(Microsoft PowerPoint - PKE2.ppt [tryb zgodno\234ci])

Transkrypt

Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych
Politechniki Łódzkiej
Źródła zakłóceń – podział
Zakres częstotliwości zakłóceń
• zakłócenia malej częstotliwości – stosunkowo łatwe do redukcji w czasie
instalacji
Podstawy kompatybilności
elektromagnetycznej
• zakłócenia wielkiej częstotliwości – wymagają stosowania specjalnych
rozwiązań
Nośnik zakłóceń
• zakłócenia przewodzone, scharakteryzowane poprzez przebiegi prądów i
napięć
• zakłócenia wypromieniowane,
elektryczne i magnetyczne
dr inż. Piotr Pietrzak
[email protected]
pok. 54, tel. 631 26 20
www.dmcs.p.lodz.pl
scharakteryzowane
poprzez
pola
Czas trwania (charakter czasowy) zakłóceń
• zakłócenia trwałe lub podtrzymywane – wpływające głównie na układy
analogowe
opracowano na podstawie:
Alain Charoy
„Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych”
Źródła zakłóceń – podział
Miejsce występowania zakłócenia
• wewnątrz układu (zakłócenia intersystemowe)
• na zewnątrz układu (zakłócenia intrasystemowe)
Istnieją szczególne przypadki zakłóceń, które są jednocześnie
przewodzone i wypromieniowane (przez pola), np. w przypadku
wystąpienia wyładowania atmosferycznego. Dla tego typu zjawisk należy
jednocześnie ocenić obydwa typy sprzężeń.
• zakłócenia przejściowe – wpływające głównie na układy cyfrowe
Źródła zakłóceń – zakłócenia małej częstotliwości
Zakłócenia
małej
częstotliwości
o częstotliwości poniżej 1 MHz
najczęściej
dotyczą
sygnałów
W zakresie m.cz. układy zachowują się w sposób przewidywalny,
a występujące zjawiska mogą być analizowane na podstawie powszechnie
stosowanych modeli i schematów zastępczych zawierających rezystancje,
indukcyjności własne i wzajemne oraz pojemności
W zakresie m.cz.:
• sprzężenia przez pola nie stanowią istotnego źródła zakłóceń
• w wielu przypadkach
rozwiązanie
separacja
galwaniczna
stanowi
skuteczne
• długość przewodów uziemiających nie jest zbyt krytyczna
• większość problemów może zostać rozwiązana poprzez zapewnienie
ekwipotencjalności otoczenia układu elektronicznego, przy czym
spełnienie tego warunku jest stosunkowo łatwe
• można przyjąć, że parametry prądu płynącego przez przewód są takie
same na całej długości tego przewodu
Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz.
m.cz. przewodzone
Zakłócenia m.cz. odznaczają się czasem trwania co najmniej kilkadziesiąt
mikrosekund
W przypadku zakłóceń m.cz. istotna jest energia wprowadzona do układu
zakłócanego galwanicznie, która jest równa iloczynowi napięcia i prądu
sygnału zakłócenia oraz czasu jego trwania
Zakłócenia przewodzonych można stosunkowo łatwo zmierzyć przy użyciu
szeroko dostępnych urządzeń pomiarowych
Zakłócenia małej mają największy wpływ na obwody przenoszące sygnały
o niskim poziomie, przy najczęściej występują zakłócenia sumacyjne
Zakłócenia m.cz. wprowadzane przez przewodzenie
• podtrzymywane
m.cz. przewodzone podtrzymywane
Zakłócenia podtrzymywane
wszelkie pasożytnicze przebiegi prądów i napięć, których czas trwania
przekracza 1 s, w przeciwieństwie do zakłóceń impulsowych, które
pojawiają się krótkotrwale i sporadycznie
Migotanie (flicker)
Niewielkie lecz częste obniżenia napięcia zasilającego, spowodowane
krótkotrwałymi przetężeniami w obwodach zasilających.
W sieci elektroenergetycznej zjawisko szczególnie odczuwane na krańcach
linii przesyłowych. Może być powodowane przez załączenie odbiorników
dużej mocy, np. dużych silników elektrycznych. W przemyśle, szczególnym
przypadkiem jest sieć zasilająca piece łukowe o mocy wielu megawatów,
zwierające sieć udarowo, zwłaszcza podczas rozruchów.
• przejściowe
1
W sieciach energetycznych impedancja zależy od impedancji wyjściowej
(zastępczej szeregowej) transformatora oraz impedancji kabli.
Kable silnoprądowe o przekroju większym niż 200 mm2 przy częstotliwości
50 Hz zachowują się jak indukcyjności i mają stałą reaktancję na jednostkę
długości 0,1 Ω /km. Indukcyjność ta jest praktycznie niezależna od
przekroju i proporcjonalna do częstotliwości (np. 0,5 Ω /km przy 250 Hz).
Impedancję wyjściową transformatora wyznacza się na podstawie wartości
jego mocy znamionowej i napięcia zwarcia.
