Некоторые общие проблемы электромагнитной совместимости

8.1 Подавление помех, вызываемых выключением катушек

При обрыве тока в индуктивных контурах, например, при вык­лючении катушек реле и контакторов, магнитных вентилей, си­ловых электромагнитов между контактами возникает дуга, кото­рая с увеличивающимся расстоянием между контактами обрыва­ется и вызывает в контуре быстрое изменение тока . Связан­ное с этим изменение магнитного потока индуктирует в катушке ЭДС самоиндукции, которая в эквивалентной схеме (рис. 8.1) включается последовательно с катушкой. При погасании дуги ЭДС полностью приложена к контактному промежутку и может вызвать одно или несколько повторных за­жиганий. Как большая скорость изменения тока, так и большая ЭДС самоиндукции вызывают интенсивные помехи в близкорас­положенных контурах, имеющих с рассматриваемым контуром емкостные или индуктивные связи. Электрическая дуга вслед­ствие своих малых размеров имеет как источник электромагнит­ного излучения второстепенное значение.

Рис. 8.1 – Возникновение коммутационных перенапряжений при разрыве ин­дуктивных контуров тока

В цепях переменного тока дуга гаснет незадолго до или во время прохождения тока через нуль, в цепях постоянного тока вследствие отсутствия естественных переходов тока через нуль лишь тогда, когда контакты удалились друг от друга настолько, что требуемое для поддержания дуги напряжение горения превосходит рабочее напряжение.

Поэтому в последнем случае возникает проблема сильной эрозии контактов. Ослабление как электромагнитного влияния, так и эрозии контактов достигаются при помощи нижеописанных схем.

Защита катушек индуктивности постоянного тока. Катушки индуктивности, работающие на постоянном токе, включаются с диодами, варисторами или RС-цепями (рис. 8.2).

Параллельно катушке можно включить диод, рассчитанный на ток и обратное напряжение, равные или больше полуторакратного рабочего тока и напряжения катушки. Для индуктированного напряжения диод включен в прямом направлении, представляя фактически короткое замыкание. Протекавший до момента коммутации через выключатель ток катушки попадает в цепь короткого замыкания и затухает в этой цепи с постоянной времени L/Rnp. Вследствие низкого сопротивления диода в прямом направлении Rnp постоянная времени оказывается большой, что ведет, например, у реле, к недопустимым, крайне большим временам отпускания. Для уменьшения постоянной времени ставят сопротивление, включаемое последовательно с диодам (рис. 8.2, б).

Рис. 8.2 – Схемы зашиты катушек индуктивности постоянного тока

При одновременном требовании минимального перенапряжения и малого времени отключения применяются варисторы и RС - цепи. Определение параметров первых осуществляется известным способом, RС - цепь выбирается так, чтобы заряженный до рабочего напряжения конденсатор С при отключении разряжался апериодически, т.е.

, (8.1)

где - сопротивление катушки.

Чтобы воспрепятствовать свариванию контактов при включении, должно соблюдаться дополнительное условие .

Если речь идет только об ограничении коммутационного перенапряжения, то RС - цепь можно включить параллельно катушке или параллельно контактам (рисунок 10.2, д). В последнем случае ток катушки при размыкании включателя переключается в параллельно включенную RС - цепь и используется для заряда емкости С. Если RС-цепь служит исключительно для искрогашения, например, в цепях постоянного тока с активной нагрузкой, то она должна включаться параллельно контактам.

Защита катушек индуктивности, работающих на переменном токе. Из-за меняющейся полярности рабочего напряжения схема с диодом непригодна. Обычно применяются варисторы и RС - цепи (рис. 8.3). Определение параметров варисторов осуществляется известным способом, RС - цепь — с учетом предельного апериодического режима. Во избежание протекания длительного переменного тока через RC-цепь между ней и катушкой индуктивности может быть включен выпрямитель (рис. 8.3,в). У магнитов, работающих на трехфазном переменном токе, вышеприведенные схемы соединяются звездой или треугольником.

