Тема 17. Діагностика, захист і моніторинг електромеханічних систем

1. Загальні положення

1. Загальні положення

При роботі будь-якої електромеханічної системи виникають аварійнї ситуації, зумовлені дією різних внутрішніх та зовнішніх чинників. Цілком зрозумілої, що для забезпечення тривалої працезлатності електромеханічної системи, а також для попередження тяжких наслідків від розвитку аварійної ситуації система автоматичного керування має виконувати функцію діагностики стану облад­нання і в разі появи нештатної або аварійної ситуації виконувати низку дій, зокрема вимикання електрообладнання від мережі жив­лення.

Технічно грамотно виконана система діагностики стану облад­нання та апаратура захисту дають змогу збільшити час між планово-запобіжними ремонтами обладнання та уникнути істотних витрат на усунення наслідків аварії.

У практиці широке застосування мають схеми релейно-контак­торного керування електроприводами, де застосовується типова апаратура діагностики та захисту.

Нині на електротехнічному ринку пропонується нова і більш досконала, надійна апаратура, що розширює функціональні можли­вості для діагностики та захисту електрообладнання.

Особливу увагу слід звернути на організацію захисту замкнених систем автоматичного керування з електроприводами. По-перше, це пояснюється складністю електромеханічної системи та різно­манітністю її компонентів, По-друге, широке застосування в елект­роприводах силових перетворювачів на базі повністю керованих ти­ристорів GТО і транзисторів IGBT потребує застосування нових принципів та засобів захисту таких напівпровідників. По-третє, ці сучасні системи використовують мікропроцесорні засоби дія керування і діагностики обладнання. Потужна мікропроцесорна техніка в поєднанні з принципово новими пристроями для вимірювання лають змогу проводити постійний контроль за станом як силового обладнання, так і пристроїв керування із постачанням необхідної інформації обслуговуючому персоналу.

Такий новий підхід до діагностики стану обладнання дістав назву моніторингу системи. Постійний моніторинг системи дає мож­ливість передбачити виникнення нештатних ситуацій і запобігти розвитку тяжких аварійних ситуацій, а також проводити аналіз ста­тистичних даних, одержаних після аварій і несанкціонованих від­микань електрообладнання від джерела живлення.

2. Основні функції та апаратура захисту ЕМС із розімкненим керуванням

2. Основні функції та апаратура захисту ЕМС із розімкненим керуванням

Відомо, що під час роботи електропривода можуть виникати аварійні ситуації, причини яких мають механічну або електричну природу.

Аварійні ситуації механічною походження виникають у разі:

•           блокування ротора електричної машини:

*           механічного перевантаження (короткочасного або тривалого).

Ці ситуації спричинюють зростання струму двигуна і, як на­слідок, небезпечне нагрівання обмоток. Якщо таке перевантаження не ліквідувати, це може призвести врешті-решт до виходу із ладу двигуна, розплаву ізоляції силових провідників, небезпеки загоряння і пожежі.

Аварійні ситуації електричною походження Виникають у ра:зі наявності:

» перенапруги, низької напруги, нерівномірного навантаження фаз, обриву фази, що спричинюють зростання струму живлен­ня і струму обмоток двигуна;

*           Струмів короткого замикання, що можуть перевищити комутувальну  здатність контактів комутувальної апаратури (контак­торів).

Отже, апаратура захисту від перевантажень та коротких зами­кань має захистити мережу живлення (кабель або провідники), пристрій комутації двигуна (наприклад, контактор) і сам двигун, за­бороняючи його роботу протягом тривалого часу зі струмом, що пе­ревищує номінальне значення. У той же час ця апаратура має забезпечити нормальний пуск двигуна, враховуючи наявність пуско­вих струмів під час подачі напруги живлення. Крім того, апаратура захисту мас бути спроможною захистити себе {залишатися в пра­цездатному стані після усунення аварійної ситуації), У протилежно­му випадку її слід поєднати з іншим захисним пристроєм.

В електроприводах із релейно- контакторним керуванням для виконання функцій захисту застосовується така апаратура та пристрої:

*          для захисту від незначних тривалих перевантажень — теплове реле, зонди-термістори (РТС) (останні встановлюються всере­дині електричної машини для контролю температури нагрівання);

* для захисту від значних перевантажень — електромагнітні реле;

*          для захисту від коротких замикань — запобіжники;

*          длн захисту від обриву фази — диференціальне теплове реле, секціонер із відповідним механізмом і запобіжниками;

* для захисту від зникнення напруги живлення — контактор з автоживленням або реле мінімальної напруги;

* для захисту від затяжного пуску або частих пусків — пристрій із термісторами РТС, теплове реле і спеціальна схема його підмикання, шо не дає. змоги передчасному спрацьовуванню реле.