Dopuszczalne parametry zjawiska migotania w sieciach energetycznych
(spadek napięcia, czas trwania, częstość powtórzeń) określają stosowne
normy
W celu ograniczenia migotania dąży się do zmniejszania impedancji sieci,
która ta nie powinna przekraczać 0,5Ω
Ω (0,4 + j0,25Ω
Ω)
Napięcie zwarcia małych transformatorów zasilających (o mocy
wynoszącej dziesiątki lub setki watów) najczęściej mieści się w zakresie
10% do 20% (głównie składowa rezystancyjna)
Napięcie zwarcia dużych transformatorów niskiego napięcia (od 1 kVA do
1 MVA) zawiera się w przedziale 4% do 6% (głównie składowa reaktancyjna)
Napięcie zwarcia transformatora (moc zwarciowa)
Odniesione do wartości znamionowej napięcie, które należy przyłożyć do
uzwojenia pierwotnego, aby w zwartym uzwojeniu wtórnym wymusić
przepływ prądu znamionowego. Wyrażane w procentach. Na przykład,
transformator o napięciu zwarcia 5% podczas zwarcia pobierze (z sieci
sztywnej) prąd dwudziestokrotnie większy od prądu znamionowego.
Zjawisko migotania jest w
większości niegroźne dla
współcześnie produkowanych
urządzeń elektronicznych
Napięcie zwarcia dużych transformatorów wysokiego napięcia o dużej
wytrzymałości elektrycznej jest rzędu 10% (niemal zupełnie reaktancyjne),
do 12% dla transformatorów o dużym strumieniu rozproszenia
Migotanie staje się istotne jedynie
w przypadku bardzo silnych
przeciążeń lub wówczas, gdy
impedancja sieci jest duża
Małe transformatory o mocy mniejszej niż 1 kVA stanowią źródła
rezystancyjne, a ich napięcie wtórne obniża się przy obciążeniu
rezystancyjnym
Migotanie jest uciążliwe dla wzroku
w przypadku klasycznych, żarowych
źródeł światła
Duże transformatory są źródłami napięcia, których impedancja wewnętrzna
ma charakter indukcyjny. Napięcie na ich uzwojeniu wtórnym pozostaje
praktycznie stałe przy obciążeniu rezystancyjnym, ale obniża się przy
obciążeniu indukcyjnym i wzrasta przy pojemnościowym.
Określa się dopuszczalne
fizjologiczne poziomy migotania
w funkcji częstości zmian napięcia
Zmienność częstotliwości sieciowej
Wynika z procesu wytwarzania energii elektrycznej przez generatory,
których częstotliwość nie jest utrzymywana na dokładnie stałym poziomie.
Szczególnie istotne w przypadku źródeł zasilania awaryjnego (generatorów
napędzanych silnikami Diesla) lub lokalnych niewielkich generatorów
prądotwórczych, których obciążenie się zmienia.
Współczesne urządzenia elektroniczne zasilane przez zasilacze impulsowe
są niewrażliwe na zmiany częstotliwości.
Niebezpiecznym przypadkiem jest szybka zmiana częstotliwości napięcia
zespołu generatorowego, zasilającego falownik generujący na wyjściu
stałe napięcie o określonej wartości. Przy szybkiej zmianie częstotliwości
na wejściu falownik przełączający napięcie wejściowe łącznikami
półprzewodnikowymi może wyłączyć się z powodu niezgodności faz
pomiędzy sygnałami na swoim wejściu i wyjściu.
Zgodnie z obowiązującymi normami wszystkie urządzenia elektroniczne
powinny być odporne na zmiany częstotliwości w zakresie ±4%, trwające
do 10 min.
Duże systemy zasilane przez transformatory z rdzeniami pracującymi w
stanie bliskim nasycenia mogą się przegrzewać wskutek zmniejszenia
częstotliwości, czemu towarzyszą wyższe, nieparzyste harmoniczne
generowane w prądzie transformatora.
Sieci elektroenergetyczne krajów UE są powiązane ze sobą tworząc
strukturę kratową. Błąd częstotliwości w całej sieci jest mniejszy niż 0,1%.
2
Harmoniczne
Każde nieliniowe obciążenie pobiera prąd zawierający składową
podstawową 50 Hz (w Europie) oraz harmoniczne o częstotliwościach,
będących krotnościami podstawowej: 100, 150, 200, 250 Hz itd.
Analizując zawartość harmonicznych bierze się pod uwagę do 40
harmonicznej (2 kHz w sieciach 50 Hz i 2,4 kHz w sieciach 60 Hz)
Harmoniczne parzyste generowane są przez obciążenia pobierające
składową stałą prądu.
Większość obciążeń nieliniowych (transformatory nasycone z powodu zbyt
wysokiego napięcia, lampy wyładowcze, zasilacze impulsowe, itp.)
wytwarzają jedynie nieparzyste harmoniczne.
Dla urządzeń zasilanych z przetwornic impulsowych (m.in. informatyczne)
prądy są odkształcone w granicach od 50 do 80%. Współczynnik szczytu
(wartość szczytowa prądu odniesiona do amplitudy jego składowej
podstawowej) często przekracza wartość 4, a niekiedy osiąga wartość 6.