Рис. 8.3 – Схемы защиты катушек индуктивности переменного тока

Схемы, приведенные на рис. 8.2 и 8.3, используются наиболее часто. В некоторых схемах применяются стабилитроны, или комбинации нескольких элементов. Выбор метода защиты определяется преимущественно целью — защита катушечной изоляции, защита контактов, подавление помех — и существенно зависит, в особенности у изделий массового производства, от экономических затрат. Дальнейшие сведения по защите катушек индуктивности содержатся в [Л.].

8.2. Подавление помех, создаваемых универсальными коллекторными двигателями

Коллекторные двигатели в кухонных комбайнах, пылесосах, электроинструментах являются общеизвестными возбудителями синфазных и противофазных помех. Вызванные процессом коммутации на коллекторе изменения тока и соответствующие изменения потока индуктируют в обмотках возбуждения ЭДС самоиндукции или , которые могут быть смоделированы в эквивалентной схеме как ЭДС (рис. 8.4). Прежде всего последовательное включение обоих источников создает симметричную противофазную помеху U_CИM(w). Кроме того, источники возбуждают несимметричные токи через паразитные емкости обмоток, которые замыкаются через емкости линии СЛ. Значение несимметричных напряжений рассчитывается из уравнения для напряжений емкостного делителя [Л.]:

. (8.2)

Для << получают сравнительно малые несимметричные напряжения помех, для >> (сердечник и другие части массы заземлены) — очень большие. Заметим, что паразитные емкости не обязательно действуют на концах обмоток (см. рис. 8.4). В сложной модели паразитные емкости целесообразно учитывать на обоих концах обмоток.

Рис. 8.4 – Возникновение радиопомех у коллекторных двигателей

Из эквивалентной схемы на рис. 8.4 путем преобразования источников может быть получена каноническая эквивалентная схема (рис. 8.5). По методу контурных токов определим

Рис. 8.5 – Эквивалентная схема коллекторного двигателя:

а - с ЭДС для симметричного и обоих несимметричных напряжений помех; б— с ЭДС, помехозащитными конденсаторами и последовательно включенными катушками индуктивности

(8.3)

или

. (8.4)

Тем самым противофазная помеха получается как разность не­симметричных напряжений. Три источника напряже­ний помех замкнуты накоротко по высокой частоте помехоза­щитными конденсаторами, включенными между проводами Л, Н и ЗП (рис. 8.5,а). Действие конденсаторов может быть усиле­но дополнительными последовательно включенными катушками индуктивности (рис. 8.5,б).

В противоположность схеме на рис. 8.4 схема на рис. 8.5 показывает, что чисто симметричное включение только с одним конденсатором между обоими соединительными проводами не обеспечивает полную помехозащиту. Поэтому ис­пользуют два дополнительных конденсатора . Эти конденсато­ры включены между соединительными проводами и защитным проводом и тем самым шунтируют изоляцию. Они должны быть выполнены с учетом защиты от напряжения прикосновения.

Если > 10 то можно использовать один конденсатор (рис. 8.6). Конденсатор замыкает оба соединительных провода по высокой частоте накоротко, и неважно, какой из них через конденсатор соединяется с защитным проводом.

Рис. 8.6 – Схема подавления помех, вызываемых коллекторным двигате­лем, Х - и Y-конденсаторами

К сожалению, значения емкостей конденсаторов и из-за неизвестных паразитных емкостей и неизвестного внутреннего сопротивления источника противофазного напряжения сложно рассчитать. Обычно требуемые значения определяются экспери­ментально, что из-за больших затрат на измерения целесообраз­но проводить совместно со специалистами в области ЭМС или с производителем средств защиты от помех.

8.3 Разряды статического электричества

Разряды статического электричества возникают, как правило, при выравнивании потенциалов тела человека, предметов и ком­понентов, заряженных статическим электричеством с заземлен­ным окружением.

Различают прямые разряды (например, разряд с тела человека при касании клавиатуры компьютера, телефона с запоминающим устройством, устройства считывания с кодовых карточек), а так­же косвенные разряды (например, разряд с тела человека через тележку с измерительными приборами, проводящую настольную плиту, торшер [Л.]).

В то время как в первом случае незаземленные части (напри­мер, входы полупроводниковых приборов) через гальваническую связь могут получать напряжение относительно земли до несколь­ких киловольт и выйти из строя, в последнем случае магнитные и электрические поля, связанные с косвенными разрядом, ин­дуктируют в соседних, неэкранированных приборах напряжения и токи помех, которые тоже могут приводить к необратимым нарушениям.