Крім цих пристроїв, нині широко використовують апаратуру багатофункціонального призначення. До неї слід віднести насамперед автоматичні вимикачі, що виконують три основні функції:

•            секціонуванця двигуна, тобто його електричне вимикання від мережі, що дає можливість безпечного доступу і роботи з дви­гуном під час профілактики;

•            подачу живлення;

·                функціональне керування двигуном (операції «пуск—стоп»).

Пристрій реалізує функцію електричного захисту від переванта­жень та коротких замикань: вимикання струмів перенавантаження у функції часу, а також ліквідування в найкоротший час струмів ко­роткого замикання. Крім того, пристрій може забезпечити захисне вимикання, що є обов'язковим у разі виникнення небезпеки для обслуговуючою персоналу (аварійна зупинка або відсутність напруги).

Останнім часом з'явилися автоматичні вимикачі спеціального виконання, які інтегрують у собі всі необхідні функції для керуван­ня і захисту двигунів;

•           секціонування;

•            керування;

•           захист від коротких замикань із великими струмами;

•            захист від перевантажень, нерівномірних завантажень фаз;

•           захист віл коротких замикань із малими струмами;

•            сигналізація і діалог із засобами автоматизації (промисловими контролерами або комп'ютерами).

Ці вимикачі поєднують у собі найкращі характеристики спеціа­лізованих апаратів:

•            повну видимість електричного розмикання кола;

•            високу розривну здатність із властивістю обмеження струму короткого замикання;

•             надійність і високу механічну стійкість контактора;

•            вдосконаленість і точність спрацьовування сучасного теплово­го реле захисту.

Прикладами таких автоматичних вимикачів для прямого пуску асинхронних короткозамкнених двигунів слугують пристрої типу РКZ2 виробництва Moeller для двигунів із потужністю до 20 кВт при напрузі живлення 380 В і пристрої серії Integral 18,32,63 (Schneider Electric) для двигунів із потужністю до 33 кВт при напрузі живлення також 380 В,

До класу багатофункціональних пристроїв захисту слід віднести і спеціальні мікропроцесорні реле захисту. Такі реле забезпечують захист від перевантаження двигуна, і асиметрії або випадання фаз. Крім того, при використанні термісторів РТС забезпечується захист двигуна від перегрівання, а при застосуванні спеціального транс­форматора, що дає змогу контролювати суму миттєвих фазних стру­мів, — захист віл короткого замикання на землю. Прикладом розглянутого реле  є реле ZEV виробництва Moeller на струми 1…800 А.

Схему відімкнення мікропроцесорного реле типу ZEV до схеми керування асинхронним двигуном наведено на рис, 6.15.

Перевагою цього реле є те, що воно дає можливість захистити двигуни з різними умовами пуску шляхом вибору відповідної кри­вої спрацьовування теплового захисту (пропонується вісім стан­дартних класів кривих спрацьовування: клас 5, 10, 15…, 40).

Використовуючи дисплей реле, можна за допомогою меню на­лагодити відповідні параметри. На дисплеї з'являються відобра­ження несправності та причини, що її викликали.

Рис. 6.15

Крім того, за допомогою двох додаткових контактів можна ви­вести на зовнішнє коло інформацію про перевантаження, замикан­ня на землю, термісторне вимикання, внутрішню несправність приладу.

Іншим прикладом електричного захисту може слугувати багатофункціональне мікропроцесорне реле типу LT6-Р (виробництва Schneider Electric) для захисту та керування асинхронним двигуном. Це реле розраховано на напругу 380 - 400 В і струми до 800А (за ви­користання додаткових трансформаторів струму).

Реле LT6-Р забезпечує такі додаткові функції захисту, як захист від низької напруги живлення, від роботи двигуна к недонавантаженням, контроль за часом пуску. Реле надає можливість проведен­ня моніторингу напруги живлення, струму фаз статора, cosf. За його допомогою можна реалізувати керування прямим пуском дви­гуна, реверсом двигуна, пуском за схемою зірка—трикутник.

