WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 


Pages:   || 2 |

«ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ СВАРОЧНЫХ ИНВЕРТОРОВ ...»

-- [ Страница 1 ] --

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.

На правах рукописи

ПИВКИН Антон Викторович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

СВАРОЧНЫХ ИНВЕРТОРОВ

Специальность: 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук В. М. Бардин Саратов 2014 2

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение

Глава 1. Проблемы обеспечения электромагнитной совместимости статических преобразователей с импульсным регулированием 1.0. Введение………………

1.1. Инверторные преобразователи электрической энергии с широтно-импульсным регулированием……………… 1.2. Виды, классификация и причины появления помех в инверторных преобразователях………………………… 1.3. Требования по обеспечению электромагнитной совместимости преобразовательных устройств………. Цель диссертации и постановка задачи….……….......... 1.4.

Глава 2. Источники, причины и характер электрических и электромагнитных помех в сварочном инверторе знакопеременного тока 2.0. Введение……………………………………….………… 2.1. Инверторный сварочный аппарат знакопеременного тока 2.2. Причины, источники и характер помех в инверторном сварочном аппарате знакопеременного тока………….. 2.3. Компьютерная модель сварочного инвертора………… 2.4. Выводы…………………………………………………... Глава 3. Теоретическое и экспериментальное исследование помех в инверторном сварочном аппарате………………………………. 3.0. Введение…………………………………………………. 3.1. Спектральный состав тока ИСА и его зависимость от элементов схемы и режима работы…………………….. 3.2. Кондуктивные помехи и их исследование…………….. 3.3. Излучающая способность сварочного кабеля…………. 3.4. Излучающая способность сварочного трансформатора 3.5. Выводы

Глава 4. Коэффициент полезного действия ИСА и его связь со спектральным составом тока ……………………………………. 4.0. Введение…………………………………………………. 4.1. Зависимость КПД от факторов режима и конструктивных элементов ИСА………………………. 4.2. Оптимизация КПД по критерию ЭМС………………… 4.3. Методические рекомендации по расчетной оценки ЭМС инверторных источников тока…………………… 4.4. Выводы…………………………………………………... Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Библиографический список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Инверторные преобразователи электрической энергии, выполненные на тиристорах, IGBT- и MOSFET- транзисторах, имеют широкую область использования: преобразователи частоты для электропривода, источники питания постоянного тока, установки гарантийного питания, индукционные печи, сварочные аппараты и др. Применение в инверторах принципа широтно-импульсного регулирования позволяет обеспечивать гибкость задания выходных параметров преобразователя и их стабилизацию. Устройства подобного типа имеют высокий КПД, поскольку активные элементы инвертора (в частности, MOSFET- и IGBT- транзисторы) работают в ключевом режиме с минимальными потерями. Однако этот режим работы при коммутации значительных токов и напряжений с частотой в десятки килогерц приводит к формированию широкого спектра гармонических составляющих, которые являются источником электрических (фидерных) и действующими стандартами должен быть ограничен.

В последние два десятилетия в области сварочного приборостроения четко прослеживается тенденция перехода от громоздких трансформаторнодроссельных аппаратов переменного и постоянного тока к малогабаритным и эффективным транзисторным инверторным сварочным аппаратам (ИСА).

Абсолютное большинство представленных в настоящее время на рынке отечественных и зарубежных ИСА предназначены для сварки только на постоянном токе. Однако сегодня на кафедре радиотехники Мордовского государственного университета, проводятся активные работы по созданию нового класса сварочных аппаратов - сварочных инверторов знакопеременного тока частоты ультразвукового диапазона. Результаты разрушающих испытаний нескольких партий образцов, полученных путем сварки на постоянном токе, на переменном токе промышленной частоты и на знакопеременном токе частотой 25 кГц показали, что в последнем случае прочность соединений повышается не менее чем на 8–10 %. Однако появление ИСА переменного тока частоты 25– кГц вызвало и новые проблемы. Одна из них – обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) таких устройств при сохранении высокого КПД. Дело в том, что ток ИСА имеет форму знакопеременных импульсов, а стабилизация и регулирование тока осуществляются путем широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Такая форма тока при изменении рабочей частоты и скважности импульсов приводит к формированию широкого спектра составляющих, что может стать проблемой при обеспечении требований по электромагнитной совместимости аппарата. Ситуация осложняется еще и тем, что переходные процессы, возникающие при возбуждении и обрыве сварочной дуги, существенно расширяют спектральный состав тока, вплоть до мегагерцового диапазона.