Prądy trzeciej harmonicznej (oznaczanej jako h3) nawet w przypadku
symetrii obciążenia faz w układzie trójfazowym sumują się w przewodzie
neutralnym, przez co natężenie prądu w przewodzie neutralnym może być
większe niż w przewodach fazowych.
Przy częstotliwości prądu 150 Hz występuje zjawisko naskórkowości
prowadzące do większego wzrostu temperatury przewodu niż dla 50 Hz.
W instalacjach, w których pracuje wiele urządzeń informatycznych prąd
trzeciej harmonicznej płynący w przewodzie neutralnym jest 1,2 do 1,5 razy
większy od prądu fazowego
Wpływ harmonicznych prądu na kształt napięcia staje się znaczący przy
dużych obciążeniach nieliniowych.
Zniekształcenie napięcia zasilającego określa się poprzez względne
(określone w procentach) odkształcenie sinusoidy napięcia. Jest ono
proporcjonalne do poziomu odkształceń harmonicznych prądów (źródło)
oraz do impedancji sieci (sprzężenie), która zachowuje się jak impedancja
wspólna obwodu zakłócającego i zakłócanego.
Każde
urządzenie
elektroniczne
powinno
tolerować
całkowite
odkształcenie napięcia zasilania nieprzekraczające 8%, w tym co najmniej
5% odkształceń pochodzących od najgroźniejszych harmonicznych (często
trzeciej w napięciu fazowym oraz piątej lub siódmej w napięciu
międzyprzewodowym).
Należy zwrócić szczególną uwagę na składowe stałe prądu, które łatwo
nasycają rdzenie transformatorów. Obwód magnetyczny klasycznego
transformatora zasilającego osiąga nasycenie wskutek występowania
składowej stałej prądu rzędu 1% prądu znamionowego dla małych
transformatorów (<10 kW) i rzędu 0,1% prądu znamionowego dla
transformatorów dużych (>100 kW). Transformator z rdzeniem nasyconym
składową stałą staje się źródłem znacznych harmonicznych parzystych.
Mostek Graetza oraz regulator tyrystorowy stanowią źródła harmonicznych
nieparzystych, nie będących krotnością trzech (h5, h7, h11, itd.)
Ich działanie w przebiegu napięcia objawia się występowaniem tzw.
załamań komutacyjnych (inaczej komutacja anodowa).
Napięcie z mostka jednofazowego jest zniekształcone
załamaniami na okres, a z mostka trójfazowego – sześcioma.
czterema
Amplituda załamań komutacyjnych
może sięgać kilkudziesięciu woltów,
przy
czasie
trwania
kilkuset
mikrosekund.
Załamania
komutacyjne
mogą
spowodować załączanie obwodów
wykonawczych zawierających gorszej
jakości triaki (wrażliwość na przebiegi
napięć o stromości mniejszej niż
30 V/µs).
Bateria kondensatorów niskiego napięcia stosowanych do kompensacji
mocy biernej (poprawa cosϕ
ϕ) przyłączana jest równolegle do indukcyjności
transformatora zasilającego tworząc obwód równoległy LC, który przy
częstotliwościach rezonansowych przedstawia dużą impedancję.
Tłumienie takiego obwodu rezonansowego jest tym mniejsze, im mniejszy
jest pobór mocy z transformatora.
Jedynym sposobem wyeliminowania harmonicznych (poza zmniejszeniem
impedancji sieci, na które najczęściej nie mamy wpływu), możliwym do
zastosowania lokalnie, jest włączanie szeregowego filtru lub zespołu filtrów
dostrojonego do wybranych harmonicznych (najbardziej dokuczliwe są
harmoniczne piąta i siódma).
W przypadku gdy harmoniczna prądu
(generowana
np.
przez
mostek
Graetza) obciążenia jest zgodna
z
częstotliwością
rezonansową
obwodu
równoległego
LC,
odkształcenie napięcia może osiągnąć
niedopuszczalne wartości. W takim
przypadku należy dokonać zmiany
częstotliwości rezonansowej (dodanie
pojemności
równoległej
lub
indukcyjności szeregowej), kosztem
zmniejszenia poziomu kompensacji.
3
Interharmoniczne
Prąd interharmoniczny jest prądem o częstotliwościach innych, niż
krotność częstotliwości sieci, przy czym rozróżnia się:
• interharmoniczne posiadające określoną częstotliwość (prawdziwe)
• interharmoniczne o widmie ciągłym
Interharmoniczne o określonej częstotliwości generowane są przez
niektóre statyczne przekształtniki częstotliwości oraz cyklokonwertery do
napędu silników o małej prędkości. Niektóre silniki indukcyjne o
nierównomiernej szczelinie wytwarzają kilka harmonicznych częstotliwości
obrotowej.
W dłuższym czasie interharmoniczne mogą prowadzić do nadmiernego
nagrzewania. Zwykłe elektroniczne układy zasilania trudno jest zakłócić
interharmonicznymi.