За допомогою спеціального програмного забезпечення, використовуючи послідовний порт, можна підімкнути реле до мережі та організувати обмін інформацією з комп'ютером (програмування ре­ле та постійний моніторинг двигуна: контроль за миттєвими зна­ченнями напруги, струму, частоти, тепловим станом двигуна; надання статистики про причини та характер спрацьовування захисту тощо),

3. Узгодження функцій апаратури керування та захисту

3. Узгодження функцій апаратури керування та захисту

При реалізації схеми розімкненого керування привідним елект­родвигуном слід виконати електричне ізолювання або секціонування двигуна від мережі (для захисту обслуговуючого персоналу}, за­хистити силове коло (двигун і кабель живлення) під перевантажень та короткого замикання й реалізувати керування двигуном (пуск, стоп. реверсування і т. д.).

Функціональні можливості апаратури керування і захисту наве­дено в табл. 6.2.

Наявні національні й міжнародні норми потребують певної ко­ординації в роботі апаратури в разі виникнення режиму короткого замикання. Так, норми країн Європейського Союзу включають три типи координації в роботі комутувальної та захисної апаратури.

Координація типу 1. При коротких замиканнях контактор або автоматичний вимикач не повинен створювати небезпеки для персо­налу чи обладнання.

Якщо ж ця апаратура спрацювала, то для її відновлення не­обхідно відремонтувати чи замінити окремі вузли.

Після виникнення короткого замикання електричний двигун ізолюється від мережі.

Координація типу 2. Ця координація при виникненні коротких замикань також вимагає, щоб контактор або автоматичний вимикач не створював небезпеки для персоналу чи обладнання.

Апаратура має залишатися в працездатному стані. Якщо відбулося зварювання контактів контактора, то для приведення контактора у робочий стан необхідно виконати дії, наведені у відповідній інструкції.

Після виникнення короткого замикання двигун відмикається від мережі.

Зазначимо, що використання такої апаратури, як запобіжники, секціонер, контактор, теплове реле, дає змогу отримати коорди­націю типу 2.

Асоціація таких апаратів, як автоматичний вимикач з електро­магнітним і тепловим розчіплювачем, контактор або автоматичний вимикач з електромагнітним розчіплювачем (контактор—теплове реле забезпечує координацію типу 1 або 2 залежно від величини струму короткого замикання).

Координація типу 3. Цю координацію забезпечує автоматичний вимикач багатофункціональної дії, котрий поєднує в собі функцію автоматичного вимикача, теплового реле і контактора. Цей при­стрій забезпечує миттєву готовність по роботи після усунення при­чини виникнення короткого замикання.

Як приклад, на рис. 6.16 наведено схему прямого пуску асин­тронного двигуна АД з використанням автоматичного вимикача серії Integral 32 типу LD4. Цей вимикач забезпечує як ручне (за допомогою поворотної ручки, так і автоматичне (за допомогою 

подачі напруги живлення на котушку контактора КМ1 керування. Автоматичне керування можливе лише тоді, коли контакт А1 замк­нений. Апарат захищає двигун від струмів короткого замикання (комутаційна здатність становить 50 кА при напрузі 380 В, а також від незначних тривалих перевантажень, обриву і нерівномірного завантаження фаз двигуна.

4. Проблема захисту тиристорних електроприводів постійного струму

4. Проблема захисту тиристорних електроприводів постійного струму

Основна проблема захисту тиристорного електропривода по­стійного струму полягає в захисті тиристорного перетворювача. Це поясняється тим, що тиристори дуже чутливі до перенапруги та аварійних струмів.

Розглянемо причини та чинники, то зумовлюють існування пе­ренапруг та аварійних струмів

Джерела перенапруг і способи захнсту від них, Внутрішньою при­чиною існування так званих комутаційних перенапруг є висока швидкість спаду струму при запиранні вентиля: проблема розсмок­тування нагромаджених у р—n-переходах носіїв зарядів. Загально­прийнятим способом захисту під таких перенапруг є застосування R—с- ланок, підімкнених паралельно до тиристора.

Є ще зовнішні джерела перенапруг. Це насамперед перенапру­ги, які виникають у мережі живлення внаслідок спрацьовування ко­мутаційної апаратури, перенапруги від вмикання чи вимикання ненавантаженого трансформатора, і, нарешті, перенапруги, джерелом яких є грозові розряди. Ці перенапруги мають різну потужність імпульсу (тривалість та амплітуду) і для захисту від них використо­вують поєднання кількох засобів.

