Лекція 9. Електромагнітна сумісність і вплив на неї якості електричної енергії

1. Основні поняття електромагнітної сумісності

1. Основні поняття електромагнітної сумісності

Електромагнітна сумісність - це здатність електрообладнання задовільно функціонувати в умовах електромагнітних впливів з боку навколишнього середовища, а також не чинити неприпустимого впливу на це навколишнє середовище, яка включає в себе інше електрообладнання [2].

Останнім часом пильна увага приділяється питанням забезпечення електромагнітної сумісності електронних пристроїв і модулів з їх окремими вузлами і компонентами.

Зростання вимог до подальшого поліпшення характеристик електромагнітної сумісності обумовлений тим, що область застосування електронних пристроїв постійно розширюється. Системні рішення на основі мікроелектроніки і напівпровідникової електроніки застосовуються у всіх сферах промисловості, домашнього господарства і на транспорті. В даний час оцінка продукції з точки зору ЕMC необхідна в ще більшому ступені, ніж на ранніх етапах розвитку електроніки.

Основні поняття електромагнітної сумісності розглядають вплив як випромінюваних, так і кондуктивних перешкод (наведення), що поширюються по провідниках (наприклад, наведення по ланцюгах живлення), а також чутливість електрообладнання до впливу перешкод (стійкість). При цьому характеристики електромагнітної сумісності можуть визначатися в смузі частот 0 ... 400 ГГц. Взаємозв'язок основних понять електромагнітної сумісності приведений на малюнку 11.1.

Малюнок 11.1 - Різні аспекти електромагнітної сумісності

2. Природа електромагнітних завад

2. Природа електромагнітних завад

Електромагнітні перешкоди виникають внаслідок природних явищ або як результат технічних процесів. Прикладами природних перешкод можуть служити атмосферні розряди (електромагнітні імпульси, що виникають при ударі блискавки) або електростатичні розряди. Останні мають особливо велиЯЕ значення в напівпровідниковій електроніці. У промисловому обладнанні основним джерелом перешкод є процеси перемикання в електричних ланцюгах, пов'язані з дуже швидкою зміною струмів і напруг, що, в свою чергу, веде до появи електромагнітних завад, які можуть бути періодичними або випадковими. Вплив цих перешкод може носити як кондуктивний (у вигляді наведення на струми або напруги в провідниках), так і радіаційний (під впливом змінного електромагнітного поля) характер.

Тип кондуктивної завади, коли наведений в провідниках струм має знак, тобто з однаковою амплітудою протікає як в прямому, так і в зворотному напрямку, називається симетричною, або диференціальною, перешкодою. Якщо струм перешкоди замикається на землю або протікає по провіднику в одному напрямку, то така перешкода називається асиметричною, або синфазною.

Електромагнітний зв'язок між джерелом і приймачем перешкод може виникати в результаті:

- гальванічного зв'язку (найбільш поширений випадок), яка створює симетричні перешкоди;

- ємнісний зв'язку, що виникає в результаті впливу змінного електричного поля на паразитні конструктивні ємності;

- індуктивного зв'язку, викликаної перебуванням провідника, по якому тече струм, в змінному магнітного поле;

- електромагнітного зв'язку, яка може мати кондуктивной характер (виникає як наводка на провідники в кабельних джгутах або на провідні доріжки друкованої плати) або поширюється шляхом випромінювання (якщо ширина зазору між джерелом і приймачем перешкоди перевищує 0.1 довжини хвилі випромінювання 6).

3. Норми і стандарти електромагнітної сумісності

3. Норми і стандарти електромагнітної сумісності

Існує велика кількість норм і вимог, що відносяться до забезпечення електромагнітної сумісності обладнання. Вони підрозділяються на норми, що регламентують характеристики вимірювального обладнання, параметри тестових систем і методику вимірювань перешкод різної природи. Визначаючи методику випробувань електричних пристроїв на електромагнітну сумісність, ці норми встановлюють критерії, на підставі яких може бути зроблений висновок, що випробовувані пристрої задовольняють вимогам ЕMC.