Na ogół badania odporności na zawartość harmonicznych są miarodajne
dla oceny odporności na interharnioniczne.
m.cz. przewodzone przejściowe
Procesy przejściowe pozostałe po modulacji szerokości impulsów
w układach energoelektronicznych
Niektóre układy odcinające, regulatory prędkości, sterowniki silników
krokowych i przekształtniki mocy posiadają słabe obwody filtrujące lub nie
mają filtrów w ogóle. Takie układy wprowadzają zakłócenia symetrycznie
i asymetrycznie do sieci zasilającej oraz do obciążenia.
Działaniu układów przełączających towarzyszą procesy przejściowe, które
powtarzają się z częstotliwością ich pracy, która zawiera się w granicach
od 100 Hz (triaki) do ponad 100 kHz. Po gwałtownym odcięciu napięcia
pozostaje
przejściowy,
tłumiony
impuls
sinusoidalny,
którego
częstotliwość może sięgać kilku megaherców.
Prądy wysokiej częstotliwości płynące w przełączanych obwodach
zakłócają sąsiednie obwody analogowe i cyfrowe poprzez przesłuch oraz
wspólną impedancję.
Asymetryczne zakłócenia zasilania tłumi się instalując filtry w obwodach
napięcia zasilającego urządzenia zakłócającego i/lub zakłócanego oraz
stosując kable zasilające z ekranami uziemionymi po obu stronach.
Wahania napięcia
Zakłócenia przejściowe cechują się przemijalnością lub zanikiem.
Układy analogowe są mało wrażliwe na zakłócenia przemijające, a układy
cyfrowe najczęściej korygują niepowtarzające się błędy.
Zakłócenia przejściowe są mniej groźne niż zakłócenia podtrzymywane o
tej samej amplitudzie.
Mikrowyłączenia i zapad napięcia
Mikrowyłączenia polegają na zupełnym zaniku napięcia przez co najmniej
pół okresu częstotliwości przemysłowej i mogą występować jedynie w
napowietrznych sieciach niskiego napięcia, wykonanych nieizolowanymi
przewodami rozwieszonymi na izolatorach. Są one wynikiem
przemijającego zwarcia dwóch przewodów, powstałego np. wskutek
silnego wiatru.
Wszystkie inne przypadki są nazywane zapadem napięcia. Najczęściej są
one spowodowane wiatrem, burzą, zwarciem przewodów linii lub
uszkodzeniem innego odbiorcy. Zwarcia w liniach bardzo wysokich napięć
są rzadkie i w praktyce powstają na skutek wyładowań atmosferycznych.
Automatyka sieci wymaga, aby czas zapadu był krótszy niż 0,5 s.
W przypadku przekroczenia tego czasu mamy do czynienia z wyłączeniem.
Polegają na szybkich zmianach napięcia zasilania zawartych, w przedziale
normalnych zmian napięcia, dopuszczalnych podczas pracy sieci.
Najczęściej wynikają ze skokowych zmian obciążenia sieci: rozruchu
dużych silników, uruchamiania pieców łukowych, regulacji napięcia przez
zmianę zaczepów transformatora itp.
Nie są one trwałe, ale często amplitudę mają większa niż migotanie.
Pomimo tego wahania napięcia zakłócają bardzo nieznacznie.
Urządzenia elektroniczne zbudowane konwencjonalnie powinny być
odporne na wahania napięcia w granicach ±8%. Urządzenia pracujące
w sieciach bardzo zakłóconych powinny znosić wahania na poziomie ±15%
Zagrożenie
wywołane
zapadem
określa się dwoma parametrami
dotyczącymi
napięcia
między
dwoma
fazami
najbardziej
dotkniętymi zakłóceniem sieciowym:
głębokością
zapadu
wyrażoną
w procentach w stosunku do
napięcia znamionowego (większą
niż 15%) oraz czasem trwania.
Skutkiem obniżenia się napięcia jest utrata zasilania ze wszystkimi tego
konsekwencjami dla układu elektronicznego.
Głębokość zapadów napięcia oraz ryzyko długotrwałych wyłączeń
ograniczane są poprzez łączenie sieci średniego napięcia w strukturę
kratową. Stosowane sterowania sieciami automatycznie eliminują
uszkodzone odcinki oraz dostosowują moc przekazywaną danymi liniami
do bieżących potrzeb.
4
W procesie projektowania układów elektronicznych, w szczególności
obwodów zasilaczy należy wziąć pod uwagę możliwość wystąpienia
zapadów napięcia i zastosować odpowiednie rozwiązania zapewniające
poprawne funkcjonowanie i/lub bezpieczne wyłączenie urządzenia w czasie
wystąpienia zakłócenia.
Przepięcia czasowe
Urządzenia elektroniczne z dobrze zaprojektowanym zasilaczem
impulsowym mogą pracować poprawnie przy trwałym obniżeniu napięcia
dochodzącym do 50%.