Так, для захисту від перенапруг, що породжуються комутацією трансформатора, ефективним є застосування R—С-ланок із елект­ролітичними конденсаторами, ввімкненими на виході мостового діодного випрямляча малої потужності. Для захисту від комутаційних та атмосферних перенапруг найчастіше використовують обмежувачі перенапруг на основі варисторів.

Крім того перенапруги виникають на стороні випрямленого струму під час розриву кола навантажений (якоря або обмотки збу­дження двигуна). Для захисту від перенапруг якірного кола вико­ристовують нагромаджувальні електролітичні конденсатори, або об­межувачі перенапруг па основі варисторів чи дугових розрядників.

До вибору засобів захисту від перенапруг слід підходити дуже відповідально, оскільки тиристори чутливі до дії перенапруг. Враховуючи це, для підвищення надійності роботи вибирають клас тиристорів за напругою і великим коефіцієнтом запасу - порядку 1,3…1,5.

4.1. Захист від аварійних струмів

4.1. Захист від аварійних струмів.

Причини, що породжують наявність аварійних  струмів, різноманітні: зовнішні та внутрішні ко­роткі замикання, перекидання інвертора, поява значних зрівноважувальних струмів у реверсивних перетворювачах із сумісним керу­ванням, несанкціоноване відпирання тиристора в непрацюючій групі реверсивного перетворювача з роздільним керуванням.

Враховуючи різноманітний характер названих вище причин, ви­користовують різні способи захисту. Основна вимога, що висувається до системи захисту, — забезпечити високу швидкодію, оскільки тиристор дуже чутливий до величини та тривалості протікання аварійних струмів,

Системи захисту будуються з врахуванням характеру аварійного струму, потужності та призначення перетворювача. Найчастіше по­єднують використання електричних та електронних засобів захисту.

До електричних засобів закисну належать плавкі запобіжники та автоматичні вимикачі. Плавкі запобіжники вибирають, виходячи з діючого значення першої півхвилі струму короткого замикання та допустимого для тиристора значення i²t.

Тому для захисту використовують швидкодіючі запобіжники, спеціаально розроблені для захисту напівпровідникових вентилів.

Зауважимо, що сучасні автоматичні вимикачі мають досить високу швидкодію (час повного вимикання становить порядку 10…20 мс).

Електронна система захисту діє на момент формування керую­чих імпульсів, зсуваючи його в зону, близьку до інверторного режи­му, або взагалі блокує появу імпульсів керування.

Для зменшення наслідків дії аварійного струму і переривання аварійного процесу використовують індивідуальні запобіжники в колі кожного тиристора, швидкодіючі автоматичні вимикачі на стороні постійного й змінного струмів та електронну систему захисту.

Структура системи захисту, як правило, ускладнюється зі зрос­танням потужності тиристорного електропривода.

Прикдад структури організації захисту від аварійних струмів ти­ристорного електропривода типу КТЕУ з двигуном М на робочий струм до 200 А наведено на рис. 6,17,

Тиристорний перетворювач містить два зустрічно-увімкнені тиристорні мости. Тиристори захищені швидкодіючими запобіжниками FU. Перетворювач отримує живлення через автоматичний вимикач QF1. За допомогою трьох трансформаторів струму формується сиг­нал зворотного зв'язку за струмом, який вводиться в коло системи імпульсного фазового керування (СІФК). Цей сигнал входить до складу електронної системи захисту від аварійного струму.

На стороні випрямленого струму захист виконується за допомогою автоматичного вимикача QF2. Контактор КМ слугує для частої комутації двигуна (за необхідності), LF є реактором обмеження струму.

Перетворювач містить також електронні вузли для контролю та індикації стану запобіжників, контролю струму навантаження та напруги живлення ТОЩО.

5. Захист, діагностика та моніторинг частотно-керованих електроприводів змінного струму

Сучасні частотно-керовані електроприводи змінного струму є дуже складною електромеханічною системою₁ що містить велику різно­манітність електричних та електронних елементів і вузлів. Незважа­ючи на це, ЕМС характеризуються високою надійністю в роботі, про що свідчить світовий досвід успішної експлуатації таких систем.

Одним із основних чинників, що забезпечує високу надійність, є розвинена система захисту, діагностики та моніторингу системи. Побудувати таку систему вдалося завдяки застосуванню датчиків нової генерації для вимірювання фізичних величин і використання мікропроцесорної техніки регулювання, вимірювання та діагностики.