Робота по стандартизації вимог щодо електромагнітної сумісності ведеться на міжнародному, європейському та національних рівнях. На світовому рівні основне навантаження несуть на собі ISO (Міжнародна організація по стандартизації) і IEC (Міжнародна електротехнічна комісія, МЕК), підрозділом якої є CISPR (International Special Committee on Radio Interference - Міжнародний спеціальний комітет по боротьбі з радіоперешкодами). На європейському рівні цю роботу здійснюють CEN (Європейський комітет зі стандартизації) і CENELEC (Європейський комітет з електротехнічних стандартів), а також ETSI (Європейський інститут по стандартизації в галузі телекомунікацій).

Напівпровідникові інтегральні мікросхеми є відносно новим об'єктом EMC-стандартизації, що вимагає введення особливих обов'язковими вимогами щодо сумісності виключно до цих приладів. Вимоги електромагнітної сумісності для них приблизно ті ж, що і для інших пристроїв і компонентів, проте як індивідуальні компоненти ІС рідко використовуються виключно в одній області застосування. В даний час МЕК розроблено дві групи нормативів, стандартизуючих методики вимірювання випромінюваних перешкод (стандарт IEC 61967) і завадостійкості ІС (стандарт IEC 62132).

4. Забезпечення електромагнітної сумісності споживачів

4. Забезпечення електромагнітної сумісності споживачів

При вирішенні комплексу питань, які пов'язанні з спотвореннями слід враховувати ті обставини, що технічні засоби подавлення спотворень чи захисту від них можуть бути реалізовані:
- у джерел спотворень (індивідуальні пристрої);
- в електричній мережі (потужні централізовані пристрої);
- у сприйнятливих до спотворень споживачів електроенергії (буферні пристрої, які підвищують рівень захисту до спотворень).
Стандарти в галузі електромагнітної сумісності можуть бути віднесені до двох основних груп:
- встановлюють допустимий рівень спотворень у мережі;
- встановлюють правила підключення до мережі обладнання що спотворює.
Кожний споживач електроенергії повинен характеризуватися відношеннями рівнів сприятливості до спотворень та стійкості до спотворень до рівня електричної сумісності.
При вирішені задач по забезпеченню електромагнітної сумісності:
- визначають амплітуди гармонік і оцінюють сумарний вплив кількох гармонік;
- визначають загальний рівень спотворень і дозволений індивідуальний вклад споживача в напругу n-ої гармоніки у точці загального підключення;
- визначають частотні характеристики елементів мережі і вузлів навантажень; виконують оцінки по сумісному впливу на коливання напруги кількох дугових сталеплавильних печей (ДСП);
- визначають допустимий термін перерви живлення.
Дозволений індивідуальний вклад в стандартах різних країн визначається по різному. В Австралії конкретному споживачу, який живиться від мережі напругою 22-66 кВ, дозволяється внести в мережу спотворення, які не перевищують 1/3 від норми електромагнітної сумісності. Залишки 2/3 відносять на вже існуючий рівень спотворень та на вклад майбутніх навантажень. У мережах 110 кВ і вище на майбутні навантаження відносять від 60 до 80 % норми електромагнітної сумісності.
У Франції споживач не повинен вносити спотворювання більші за 1,6 % (дорівнює 1/3 від норми 5 %), при цьому вклад на кожну парну гармоніку не повинен перебільшувати 0,6 %, а на непарну 1 % .
У Англії підключення споживачів без корегуючих пристроїв дозволяється до моменту, коли у точці загального підключення буде досягнуто нормованого рівня електромагнітної сумісності. Послідуючі споживачі повинні передбачати у себе встановлення корегуючих пристроїв.
Загальна процедура оцінки допустимості підключення споживачів електроенергії до мережі, як правило, включає три стадії.
1. Коли обладнання має потужність меншу максимальної (установлена в стандарті), то воно підключається без оцінки його впливу на мережу.
2. Якщо потужність обладнання перевищує максимальне встановлене значення, то необхідно оцінювати індивідуальний вклад споживача в рівень спотворень в точці загального підключення. Якщо він нижчий встановленого у стандарті рівня, то підключення допустимо.
Значення струму гармонік 5 £ n £ 31 визначається по