Широкий спектральный состав тока ИСА и значительный уровень его составляющих могут быть причиной работы сварочного кабеля в качестве радиопередающей антенны. Актуальным представляется вопрос о влиянии мощного высокочастотного поля трансформатора на схему управления ИСА, т.е. на обеспечение помехоустойчивости. С учетом перечисленных особенностей сварочный аппарат может рассматриваться как часть технической системы, состоящей из питающей сети переменного тока промышленной частоты, самого сварочного аппарата и окружающей среды. Поэтому в работе все научно-технические задачи рассматриваются во взаимодействии всех элементов этой системы.

Сварочные аппараты переменного тока частоты килогерцового диапазона находятся на стадии создания, поэтому пока нет достаточных данных об особенностях их работы и применения на практике. Для их признания и рыночного продвижения необходимо получить максимально полную информацию, позволяющую производителям обеспечивать высокое качество аппаратов, а потребителю – оценить их достоинства.

Цель работы. Целью данной работы является проведение комплексного исследования ИСА как части электротехнической системы, состоящей из питающей сети, сварочного инвертора знакопеременного тока повышенной частоты и окружающей среды, для выявления причин, характера и уровня электрических и электромагнитных помех. Данная информация позволяет предложить технические решения и рекомендации по обеспечению ЭМС на этапе проектирования не только конкретного сварочного инвертора, но и других инверторных преобразователей с ШИМ-регулированием тока/напряжения.

Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи.

1. Изучить причины возникновения электрических помех в аппарате, их уровень и спектральный состав для оценки соответствия этих показателей требованиям стандартов по ЭМС.

2. Определить спектр излучения сварочного кабеля как возможного источника электромагнитных помех, представляющих опасность для внешних технических устройств.

трансформатора сварочного аппарата для оценки возможного влияния этого поля на помехоустойчивость системы автоматики инвертора.

4. Выявить условия обеспечения максимального коэффициента полезного действия аппарата с учетом влияния факторов режима работы и требований стандартов по ЭМС.

Объектом исследования знакопеременного тока повышенной частоты.

Предметом исследования количественные характеристики генерируемых аппаратом электрических и электромагнитных помех и взаимосвязь спектрального состава тока с коэффициентом полезного действия.

Методы и средства исследований. В диссертации использованы методы компьютерного моделирования электрических схем и спектрального анализа тока полупроводниковых преобразователей электрической энергии с применением специализированной программной среды Matlab. Для теоретической оценки поля в ближней зоне при обрыве дуги и для моделирования статических и низкочастотных электромагнитных полей использовались среда ANSYS, а также методики приборного анализа процессов в физических моделях ИСА.

Научные результаты, выносимые на защиту.

отличающаяся тем, что учитывает его схемотехническое построение, особенности работы, паразитные параметры конструкции, распределенные паразитные реактивности элементов схемы и конструкции и полученная с ее помощью информация о спектральном составе возникающих в аппарате электрических (кондуктивных) помех.

излучающей антенны, создающей в окружающей среде электромагнитное поле.

Результаты исследования излучающей способности сварочного кабеля, эксперимента.

3. Предложенная модель сварочного трансформатора, отличающаяся тем, что учитывает его конструктивное исполнение и технические характеристики;

полученная с ее помощью информация о конфигурации поля излучения трансформатора и величине его напряженности. Результаты исследования поля излучения импульсного сварочного трансформатора сварочного инвертора.