Розглянемо типові рішеннія і принцип реалізації захисту, діагностики та моніторингу таких електроприводів,

5.1. Захист двигуна

5.1. Захист двигуна.

Основні чинники, від яких слід захищати дви­гун, — не механічне перевантаження двигуна, перегрівання двигу­на від перекосу або обриву фаз, замикання обмоток двигуна і кабе­лю живлення на землю.

Зауважимо, що при живленні двигуна від перетворювача часто­ти на статорних обмотках двигуна виникають значні перенапруги, зумовлені так званим явищем довгого кабелю. Ця проблема не на­лежить до проблеми захисту, оскільки є і використовується низка рішень, що обмежують вказані перенапруги на допустимому рівні (обмеження довжини кабелю, використання дроселів і фільтрів на виході перетворювача частоти тощо).

Щоб захистити двигун від перегріву, перевантаження та пошкодження ізоляції, використовують багатоступеневий різно­манітний захист. Так, нагрівання двигуна контролюється за допо­могою теплової математичної моделі двигуна, що міститься в мікропроцесорній системі керування перетворювача частоти. Крім того, передбачена можливість теплового захисту і використанням термісторів РТС, розмішених в обмотках двигуна. Термістори підмикаються до відповідних вводів перетворювача частоти. Мікро­процесорна система аналізує величину опору термісторів і блокує

 

живлення двигуна, коли опір термісторів перевищує значення що відповідає певному порогу температури нагрівання обмоток машини.

Для уникнення перевантаження двигуна (запобігання так звано­му явищу перекидання асинхронного двигуна) контролюється та обмежується струм статора і величина ковзання.

Контроль за пошкодженням ізоляції на землю жил кабелю живлення чи обмоток двигуна реалізується найчастіше за допомогою підсумовувадьного (диференціального) трансформатора (рис. 6.18).

Трансформатор може бути ввімкнений як на виході перетворю­вача (рис. 6, 18а), так і в проміжному колі постійного струму (рис. 6.18б). Він контролює та вимірює суму миттєвих значень струмів. У разі пошкодження ізоляції на землю і, відповідно, появи струму витоку на землю ця сума не дорівнює нулю і на вихідній вимірювальній обмотці трансформатора з’являється сигнал, що обробляється мікропроцесорною системою. Ця система блокує перет­ворювач і видає інформацію на дисплей.

5.2. Захист силового кола перетворювача частоти

5.2. Захист силового кола перетворювача частоти.

У перетворювачі частоти з проміжною ланкою постійного струму слід захищати си­лове коло як автономного інвертора, так і вхідного випрямляча.

Трифазний інвертор містить, як правило, силові модулі на базі транзисторів IGBT. Захистити транзистори від аварійних струмів звичайними апаратними засобами (запобіжниками, автоматичними вимикачами) неможливо, Транзистори дуже чутливі до переванта­ження, мають малу теплову інерцію і тому потребують надшвидкодіючих засобів захисту від аварійних струмів. Тому виробники для їх захисту пропонують різноманітні рішення з використанням електронних швидкодіючих засобів захисту. Цей захист контролює температуру нагрівання охолоджувальних радіаторів або безпосе­редню температуру кристала за допомогою напівпровідникового датчика температури. Використовуючи надшвидкодіючі датчики струмів, дія яких грунтується на ефекті Холла, або інші принципи ви­мірювання, контролюють струми транзисторів. При перевищенні допустимої температури транзистора або струму навантаження мікро­процесорна система захисту блокує роботу автономного інвертора. Для інверторів малої потужності використовують так звані інтелектуальні силові модулі ІРМ, що в одному корпусі об'єднують силове коло, драйвери керування і систему захисту транзисторів.

Для забезпечення нормальної роботи перетворювача здійсню­ється постійний контроль за напругою проміжного кола постійного струму. Якщо ця напруга перевищує допустимий рівень (причиною чого може бути перезарядження буферного конденсатора в ре­жимі гальмування двигуна), то спрацьовує захист від перенапруги, блокуючи інвертор. Контролюється також мінімальна напруга (за­хист віл мінімальної напруги).

Якщо автономний інвертор має надійну розвинену систему за­хисту, то для захисту вхідного випрямляча від вхідних перенапруг, аварійних струмів, що виникають у разі внутрішніх та зовнішніх пошкоджень, можна застосовувати лише традиційні методи і засоби.

Для захисту вентилів від перенапруг внутрішнього та зовніш­нього походження використовують R-С-ланки, обмежувачі перенапруг на основі варисторів тощо.