Сумарна дія кількох гармонік визначається по

де Un – значення напруги гармоніки n –го порядку; qn – ваговий коефіцієнт, який дорівнює 1 при визначені втрат у активному опорі; n –для конденсаторів; 1/n – для синхронних та асинхронних машин; 1,41U1*Kn при визначені впливу на телефонний зв'язок (Кn визначається згідно кривій на частотах n-ї гармоніки и 16 гармоніки, де крива має максимум).
При визначені загального рівня спотворення від кількох приймачів з навантаженнями, що викликає спотворення, сумуються випадкові вектори Vi

де a, К залежать від фазового кута і амплітуди V, а при урахуванні, що режими роботи приймачів в різних вузлах мережі незалежні один від другого, то фазові кути і амплітуди гармонік можливо приймати випадковими незалежними величинами, які розподіляються по нормальному закону.
Дозволений індивідуальний вклад i-го споживача у напругу n-ої гармоніки в точці загального підключення визначається по співвідношенню

де Рi – обумовлена максимальна потужність i-го споживача; Рпр – пропускна потужність мережі.
Значення a приймаються рівними 1 для n=3, 5, 7; рівними 1,4 для n=11, 13 та рівними 2 для n>13.
Так як збіг частот інтергармонік малоймовірний, то й сумування їх амплітуд у практичних розрахунках малоймовірно .
Еквівалентну потужність кількох ДСП визначають таким чином:
- при N однакових ДСП

де Х – регламентоване значення (0,25-0,5);
- для  N ДСП різної потужності

При оцінці індивідуального вкладу використається частотна характеристика мережі енергопостачальної організації, яка повинна бути надана споживачу. При відсутності характеристики використовується значення потужності короткого замикання в вузлі. При цьому приймають, що Xn = n*X1.
У загальному випадку нормується максимальне відношення потужності приймача електроенергії до потужності короткого замикання у точці загального підключення. Воно не повинно перевищувати: 0,5 % для 3-фазных перетворювачів, 1 % для 6-ти фазних, 2 % для 12 фазних и 3 % для 24 фазних.
3. Якщо індивідуальний вклад є вищим допустимого, то необхідно більш детальний розгляд можливості підключення споживача електроенергії.
Для оцінки допустимості підключення до мережі потужних навантажень що спотворюють і вибору фільтрів вищих гармонік необхідно знати опори мережі на частотах гармонік що досліджуються. Частотні характеристики можуть бути визнанні розрахунком на ПЕОМ, чи за допомогою експериментів виду:
- виміру струмів і напруг вищих гармонік у вузлі що досліджується, які створюються нормально експлуатуючим обладнанням. В цьому разі необхідно вирішувати проблему відстрочки від фонових гармонік;
- спеціального введення в вузол джерела неканонічних гармонік, наприклад парних, відсутність яких у мережах знімає проблему відсіву фонових гармонік;
- короткочасного підключення до вузлу конденсаторної батареї, реактора чи опору з метою створення перехідного процесу, а потім  послідуючої обробки і одержання частотного еквіваленту.
Загальним способом нормування коливань напруги є установлення норм на еквівалентний розмах коливань, який є сумою розмахів визначених за кривою g(f), яка є зворотною кривій допустимих розмахів  

,  

де dU_f – розмах коливань з частотою повторення f.
Найбільш часто на стадії проектування використовують відношення потужності коротких замикань ДСП до потужності замикання мережі