4. Результаты исследования влияния факторов режима работы на потери в силовых элементах аппарата, позволяющие оценить зону режимов для обеспечения наибольшего коэффициента полезного действия аппарата при условии обеспечения требований по ЭМС.

Достоверность научных результатов обеспечивается использованием методов спектрального анализа и профессиональных пакетов прикладных программ Matlab, ANSYS а также подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов моделирования и экспериментальных исследований.

Научная новизна состоит в разработанных компьютерных моделях инверторных преобразователей – в данном случае сварочного инвертора, полученных с их помощью ранее неизвестных данных о характере и количественных характеристиках электрических и электромагнитных помех, достоверность которых подтверждена серией физических экспериментов. В частности:

1. Выявлена взаимосвязь спектрального состава, создаваемых аппаратом кондуктивных помех с факторами режима работы (частота, скважность, длительность фронта импульсов управления), а также влияние на спектр тока на спектр тока паразитных параметров элементов и конструктивных особенностей аппарата.

2. Получены ранее неизвестные сведения о характере и количественных показателях уровня электромагнитного излучения сварочного кабеля, позволившие сделать вывод об отсутствии опасности воздействия этого излучения на технические средства расположенные не ближе одного метра от кабеля.

3. Определены количественные характеристики поля излучения силового импульсного трансформатора и степень его возможного влияния на элементы системы управления ИСА.

Полученные при исследовании конкретного сварочного инвертора результаты позволили предложить методику предварительной расчетной оценки уровня помех и его сравнения с требованиями стандартов не только для сварочных инверторов, но и для других преобразовательных устройств на силовых транзисторах с ШИМ-регулированием выходного тока/напряжения.

Данная методика на этапе разработки позволяет сделать вывод о ЭМС преобразовательного устройства Практическая ценность диссертации.

компьютерного моделирования для оценки спектра и уровня кондуктивных помех позволяет еще на стадии проектирования преобразователей оценить уровень таких помех и при необходимости провести конструктивную доработку для успешного прохождения сертификационных испытаний по ЭМС.

Наличие достаточно мощного электромагнитного поля сварочного кабеля в ближней зоне дает основание для совершенствования стандартов по ЭМС с целью обеспечения безопасной работы рядом расположенной аппаратуры.

Полученная оценка поля излучения сварочного трансформатора дает основания разработчикам преобразователей с ШИМ-регулированием напряжения/тока более обоснованно принимать конструктивные решения по взаимному расположению конструктивных модулей преобразователей.

теоретические и практические результаты диссертационной работы в части расчетной оценки уровня кондуктивных помех используются в ЗАО «Конвертор» (г. Саранск) при проектировании источников гарантированного питания на основе силовых транзисторов.

технологическими процессами» (Саранск 2009), на 9-й, 10-й и 11-й Всероссийских конференциях с элементами научной школы для молодежи «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск 2010 – 2012), Региональной научнопрактической конференции «Научный потенциал молодежи – будущему Мордовии», XXXIX Огаревских чтениях, на XV и XVI Научно-практических конференциях молодых ученых аспирантов и студентов Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева, Международной научнопрактической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития» (Одесса, 2012), X Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП-2012, Саратов, 2012), 12-й Международной научной конференции-школе «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение»

(Саранск, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации.

Работа включает в себя введение, четыре главы основного материала, заключение и список использованной литературы. Объем работы составляет 110 страниц, 63 иллюстрации, таблиц. Список использованной литературы содержит 67 наименований.

Содержание диссертации Во введении описано состояние проблемы и обоснована актуальность диссертационной работе, методики исследования, научная новизна, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе даны краткий анализ наиболее распространенных схем транзисторных источников вторичного электропитания, а также перечень причин появления электрических помех в таких преобразователях. Приведена краткая классификация таких помех и требования стандартов по ограничению их величины.

преобразователей. Среди ученых, внесших вклад в развитие данного научного направления, следует отметить С. А. Эраносяна, В. В. Ланцова, М. Л. Волина, Г. С. Векслера, В. С. Недочетова, В. В. Пилинского, В.А. Темникова, В. И.