Для захисту від надструмів при виникненні коротких замикань застосовують швидкодіючі запобіжники та (або) автоматичні вими­качі. Вибір типу та калібру (габариту) захисного апарата є дуже відповідальним завданням. Тому виробники перетворювачів частоти або пропонують комплектні поставки разом із засобом захисту, або дають рекомендації щодо вибору захисного апарата.

5.3. Захист кіл керування перетворювачів частоти

5.3. Захист кіл керування перетворювачів частоти.

Електронна мікропроцесорна система керування і регулювання дуже чутлива до зовнішніх збурень типу перенапруг або електромагнітних завад.

У той же час система керування має численні зв'язки із зовнішніми пристроями через аналогові та дискретні входи і виходи. Крім того, для задавальних і дискретних сигналів керування використовуються внутрішні джерела живлення (± 10 В, і ± 24 В), Тому дія підвищен­ня надійності роботи і захисту електроніки внутрішні джерела жив­лення захищені дід перевантаження та короткого замикання, а всі входи та виходи перетворювача мають комірки для гальванічного розмежування потенціалів зовнішніх кіл і кіл мікропроцесора,

Використання мікропроцесорних засобів дає змогу реалізувати розвинену систему тестування та діагностики працездатності вузлів електроніки.

5.4. Організація діагностики та моніторингу стану перетворювача частоти

5.4. Організація діагностики та моніторингу стану перетворювача час­тоти.

Найчастіше вся інформація щодо діагностики та моніторингу видається на дисплей панелі керування

Як правило, на дисплей виводиться:

*         інформація про стан електропривода (робота, блокування, розгін (гальмування) тошо), бїжучІ значення деяких фізичних величин (частота. струм, напруга, потужність, момент двигуна та інші параметри);

*         попереджувальна інформація про виникнення нештатної ситу­ації (наприклад, про перевищення температури нагрівання пе­ретворювача чи двигуна); це дає змогу персоналу реагувати на подію ще до того, як спрацює захист;

*         інформація про спрацьовування захисту (видається сигнал про блокування перетворювача чистоти, найчастіше в кодовому вигляді, про причину блокування перетворювача частоти (пе­ренапруга, коротке замикання тощо).

Для пошуку несправностей, що спричинили спрацювання за­хисного вимикання (блокування) перетворювача частоти, та для статистики створюється і зберігається в постійній пам'яті мікропро­цесора журнал аварійних подій. Його можна ввести на дисплей і проаналізувати полію, Таку ідеологію має, наприклад, перетворю­вач частоти типу Altivar 68 (фірми Schneider-Electric). У його журналі зберігаються останні 16 подій. З журналу можна встановити причи­ну несправності і визначити числові значення параметрів основних величин, що мали місис за 10 мс перед спрацьовуванням захисту,

При кожному вмиканні перетворювач автоматично виконує різ­ні тести апаратної та програмної частин. Крім того, під час роботи проводяться інші тести.

Практично всі сучасні перетворювачі частоти можуть бути інтег­ровані в автоматизовані системи керування технологічними проце­сами через спеціальний порт та інформаційну мережу, У такому ви­падку діагностична інформація про стан електропривода може надходити на монітор центральної операторської станції і вже там аналізується.

6. Проблема електромагнітної сумісності електромеханічних систем

6.1. Поняття про електромагнітні перешкоди та електромагнітну сумісність

Електромагнітна сумісність — можливість використання прист­рою або системи в електромагнітному середовищі без створення не­допустимого для оточення або будь-якого конкретного іншого пристрою електромагнітних перешкод

У разі виникнення проблеми електромагнітної несумісності різко зростають витрати на її подолання,

Кожен пристрій чи система, з одного боку, повинен мати такий рівень імунітету (нормалізований рівень електромагнітних переш­код, щоб чіп міг нормально функціонувати. З іншого — рівень електромагнітних перешкод, що створюються самим пристроєм, має бути досить низьким, аби не порушити роботу інших пристроїв, які перебувають у його електромагнітному середовищі.

Кожне електромагнітне явище, котре може погіршити якість ро­боти пристрою, називається електромагнітною перешкодою. Згідно з визначенням, електромагнітна перешкода породжується елект­ричним полем, яке виникає через різницю потенціалів, та магнітним полем, що існує завдяки проходженню електричного струму.

