времени величины среднеквадратического значения сетевого напряжения (рис. 3.4);

o долговременные искажения формы синусоиды и гармоники при насыщении сердечника трансформатора и по другим причинам.

Наибольшее влияние на системы промышленной автоматики оказывают первые три вида помех (рис. 3.3). Для уменьшения кратковременных выбросов напряжения используют специальные защитные диоды и варисторы. Инфранизкочастотный шум и искажения синусоиды отфильтровываются стабилизатором и сглаживающим фильтром сетевого источника питания и практически не проходят сквозь паразитные емкости сетевого трансформатора.

Рис. 3.4. Изменения действующего значения сетевого напряжения в течение суток (измерено 12.11.2005 г. с помощью модуля NL-8AI в НИЛ АП)

Причинами и источниками сетевых помех могут быть разряды молнии при попадании в линию электропередачи, включение или выключение электроприборов, тиристорные регуляторы мощности, реле, электромагнитные клапаны, электродвигатели, электросварочное оборудование и др.

Путь проникновения сетевой помехи показан на рис. 3.5. Силовой или развязывающий трансформатор включен в сеть 220 В, 50 Гц. Сеть представлена эквивалентным источником напряжения и эквивалентным источником помех . Нулевой провод источника сетевого напряжения заземлен на главном щите у ввода в здание. Если выход источника питания тоже заземлен, что часто необходимо для целей электробезопасности, то возникает путь протекания тока помехи, показанный на рис. 3.5, включающий сопротивление заземляющего проводника . Основным звеном в этой цепи является паразитная емкость между обмотками силового трансформатора , для уменьшения влияния которой часто используют заземленный электростатический экран (рис. 3.6). Ток помехи протекает по общему проводу источника питания и заземляющему проводнику (рис. 3.5), создавая на их сопротивлении падение напряжения помехи, о котором речь пойдет в следующих разделах (на рис. 3.5 эти участки цепи выделены жирной линией). Ток источника помехи может замыкаться не на трансфораторной подстанции, а через внутреннее сопротивление других электроприборов, подключенных к электрической сети, а также через емкость кабеля. Таким образом, на шине заземления падает паразитное напряжение помехи, делая ее "грязной", и часть напряжения помехи попадает на выход источника питания через участок провода, выделенный жирной линией на рис. 3.5.

Наиболее значительной помехой, проникающей в шину заземления из сети 220 В 50 Гц, является емкостной ток, протекающий через емкость между обмоткой двигателя и его корпусом; ток между сетевой обмоткой трансформатора и сердечником, ток через конденсаторы сетевых фильтров.

рис. 3.5. Пути проникновения помехи их сети 220 В, 50 Гц в систему заземления и общий провод источника питания

Путь тока помехи через емкость между первичной обмоткой трансформатора и его заземленным сердечником показан на рис. 3.5. Этот ток также протекает через общий провод источника питания и заземляющий проводник. Именно эта емкость является причиной того, что незаземленные электроприборы "бьют током". При отсутствии заземления потенциал металлического корпуса приборов, подключенных к сети 220В, составляет от нескольких десятков до 220В в зависимости от сопротивления утечки на землю. Для уменьшения этого напряжения корпуса приборов, включенных в сеть 220 В, должны быть заземлены.

При использовании DC-DC (Direct Current-Direct Current) и AC-DC(Alternating Current-Direct Current) преобразователей напряжения, которые содержат внутренний генератор, к источнику помехи добавляется емкостная и индуктивная наводка от собственного генератора преобразователя. Поэтому уровень помех на общем проводе у DC-DC и AC-DC преобразователей выше, чем в источниках с обычным силовым трансформатором, хотя проходная емкость в преобразователях может быть уменьшена до единиц пикофарад по сравнению с сотнями пикофарад для обычного силового трансформатора.

Для уменьшения проникновения помехи в источниках питания используют раздельное экранирование первичной и вторичной обмотки трансформатора, а также разделение защитной, сигнальной и корпусной (экранной) земли (рис.3.6). На рисунке сплошной жирной линией нарисован металлический корпус прибора; кружочками обозначены клеммные соединители, изолированные от корпуса. Методы соединения различных земель между собой описаны ниже, в разделе "Методы экранирования и заземления".

Рис. 3.6. Источник питания с тремя типами земель. Слева направо: защитная земля, экранная земля и сигнальная. Экран показан штриховой линией

Измерительные каналы

Измерительные каналы являются наиболее сложной частью систем автоматизации и требуют глубоких знаний для получения достоверных результатов измерений. Качество полученных данных зависит не только от погрешности средств измерений, вовремя выполненной поверки или калибровки, но, в большей степени, от корректности методики измерений, правильности выполнения системы заземления, экранирования и кабельной разводки. Измерительные каналы систем автоматизации, в отличие от измерительных приборов, создаются в "полевых условиях", что является причиной появления ошибок, наличие которых не всегда удается обнаружить. Множество проблем возникает при выполнении статистической обработки результатов измерений, при необходимости достичь предела разрешающей способности системы, при выполнении косвенных, совместных и многократных измерений.

Для получения достоверных результатов требуются знания в области метрологии, математической статистики, теории случайных процессов, теории информации и электроники. Это самостоятельные объемные области знаний, которые являются темой множества учебников и монографий. Поэтому ниже рассматриваются только наиболее важные вопросы измерений в промышленной автоматизации, которые часто понимаются неправильно или неоднозначно.

Основные понятия