Мелешина, В. М. Бардина, А. В. Колпакова. Результаты этого анализа рассматривают процессы в импульсных ИВЭП с выходом на постоянном токе или на переменном токе частотой 50 Гц. Исследованию переходных процессов в ИСА знакопеременного тока посвящена только работа Д. А. Борисова. Не электромагнитной совместимости инверторных сварочных аппаратов. В работе Д. А. Борисова имеется упоминание о спектре ИСА знакопеременного тока, но спектр был оценен только качественно.

В заключительной части главы сформулированы цель и основные задачи выполняемой научной работы.

Во второй главе с учетом электрической схемы сварочного инвертора предложена его эквивалентная схема с указанием паразитных параметров, которые могут оказывать влияние на характер и величину электрических помех, генерируемых аппаратом. На основании этой схемы построена компьютерная модель инвертора для исследования возникающих в нем помех с учетом факторов режима.

В третьей главе приведены результаты цикла исследований по влиянию на ширину и энергетику спектрального состава входного и выходного токов факторов режима: частоты, скважности, обрыва дуги, фронта отпирающих импульсов (п. 3.1). В п. 3.2 путем моделирования и физического эксперимента исследованы причины появления и уровень кондуктивных помех. В п. 3. оценена излучающая способность сварочного кабеля, а в п. 3.4 – поле излучения импульсного трансформатора инвертора. На основании полученных результатов сделаны полезные для практики проектирования преобразователей выводы.

В четвертой главе исследуется взаимосвязь КПД и спектрального состава тока ИСА. Определяется, какой режим работы преобразователя позволяет обеспечить максимальный КПД при условии удовлетворения требований стандартов по ЭМС. В п 4.3. предложена методика, позволяющая разработчикам электрических аппаратов еще на стадии проектирования путем компьютерного моделирования оценить уровень и спектр возможных кондуктивных помех. Это позволяет на ранней стадии создания устройств выявить наиболее опасные места возникновения помех и принять соответствующие меры. Предложенная методика дает возможность снизить риск получения отрицательных результатов сертификации аппарата по ЭМС.

В заключении сформулированы основные выводы, вытекающие из проведенных в работе теоретических и экспериментальных исследований.

ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ИМПУЛЬСНЫМ

РЕГУЛИРОВАНИЕМ

В первой главе даны краткий анализ наиболее распространенных схем транзисторных источников вторичного электропитания, а также перечень причин появления электрических помех в таких преобразователях. Приведены краткая классификация таких помех и требования стандартов по ограничению их величины. В заключительной части главы сформулированы цель и основные задачи выполняемой научной работы.

1.1. Инверторные преобразователи электрической энергии с широтноимпульсным регулированием.

Источники вторичного электропитания (ИВЭП) выполняются по двум основным типам структурных схем: традиционной (с низкочастотным силовым трансформатором) и современной (с бестрансформаторным входом (БТВ)) [4, 5]. Традиционная структурная схема ИВЭП (рис. 1.1) состоит из следующих узлов: силового трансформатора Т, работающего на частоте сети (50 или Гц), выпрямителя В, сглаживающего фильтра СФ, стабилизатора Стб с цепью обратной связи ОС и приемника энергии П.

Рисунок 1.1 – Традиционная структурная схема ИВЭП.

Удельные показатели таких ИВЭП составляют единицы – десятки ватт на кубический дециметр или ватт на килограмм. Низкие массогабаритные показатели обусловлены тем, что силовой трансформатор и сглаживающий фильтр работают на низких частотах – 50–400 Гц, КПД этих ИВЭП, как правило, не превышает 30–60 % [6].

Структурные схемы ИВЭП импульсного типа (рис. 1.2) характеризуются наличием силового функционального узла – инвертора, работающего на повышенной частоте (20–100 кГц), и отсутствием входного силового трансформатора (в ИВЭП с БТВ). КПД таких ИВЭП достигает 80–90 % [6].