Електромагнітна перешкода є по суті нічим іншим, як небажа­ним електричним сигналом, що накладається на корисний. Це її пара­зитний сигнал може розповсюджуватися провідниками або за допомогою випромінювання.

Сучасна електромеханічна система являє собою потужне джерело електромагнітних перешкод, що можуть порушити роботу як сусід­ніх пристроїв, так і пристроїв, шо входять ло складу самої системи.

До найпотужніших джерел перешкод належать:

­­-  електричні машини, особливо двигуни постійного струму;

      - напівпровідникові перетворювачі, у яких комутуються з висо­кою швидкістю струми напівпровідниковими вентилями - ключами;

-  силові провідники аби кабелі;

        - комутувальна апаратура (контактори, автоматичні вимикачі, реле тощо).

Перешкоди, які виникають у результаті роботи названих джерел, мають широкий спектр частот (віл десятка кГц до гГц). Низько­частотні паразитні сигнали (частотою до 1.-.5 мГц) розповсюджу­ються провідниками. Їхня енергія досить велика і може зумовити вихід з ладу обладнання.

Якщо чутливий до перешкод пристрій (наприклад, будь-який електронний пристрій) дістає живлення від мережі, спільної для інших споживачів, то породжувані потужним обладнанням переш­коди передаються до такого пристрою через кабель (провідники) живлення.

Є також інший тип зв'язку — через провідність кіл мас та зазем­лення. Так, спільна нульова шина електронних плат підмикаєпся до маси установки, а потім заземлювальним провідником із повним опором Z — до контуру заземлення.

Отже, існує різниця потенціалів між нульовою шиною та заземленням. Вона мас місце і між різними точками заземлення та спри­чинює появу паразитних струмів у різних колах.

Високочастотні сигнали перешкод розповсюджуються випромінюванням: їхня енергія невисока, тому вони можуть лише спричи­нити порушення в роботі обладнання.

Розповсюдження електромагнітних перешкод зображено на рис. 6.19. На схемі позначено: ПЧ ­­­- перетворювач частоти; М — електричний двигун; Z — еквівалентні опори шляхів розповсюд­ження перешкод, що зображені кривими та хвилястою лініями.

 

Отже, електромагнітні перешкоди, що розповсюджуються елек­тричними провідниками можуть передаватися:

- внутрішніми провідниками живлення або електропостачальною мережею;

- кабелями керування;

- інформаційною мережею;

- кабелями, провідниками заземлення (РЕ, PEN)

- контуром заземлення;

- паразитними ємностями.

За наявності двопровідного зв¹язку можуть існувати перешкоди двох типів: диференціальні і синхронні. У першому випадку струм протікає в протилежних напрямах провідниками (рис. 6.20, а), у другому — він має один напрям в усіх провідниках (рнс. 6.20, б).

Слід зауважити, що при синхронній перешкоді заземлення при­строю (наприклад, металевий корпус) діє як опорний потенціал для корисних сигналів і як базовий потенціал для струмів перешкоди. Цей струм, протікаючи кабелем, потрапляє в ізольований прилад і знову виходить через інші кабелі Коли заземлення виконане не­якісно, кабель, через який протікає струм перешкоди, впливає на інші кабелі.

Перешкоди, зумовлені наявністю спільного зв'язку (корпус, спільна нульова шина, заземлення), є основною проблемою елект­ромагнітної сумісності, оскільки дуже важко ідентифікувати шлях, за яким вони розповсюджуються.

 

Для високочастотних перешкод, що розповсюджуються випромінюванням, є два принципові способи зв'язку: індуктивний і ємнісний.

Силові струми, протікаючи кабелем, створюють навколо нього електромагнітне поле. Якщо в цьому полі перебуває, скажімо, ка­бель керування, що формує петлю певної площі, то завдяки навіть невеликому індуктивному зв'язку в цьому кабелі наводиться змінна електрорушійна сила.

Ємнісний зв'язок між електричним (кабель, електричний еле­мент) та іншим колом, розмішеним поряд,, існує завжди. Змінна різниця потенціалів між цими колами породжує ємнісний струм, що протікає: через ізолюючий простір від одного кола до іншого. Чим вища частота напруги між обкладинками паразитного конденсатора, тим більший струм.

Якщо на частоті 50 Гц ємнісний зв'язок відсутній, то на високих частотах він суттєвий і є одним із чинників порушень нормальної роботи установки.