Przepięcia czasowe mogą być spowodowane wyłączeniem baterii
kondensatorów (np. do kompensacji mocy biernej), których pojemność
tworzy z indukcyjnością sieci równoległy obwód rezonansowy LC. Obwody
tego typu odznaczają się częstotliwością rezonansową na poziomie 1 kHz.
W przypadku zasilaczy małej mocy (w szczególności impulsowych)
kondensatory filtrujące mogą utrzymać zasilanie w czasie zapadu.
W zasilaczach dużej mocy, w celu zapewnienia ciągłości zasilania urządzeń
o wysokim stopniu odpowiedzialności stosuje się układy bezprzerwowe,
wykorzystujące energię zgromadzoną w akumulatorach.
Przepięcia szczególnie groźne dla urządzeń zasilanych symetrycznie
z sieci trójfazowej (napięciem międzyprzewodowym).
Napięcia
przejściowe
osiągają
napięcie bliskie podwójnej wartości
szczytowej
napięcia
roboczego
sieci.
Dla sieci jednofazowej 230 V wartość
szczytowa
przepięcia
może
przekraczać 500 V. Energia tego typu
przepięć sięga setek dżuli.
Przepięcie czasowe może być wywołane przepaleniem się bezpiecznika
topikowego. Dla przykładu mały bezpiecznik o prądzie znamionowym 6,3 A
przepala się w milisekundę przy prądzie kilku kiloamperów.
Energia zgromadzona w indukcyjności obwodu często wynosi kilkaset
dżuli.
Przepięcie będące następstwem przepalenia się bezpiecznika osiągając
amplitudę 1000 V może doprowadzić do uszkodzenia sąsiednich urządzeń
podłączonych do tej samej sieci zasilającej
Praktycznie jedynym sposobem
ochrony przed przepięciami
generowanym lokalnie jest
stosowanie w obwodach zasilania
urządzenia ograniczników przepięć.
Próba odporności na przepięcia czasowe (długotrwałe) polega na
nałożeniu impulsu na wartość szczytową napięcia zasilającego:
jednofazowo: 425 V i trójfazowo: 735 V. Oznacza to podanie impulsu o
amplitudzie 750 V przy zasilaniu jednofazowym i 1300 V przy zasilaniu
trójfazowym (2,3 krotność wartości szczytowej napięcia zasilającego). Czas
narastania impulsu probierczego wynosi 0,1 ms, natomiast czas trwania do
półszczytu jest równy 1,3 ms.
Norma IEC 1000-4-5 nakazuje
przeprowadzenie trzech prób
impulsami każdej biegunowości
z jednominutową przerwą na
odzyskanie odporności.
Przepięcia sinusoidalne tłumione
Wszystkie łączenia w sieci elektroenergetycznej średniego napięcia
stanowią przyczynę powstawania przepięć nazywanych udarami
łączeniowymi. Dołączenie źródła do linii oznacza podanie na nią impulsu
napięcia o stromym czole, czego następstwem jest wystąpienie tłumionego
przebiegu sinusoidalnego o częstotliwości równej częstotliwości własnej
linii (najczęściej pomiędzy 10 kHz a 1 MHz).
Analogiczne zjawisko związane jest z procesem łączenia w sieciach
niskiego napięcia. Obserwowane zakłócenia cechuje mniejsza energia niż
w przypadku udarów łączeniowych oraz wyższa częstotliwość.
Zgodnie z normą próba badania odporności urządzeń na przepięcia
sinusoidalne tłumione polega na nałożeniu impulsu o czasie narastania
0,5 µs, po którym następuje oscylacja o częstotliwości 100 kHz tłumiona
tak, aby kolejny szczyt przebiegu był równy co najmniej 60% wartości
poprzedniego.
Skutkiem udarów łączeniowych
i pochodzących od nich zakłóceń
asymetrycznych są zakłócenia
układów elektronicznych o małej
odporności.
Ochrona przed przepięciami
sinusoidalnymi tłumionymi wymaga
instalacji odpowiednich filtrów.
5
Przepięcia piorunowe
Są skutkiem wyładowań atmosferycznych, w wyniku których powstaje
plazmowy kanał przewodzący prąd rozładowania elektryczności statycznej
zgromadzonej między chmurą a ziemią lub pomiędzy chmurami.
Jest to idealne źródło prądu impulsowego. Jedno na dwa wyładowania ma
amplitudę o wartości co najmniej 25 kA.
W celu zapewnienia 95%
ochrony od skutków wyładowań
atmosferycznych należy wziąć pod uwagę prądy szczytowe do 100 kA,
a dla 99% ochrony – prądy 200 kA. Z punktu widzenia kompatybilności
elektromagnetycznej energia wyładowania atmosferycznego jest znaczna.
Zakłócenie pochodzące z wyładowania atmosferycznego zakłóca pracę
urządzeń przenikając przez wspólną impedancję (uziemienie) oraz przez
napięcie indukowane w pętlach przewodów masy.