Рисунок 1.2 – Обобщенная структурная схема инверторного 1 – входной сетевой бестранформаторный выпрямитель с емкостным накопителем;

последовательность однополярных или знакопеременных импульсов повышенной частоты (до 100 кГц);

3 – выходной выпрямитель;

4 – система управления;

Преобразование уровня напряжения и развязка от питающей сети осуществляются трансформатором инвертора. Активные элементы последнего работают в ключевом режиме, что снижает потери и повышает КПД. Переход на повышенные частоты преобразования энергии и использование ключевого режима работы силовых каскадов обеспечивает высокие удельные массогабаритные показатели ИВЭП с БТВ: десятки – сотни ватт на кубический дециметр.

Повышение КПД и уменьшение размеров теплоотводов в ИВЭП достигается тем, что силовые активные элементы работают в ключевом режиме с частотой переключения десятки – сотни килогерц. Однако в результате этого формируются генерируемые ИВЭП помехи, которые характеризуются высоким уровнем 70–120 дБ (в отдельных случаях до 140 дБ) и широким спектром частот (от единиц – десятков килогерц до десятков сотен мегагерц) [7, 8].

Производители инверторных источников питания различного назначения используют разнообразную топологию силовой части ключевых преобразователей – как двухтактную, так и однотактную. Однотактные схемы формируют импульсы одной полярности, двухтактные – двухполярные импульсы. Во всех схемах транзисторы работают в ключевом режиме, причем время включенного состояния может регулироваться, что дает возможность изменять величину тока нагрузки. Наиболее распространенные схемотехнические решения инверторных модулей представлены на рис. 1.3.

Схемы импульсных источников питания (начало):

Рисунок 1.3 – Схемы импульсных источников питания (окончание):

Рисунок 1.3 – б) двухтактная полумостовая; в) однотактный прямоходовой В двухтактной мостовой схеме (рис 1.3, а) формирование двухполярных импульсов происходит за счет попарного отпирания транзисторов VT1–VT4 и VT2–VT3. При номинальной мощности в нагрузке через транзисторы протекает половина полного тока моста, а напряжение на каждом из них равно напряжению на емкости С1. Здесь требуется обеспечить полную симметрию плеч моста для исключения возможности протекания через первичную обмотку трансформатора тока подмагничивания. Для исключения сквозного тока в схеме необходимо обеспечить «мертвое время» между отключением одной пары транзисторов и включением другой.

В двухтактной полумостовой схеме (рис. 1.3, б) за счет емкостного делителя (С2, С3) напряжение на каждом из транзисторов и на первичной обмотке трансформатора равно полному напряжению на емкости С1. В такой схеме также необходимо предусмотреть «мертвое время».

В однотактном прямоходовом преобразователе транзисторы VT1 и VT открываются и закрываются одновременно – следовательно отсутствует опасность сквозного тока. На транзисторах в запертом состоянии напряжение не превышает 0,5Uвх. Энергия выбросов, возникающая при запирании транзисторов, сбрасывается во входную емкость С1 через диоды VD1, VD2.

Недостатком схемы является подмагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей входного тока.

Такие схемы силовой части источников питания находят широкое применение в источниках питания для ПК, электроприводе, устройствах индукционного нагрева, сварочных аппаратах.

В периодической литературе по проблемам силовой электроники регулярно появляются статьи, посвященные разработке ключевых преобразователей, перспективных, по мнению авторов, для применения в том числе в качестве ИСА [9]. Так, в начале 1990-х годов много внимания уделялось резонансным преобразователям как альтернативе преобразователям с прямоугольной формой тока и напряжения [10].

В середине 1980-х годов ведущие производители сварочного оборудования освоили новый тип этого оборудования – инверторные сварочные аппараты, с силовыми транзисторами в качестве ключевых элементов. С этого момента и по сегодняшний день традиционные источники сварочного тока на основе трансформаторов промышленной частоты 50/60 Гц активно вытесняются различными типами ИСА. Более высокая энергетическая эффективность, прекрасные массогабаритные параметры и функциональность, недостижимые в традиционном «низкочастотном» сварочном оборудовании, обеспечивают ИСА как техническое, так и коммерческое превосходство [11].