6.1. Заходи та засоби для забезпечення електромагнітної сумісності електромеханічних систем

6.2. Заходи та засоби для забезпечення електромагнітної сумісності електромеханічних систем

Як було сказано, причини виникнення перешкод і способи їх передачі різноманітні. Чому вирішення проблеми електромагнітної сумісності є дуже складним завданням. Для нього потрібно вжити спеціальні заходи щодо конструктивного виконання системи, монтажу та прокладання кабелів, виконання системи заземлення та застосування додаткових пристроїв. Щоб забезпечити норми електромагнітної сумісності, слід зменшити ефект зовнішніх пе­решкод, які можуть потрапити в систему, а також запобігти виник­ненню або послабити рівень перешкод, що породжуються самою системою.

Ідеологія прийняття рішень ґрунтується па природі виникнення і способах розповсюдження перешкод,

Розглянемо на прикладі частотно-керованого електропривода деякі основні заходи і засоби, що приймаються для забезпечення вимог електромагнітної сумісності.

Для захисту перетворювача частоти від проникнення зовнішніх перешкод (атмосферні й комутаційні перенапруги, радіоперешко­ди), що розповсюджуються кабелем живлення, на вході перетворю­вача частоти використовують обмежувачі перенапруг і радіофільтри. Останні виконуються симетричними, з тим, щоб запобігти проник­ненню перешкод у мережу від перетворювача. Задача фільтрів по­лягає у створенні бар'єра для розповсюдження перешкоди (за допо­могою послідовного вмикання індуктивності) та (або) обхідного шля­ху для неї (за допомогою паралельного вмикання конденсаторів).

Для високих частот функцію фільтра часто виконує кільцевий ферит (рис. 6.21 ), який має дві властивості: створює індуктивний бар'єр для перешкод, що розповсюджуються за схемою спільного зв'язку, та акумулює у вигляді теплових втрат від наведених у ньо­му струмів Фуко.

Перетворювач частоти ПЧ є потужним джерелом низькочастот­них гармонік струму (5, 7, 11 і т. д. гармонік). Ефективним засо­бом їх придушення є використання вхідного дроселя. Так, якщо рівень 5-ї гармоніки становить порядку 55 % без дроселя, то за наявності дроселя рівень перешкод зменшується приблизно до 30 %.

 

Суттєво зменшується і діюче значення вхідного струму. Наприклад, для перетворювача частоти виробництва Schnaider-Electric із вихідною потужністю 4кВт діюче значення струму становить 15 А без дроселя і 9,5А з дроселем.

Вхідний дросель виконує й додаткові функції: обмежує величи­ну струму коротких замикань та рівень перенапруг.

Для зменшення дії високочастотних перешкод, що випроміню­ються перетворювачем та силовим кабелем, використовується екра­нування кабеля, розміщення перетворювача в металевій заземленій шафі тощо.

Для зменшення перешкод у кабелях керування їх також викону­ють екранованими. Кабелі керування та силові кабелі мають розмішуватися в різних каналах на відстані не менше за 30…40 см.

Важливою й водночас важкою для вирішення є проблема еквіпотенціальності мас пристроїв, що входять у систему. Використання класичного заземлення за допомогою заземлювального провідника (жовто-зелений провідник) не є ефективним на високих частотах через його великий опір. Заземлювальний провідник ви­конуватиме тут лише функцію захисту персоналу від потрапляння під напругу на металевих корпусах пристроїв що може з'явитися внаслідок пошкодження електричної ізоляції.

Отже, заземлення виконує обмежену функцію відносно явищ, які стосуються проблеми електромагнітної сумісності і навпаки, маса, що перебуває безпосередньо біля електронного пристрою, відіграє роль бази, відносно якої проявляються високочастотні яви­ща. Тому слід так з'єднати маси між собою, щоб досягти еквіпо­тенціальності між ними на високих частотах.

Еквіпотенціальність мас може бути досягнута лише за багато­кратного з'єднання мас і створення багатьох контурів. Для нього потрібно зменшувати площу контурів, збільшуючи число з'єднань між масами: беззастережно уникати радіального з'єднання мас (з'єднання зіркою) з подальшим заземленням в одній точці.

Слід також зазначити, шо проблема електромагнітної сумісності є досить складною для вирішення, оскільки, в принципі, універ­сального розв’язку немає. Але навіть якщо вказана проблема та її вирішення є конкретними для певної системи, то, базуючись на основних принципах боротьби з електромагнітними перешкодами та правилах виконання монтажу і прокладання кабелів, можна одержати нормальну роботу установки й системи в цілому.