Czas narastania udaru prądowego
jest krótki (ok. 1 µs przy stromości
prądu ∆i/∆
∆t wynoszącej dla 95%
udarów nie więcej niż 160 kA/µs).
Przyjęcie do oceny zagrożenia
z powodu stromości prądów 99%
udarów, wymaga założenia
∆i/∆
∆t = 300 kA/µs.
Niezależnie od impedancji uziemień, konieczne jest zapewnienie właściwej
ochrony linii elektroenergetycznych i telekomunikacyjnych przez
zastosowanie odgromników, które chronią układ bocznikując wpływający
do niego prąd, gdy napięcie przekroczy zadany poziom ochronny.
Ograniczenie skutków wyładowania wymaga prowadzenia odpowiednich
połączeń wewnętrznych: tworzenia kratowych połączeń mas, czy też
wykorzystania efektów redukcyjnych.
Prądy przejściowe
Spowodowane są załączeniem obciążenia,
wygenerowanie krótkiego impulsu prądowego.
któremu
W przypadku impulsów symetrycznych, wpływają
i przejściowo na przebieg napięcia zasilania.
one
towarzyszy
W celu redukcji zakłóceń należy zachować właściwe odstępy pomiędzy
kablami sygnalizacyjnymi i zasilającymi. W większości przypadków
bezpieczną odległością jest 30 cm.
nieznacznie
Dla przykładu zapłon lampy fluorescencyjnej wywołuje impuls o wartości
szczytowej przekraczającej 10 A.
Głównym czynnikiem zakłócającym jest występowanie stromego czoła
impulsu wnikające go do obwodu asymetrycznie (najczęściej amplituda
jest stosunkowo niewielka: ok. kilku amperów).
Szczególnie narażone na zakłócenia od prądów przejściowych są instalacje
przemysłowe – kable różnego typu (energetyczne, komunikacyjne, itp.)
prowadzone są wspólnymi trasami (korytka instalacyjne, listwy, itp.).
Źródła zakłóceń – zakłócenia m.cz.,
m.cz., sprzężenie EM, podtrzymywane
Zakłócenia małej częstotliwości przenikające przez sprzężenie
elektromagnetyczne, podtrzymywane
Dla zakresu małych częstotliwości poważniejsze konsekwencje może mieć
jedynie występowanie sprzężenia dla pola magnetycznego zakłócającego
obwód.
Ekranowanie układu od pola magnetycznego przy częstotliwościach
mniejszych niż 10 kHz, jest trudne.
Obecność pól magnetycznych podtrzymywanych często może być
stwierdzona przy użyciu podstawowych narzędzi: oscyloskopu
(multimetru) i pętli przewodu (cewki powietrznej).
Przepięcia wolne (przepalenie bezpieczników, załączanie dużych obciążeń
pojemnościowych...), pojawiające się symetrycznie mogą doprowadzić do
uszkodzenia obwodów zasilania.
Przepięcia asymetryczne małej częstotliwości w układzie odseparowanym
galwanicznie nie powinny zakłócać jego pracy.
Zakłócenia m.cz., przejściowe, wnikające przez przewodzenie stanowią
niebezpieczeństwo dla prawidłowo zaprojektowanego układu jedynie
w sytuacji gdy posiadają bardzo dużą energię (np. wyładowania
atmosferyczne). Można ograniczyć ich wpływ stosując środki ochrony
przeciwprzepięciowej.
Pole magnetyczne rozproszenia transformatorów
Wartość szczytowa indukcji w żelazie transformatorów pracujących przy
obciążeniu znamionowym często przekracza 1,5 T, co oznacza, że pracują
one w stanie bliskim nasycenia, a natężenie pola magnetycznego w pobliżu
transformatora może przekraczać 100 A/m.
Natężenie pola magnetycznego małej częstotliwości wytwarzane przez
źródło punktowe zanika wraz z odległością r zgodnie z prawem BiotaSavarta-Laplace’a (prawo B-S-L)
gdzie:
dl – nieskończenie mały element przewodnika z prądem
dB – indukcję magnetyczną
6
Sposobem na 5 10-krotne ograniczenie pola rozproszenia transformatora
klasycznego
Bardzo
dobrym
rozwiązaniem
ograniczenia
poziomu
zakłóceń
emitowanych przez transformator jest użycie transformatorów z rdzeniem
toroidalnym
Przy równomiernym rozłożeniu uzwojeń transformatora toroidalnego pole
rozproszenia pozostaje we wnętrzu uzwojeń i strumień rozproszenia osiąga
bardzo małe wartości.
Pojemność pomiędzy uzwojeniami transformatorów toroidalnych jest
znacznie większa niż transformatorów z uzwojeniami na oddzielnych,
kolumnach rdzenia (pojedyncze nanofarady odniesione do kilkudziesięciu
pikofaradów).
W otoczeniu dużych transformatorów typu SN/nn oprócz pola
magnetycznego rozpraszanego przez należy uwzględnić pole wytwarzane
przez prądy w wyprowadzeniach uzwojenia niskiego napięcia.