Мерами противодействия при разрядах статического электри­чества являются:

· устранение возможности появления зарядов статического электричества при наличии антистатических полов, антистатической одежды (хлопок вместо искусственных волокон и меха), регулирования влажности воздуха (относительная влажность должна быть больше 50%);

· повышение помехоустойчивости приборов за счет металлических экранирующих корпусов, пластмассовых корпусов с металлизацией или проводящим покрытием, использование помехоустойчивых элементов со встроенными защитными диодами;

· безопасный отвод зарядов статического электричества (например, при неизбежном контакте с чувствительными элементами на производстве) посредством проводящих упаковки и контейнеров [Л.], рабочих столов (высокоомно заземленных!), высокоомных уравнительных проводов между частями тела человека и рабочим столом, слабопроводящих полов и слабопроводящей обуви [Л.], преднамеренного касания заземленных предметов перед прикосновением к чувствительным элементам и платам.

8.4 Защита сети электропитания

Воздействие на сеть, вызываемое коммутируемыми блоками питания, коммутационной аппаратурой, выпрямителями силовой электроники, является образцовым примером передающихся по проводам помехам. Несинусоидальный ток, потребляемый одним единственным мощным потребителем, может исказить форму кривой напряжения сети и этим причинить вред многочисленным средним и малым потребителям. Большое количество маломощных потребителей, если их действие происходит синхронно (телевизионные приемники), может вызвать заметное влияние на сеть.

Содержащиеся в несинусоидальных токах гармоники Iυ вызывают на пропорциональных частоте реактивных сопротивлениях ω_υL = υωL падения напряжения, и потому даже небольшой ток высокой частоты может вызвать заметное падение напряжения.

Дальнейшее усиление воздействия на сеть происходит, если параллельно потребителю включены емкости Ср для компенсации реактивной мощности. Они образуют совместно с реактивностью сети заграждающий контур, в котором при резонансе не только возникают очень сильные перенапряжения, но и в сеть через емкость могут течь очень большие токи, (рис. 8.7).

Рис. 8.7 – Повышенная реакция на сеть компенсированных
нелинейных потребителей

Согласно нормативным документам ("Общие условия элект­роснабжения потребителей") с одной стороны, электростанции обязаны поддер­живать напряжение и частоту возможно более постоянными, так чтобы общие потребители могли нормально функционировать, с другой стороны установки потребителей должны эксплуатиро­ваться так, чтобы были исключены помехи другим потребителям и воздействия на оборудование электростанций.

Выработка и контроль за определенным качеством напряже­ния вменяется в обязанность преимущественно эксплуатацион­никам сетей, которые по меньшей мере должны сдерживать под­питку высшими гармониками, производимую их многочислен­ными анонимными малыми потребителями. При наличии заведомо мощных генераторов, создающих гармоники, следует стремиться обеспечить ЭМС с учетом экономических и технических интересов всех участников. Предлагаются следующие технические мероприятия [Л.].

В сети: обеспечение малого внутреннего сопротивления сети; компенсация реактивной мощности, в зависимости от нагрузки через исполнительный орган с тиристорным управлением; использование пассивных и активных помехоподавляющих контуров;

у потребителя: повышение частоты пульсаций у выпрямителей; ограничение пусковых токов; составление расписания работы и разнесение во времени работы оборудования, генерирующего гармоники; использование пассивных и активных подавляющих контуров.

Все мероприятия, в основном, сводятся к тому, чтобы сделать возможно меньшим отношение внутреннего сопротивления сети

Zi и полного сопротивления потребителей Znp. соответственно отношение мощности короткого замыкания сети Р_K и максимальной мощности приборов P_{П MAX} —возможно большим. В расчете на наихудший случай необходимо для мощности Р_К принимать минимальное, для Р_{п тах} — максимальное значение. Следующие соотношения считаются при подключении новых потребителей не вызывающими опасений [Л.]:

Колебания напряжения, высшие и промежуточные гармоники

несимметрии напряжения Р_к /Р_{п тах} > 150.

Эти значения ориентировочные. В зависимости от конкретных условий они могут быть иными.