Та співвідношення між Ккз и dU_ЭКВ не однозначно, тому що величина фактичного розмаху коливань визначається не тільки S_КЗ^ДСП, а і технологічними особливостями експлуатації ДСП (м’який початок плавки, обмазування електродів, газові інекції, шихта у вигляді окатишів и т.п.). Аналіз значень Ккз і скарг споживачів показує, що скарги практично відсутні при Ккз < 2 %.
Допустимий термін перерви живлення залежить від категорії та характеристик споживача електроенергії і повинен визначатися на підставі техніко-економічних співставлень витрат на забезпечення підвищення надійності та ущербу від порушення електропостачання.

5. Компенсація реактивної потужності (КРП) в електричній мережі з нелінійними навантаженнями

Компенсація реактивної потужності (КРП) в електричній мережі з нелінійними навантаженнями

У вузлі мережі підприємства з нелінійними навантаженнями допускається застосовувати як джерело реактивної потужності БК, якщо виконуються такі умови:
- для вентильних перетворювачів Sk/Sн.н. ≥ 200;
- для інших нелінійних навантажень Sk/Sн.н. ≥ 100, де Sk – потужність короткого замикання; Sн.н. – сумарна потужність нелінійного навантаження.
Для оцінки впливу нелінійних навантажень на мережу підприємства необхідно визначити коефіцієнт несинусоїдності, %

де N – порядковий номер останньої з гармонік, що враховується; Un – дійсне значення напруги n – ї гармоніки; Uном – номінальна напруга мережі.
Для обчислення Кнс необхідно обчислювати рівень напруги окремих гармонік, що генерується нелінійним навантаженням.
Фазна напруга гармоніки у розрахунковій точці живлячої мережі
Un=In*n*Uн.н/Sk ,
де In – фактичне значення сили струму n – ї гармоніки;
Uн.н – напруга нелінійного навантаження (якщо розрахункова точка збігається з точкою приєднання нелінійного навантаження, то Uн.н = Uном).
Для розрахунку Un необхідно заздалегідь визначити силу струму відповідної гармоніки, яка залежить не тільки від електричних параметрів, але й від нелінійного навантаження.
1. Визначення струму гармонік, що генеруються дуговими сталеплавильними печами
Для дугової сталеплавильної печі (ДСП) при визначенні сили струму гармонік у режимі розплавлення достатньо враховувати тільки другу - сьому гармоніки. Сила струму гармонік (окрім сили струму другої гармоніки, яка приймається такою, що дорівнює силі струму третьої гармоніки) залежить від кількості та потужності ДСП, і для практичних розрахунків рекомендується приймати: для однієї ДСП In = Inт/n2,де Inт  - номінальна сила струму пічного трансформатора; для групи однакових ДСП  де К – число печей, одночасно працюючих у режимі розплавлення; для групи печей різної потужності

де In. МАКС – струм гармоніки пічного трансформатора максимальної потужності; SnTi  - потужність I – го пічного трансформатора; SnTМАКС  - максимальна потужність пічного трансформатора у групі ДСП.
2. Визначення струму гармонік, що генеруються установками дугового електрозварювання постійного струму.Рекомендується враховувати тільки 5, 7 та 11 – ту гармоніки. Сила струму гармонік одиничної установки дугового електрозварювання постійного струму

3. Визначення струмів гармонік, що генеруються установками дугового та контактного електрозварювання змінного струму. Рекомендується враховувати тільки 3, та 5 – ту гармоніки. Для установки дугового або контактного електрозварювання сила струму гармонік: для одиночної установки (1) чи для групи установок дугового електрозварювання при незалежному режимі роботи (2)
 (1)                 (2),
де SТ – номінальна потужність трансформатора; bСВ – коефіцієнт завантаження; ТВ – тривалість ввімкнення; для групи;       де InГР – сила струму n-ї гармоніки i – ї установки; К – загальне число установок, що працюють.