Pola magnetyczne napowietrznych, linii elektroenergetycznych
Przewody trakcyjne oraz linie napowietrzne wysokiego napięcia stanowią
źródło pola magnetycznego. Elementem Pętlą promieniującą pole
magnetyczne jest powierzchnia pomiędzy przewodem doprowadzającym i
przewodem powrotnym (np. kolejowy przewód trakcyjny i szyna).
Linie o napięciu 20 kV przewodzą najczęściej prąd o natężeniu 500 A,
linie 63 kV przewodzą 1000 A, linie 400 kV – około 2000 A. W instalacjach
przemysłowych w szynoprzewodach zbiorczych niskiego napięcia mogą
wystąpić prądy przekraczające 10 kA.
Pole magnetyczne wytwarzane przez symetryczną linię napowietrzną
zanika odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości.
Negatywnym
efektem
działania
pól
elektroenergetycznych
jeśli
indukowanie
w pętlach urządzeń znajdujących się w pobliżu.
magnetycznych
linii
napięć
zakłócających
Prądy upływu do ziemi
Urządzenia takie jak mikroskop elektronowy czy spektrograf masowy są
niezwykle wrażliwe na pola magnetyczne małej częstotliwości i tolerują
natężenia do 0,25 A/m. W ich przypadku najgroźniejszym źródłem pola
magnetycznego jest pętla przewodu neutralnego instalacji, przez której
dużą powierzchnię przepływa stosunkowo duży prąd.
Prąd upływu płynący w przewodach masy można przyjąć na poziomie:
• 1 A na 1 MVA zainstalowanej mocy dla pomieszczeń ogólnego
przeznaczenia
• 10 A na 1 MVA zainstalowanej mocy dla pomieszczeń komputerowych.
Prąd upływu płynący w przewodach masy generuje pole magnetyczne,
którego natężenie maleje proporcjonalnie do odległości. Wyeliminowanie
jego wpływu poprzez zwiększenie odległości często okazuje się
niewystarczające – należy stosować transformatory separujące.
Natężenie
pola
magnetycznego
emitowanego
przez
linie
elektroenergetyczne o napięciu 220 kV lub 400 kV na poziomie ziemi
wynosi około 10 A/m i maleje do około 1 A/m w odległości stu metrów.
W celu ograniczenia zakłóceń pochodzących od linii zasilających
w przemysłowych sieciach rozdzielczych niskiego napięcia dąży się do
zmniejsza powierzchni pętli emitującej pole magnetyczne poprzez zbliżenie
do siebie kabli poszczególnych faz.
Przy prądach sieci przekraczających
500 A stosuje się przewody fazowe
wielokrotne, co pozwala ograniczyć
się zjawisko naskórkowości prądu.
W przypadku przepływu w wyniku
zwarcia prądów większych niż
10 kA w przewodach znajdujących
się blisko siebie indukowane są
siły elektrodynamiczne mogące
doprowadzić do nagłego
odepchnięcia przewodów od siebie.
Prądy upływu mogą
różnicowoprądowych.
powodować
błędne
działanie
zabezpieczeń
Problem prądów upływu staje się istotny z powodu prądów upływu
zasilaczy z modulacją szerokości impulsów, które to prądy przy
częstotliwościach przetwarzania znacznie przekraczają prądy upływu
o częstotliwości sieciowej.
Szpilki prądowe towarzyszące działaniu urządzeń informatycznych w chwili
ich włączenia mogą osiągać wartość kilkunastu amperów i trwać do kilku
ms. Do tego typu obciążeń stosuje się zabezpieczenia różnicowoprądowe
krótkozwłoczne (często stosuje się zamiast nich zabezpieczenia
o charakterystyce A).
7
Układ sieci TN-C sprzyja emisji zakłóceń przenikających przez pole
magnetyczne emitowane przez pętlę PEN. W celu ich ograniczenia stosuje
się układ TN-S.
Układy odchylania kineskopów
Układy magnetycznego odchylania wiązki elektronów w kineskopach,
wykorzystujące cewki odchylające, generatory odchylania poziomego (linii)
i pionowego (ramki) wytwarzają w swoim otoczeniu pole magnetyczneo
częstotliwości od 15 do 80 kHz.
Zakłócenia te mogą w łatwy sposób przenikać do bardziej wrażliwych
obwodów
o
wysokiej
impedancji,
przenoszących
sygnały
niskoamplitudowe.
Piece indukcyjne
Cewki (wzbudniki, induktory) przemysłowych pieców indukcyjnych są
źródłem bardzo silnego pola magnetycznego. Ich moc waha się w
granicach 10 kW do 1 MW, a częstotliwość pola wynosi od kilkuset herców
do kilkudziesięciu kiloherców, zależnie od głębokości nagrzewania.
Tego typu piece stosowane są do nagrzewania materiałów przewodzących
w celu obróbki powierzchni lub przetopu.
Sprzęt AGD
m.cz., sprzężenie EM, przejściowe
Przejściowe zakłócenia małej częstotliwości wprowadzane przez
promieniowanie
Przejściowe pola magnetyczne małej częstotliwości stanowią źródło
zakłóceń tylko w sytuacji, kiedy mają bardzo dużą amplitudę.
Zwarcia
W konsekwencji wystąpienia zwarcia w sieci zasilającej jest wiele zjawisk
mogących prowadzić do zaburzenia pracy urządzeń:
• chwilowe obniżenie napięcia zasilania,
• przejściowy wzrost wartości natężenia pola magnetycznego
spowodowany prądem zwarciowym,
• pojawienie się przepięć o dużej energii (np. przepalenie się bezpiecznika
topikowego).
Prąd zwarciowy w sieci elektroenergetycznej jest 5 do 50 razy większy od
prądu znamionowego In, przy czym 50-krotny wzrost obserwuje się jedynie
w pobliżu transformatorów zasilających.
W sieciach średniego napięcia prąd zwarciowy nie przekracza 25In (typowo
15In).
Prąd zwarciowy praktycznie nigdy nie przekracza wartości 100 kA (nawet
dla transformatorów dużej mocy, także ze względu na stosowane
zabezpieczenia).
Pole magnetyczne prądów zwarciowych może zaburzyć działanie jedynie
wrażliwych obwodów przenoszących niskie poziomy sygnałów, których
czas odpowiedzi jest krótszy niż kilka milisekund w przypadku niskiego
napięcia i kilkadziesiąt milisekund - w przypadku średniego napięcia,
tj. krótszy niż czas działania zabezpieczeń sieci.
Załączanie linii napowietrznych
Rzadko występujące, jakkolwiek groźne zjawisko ponownego załączenia
długiej linii przesyłowej wysokiego napięcia, którego efektem jest
pojawienie się na jej otwartym końcu przepięcia, którego wartość może
przekroczyć podwójną wartość napięcia znamionowego.
W przypadku zwarcia na końcu linii, po jej załączeniu pojawia się
okresowa, trójkątna fala prądu, wędrująca od zasilania do miejsca zwarcia i
z powrotem. Czas trwania każdego przebiegu zależy od odległości
pomiędzy punktami i może sięgać kilku milisekund.
Efektem ubocznym załączenia jest indukowanie napięcia we wszystkich
sąsiednich pętlach masy. W przypadku linii 20 kV, w niekorzystnych
okolicznościach wartość szczytowa zaindukowanego napięcia może
przekroczyć 1 kV i może doprowadzić do uszkodzenia urządzeń
znajdujących się w odległości nawet kilkuset metrów.
Kable narażone na zakłócenia pochodzące od zwarć w sąsiednich liniach,
w szczególności kable przesyłające małe sygnały, powinny być
separowane galwanicznie i dobrze zsymetryzowane.
8
Wyładowania atmosferyczne
Oprócz zakłócania obwodów na skutek sprzężenia galwanicznego,
negatywny wpływ na ich działanie ma pole magnetyczne wywołane przez
prąd wyładowania atmosferycznego.
W czasie wyładowania prąd o natężeniu kilkudziesięciu kiloamperów może
narastać w czasie krótszym niż 1 µs.
Pole magnetyczne zmniejsza się proporcjonalnie do odległości od
przewodu, którym jest zjonizowane powietrze. Dla przykładu wartość
szczytowa napięcia indukowanego przez udar piorunowy w pętli w
odległości kilkuset metrów może wynieść 100 V na metr kwadratowy
powierzchni pętli
Ochrona przed polami magnetycznymi pochodzącymi z wyładowań
atmosferycznych polega na połączeniu mas urządzeń elektronicznych
w strukturę kratową, a przewody prowadzić w taki sposób, aby uzyskać
efekt redukcyjny.
W praktyce pola magnetyczne małej częstotliwości zakłócają jedynie
połączenia przewodowe, nieseparowane galwanicznie, asymetryczne
i instalowane bez starań o ograniczenie sprzężeń.
Pomiary przypadkowych impulsów magnetycznych,
sporadycznie
występujących
zjawisk,
wymagają
rejestratorów automatycznych.
jak każdych
zastosowania
Napięcia indukowane w pętlach uziemień oraz przewodach masy mogą
wynosić wiele kilowoltów i prowadzą do zaburzenia pracy lub zniszczenia
urządzeń elektronicznych.
Ze względu na częstość występowania, zjawisko indukowania się napięcia
jest znacznie bardziej kłopotliwe niż zjawisko zakłóceń przewodzonych.
9

(Microsoft PowerPoint - PKE2.ppt [tryb zgodno\234ci])

Transkrypt

Podobne dokumenty

Kabel VGA (D-sub) HD15M/HD15M

więcej - SE Spezial-Electronic Sp. z o.o

Wniosek o bonifikatę z tytułu zakłócenia lub przerwy w

ag81 filtr przeciwzakłóceniowy do cb

(Microsoft PowerPoint - PKE3.ppt [tryb zgodno\234ci])

Ćwiczenie 04

analiza zakłóceń procesów budowlanych

EdW 2003/08 – strona 24