Хотя в основе силовой части ИСА могут лежать те же самые топологии силовых узлов, что и в ИВЭП, работа ИСА связана с определенными особенностями, отличными от ИВЭП. Динамические свойства ИСА и переходные процессы существенно отличаются от этих же процессов в ИВЭП, прежде всего из-за наличия переходных режимов «холостой ход – короткое замыкание», «короткое замыкание – дуга», «дуга – холостой ход», «дуга – короткое замыкание» и их сочетания с установившимся квазистационарным режимом поддержания номинального тока дуги [12].

Основная причина генерации электромагнитных помех ИВЭП с БТВ – коммутационные процессы в силовых цепях, обусловленные ключевым характером работы активных элементов [13, 14].

К другим причинам формирования ЭМП относятся высокочастотные колебания, обусловленные коммутацией силовых ключей за счет энергии, запасенной в паразитных реактивных элементах цепи, которые образуют резонансные контуры; переходные процессы при подключении-отключении ИВЭП от сети; скачкообразные изменения питающего напряжения и нагрузки;

сквозные токи; динамические свойства элементной базы, применяемой в ИВЭП, при работе в ключевом режиме [15]. Стандартным решением для борьбы с помехами является использование индуктивных и индуктивноемкостных фильтров на входе ИВЭП. При этом разработчик должен самостоятельно рассчитать параметры фильтров, грамотно выполнить разводку печатной платы. Таким образом, применение ИВЭП с БТВ, наряду с уменьшением массы и габаритных размеров, приводит к увеличению уровня ЭМП, усугубляя и без того сложную в современных условиях насыщенности радиоэлектронными средствами различных сфер деятельности человека электромагнитную обстановку [16]. Однако экономия стали, меди и электроэнергии, достигаемая при использовании ИВЭП с БТВ, настолько значительна, что они применяются все шире вместо ИВЭП традиционной структуры, а проблема устранения помех, создаваемых импульсными ИВЭП, становится все актуальнее [17].

1.2. Виды, классификация и причины появления помех в инверторных Прежде чем перейти непосредственно к рассмотрению проблем электромагнитной совместимости, поясним терминологию используемых понятий и показателей на основании [18].

Электромагнитная обстановка (ЭМО) – совокупность реальных электромагнитных явлений, существующих в данном месте, в частотном и временном диапазонах.

Электромагнитная совместимость – это способность источника питания как технического средства эффективно функционировать с заданным качеством в определенной ЭМО, не создавая при этом недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам (ТС) и питающей электросети.

Электромагнитная помеха (ЭМП)– электромагнитные явления, которые ухудшают или могут ухудшить качество функционирования ТС (электрической сети, приборов и устройств потребителей). Уровень ЭМП – значение величины помехи, измеренное в регламентированных условиях.

Электромагнитная эмиссия от источника питания, помехоэмиссия – генерирование источником электромагнитной энергии, которая излучается в пространство в виде электромагнитных волн.

Устойчивость к ЭМП (помехоустойчивость) – способность источника питания сохранять заданное качество функционирования при воздействии внутренних (в самом источнике) и внешних (со стороны питающей сети) помех.

Кондуктивная ЭМП – помеха, распространяющаяся в проводящей среде (по проводам, проводящим поверхностям), то есть помеха, передаваемая контактным способом. Высокочастотные кондуктивные помехи могут быть по характеру процессов отнесены либо к непрерывным колебаниям, либо к апериодическим и колебательным переходным процессам. В зависимости от происхождения и характера распространения кондуктивные помехи принято разделять на симметричные (дифференциальные) и несимметричные (синфазные, или общего вида).

Симметричная помеха возникает, когда напряжение помехи приложено между фазным (линейным) и нейтральным проводами, то есть это помеха, распространяющаяся аналогично протеканию переменного тока в сети. В цепях постоянного тока напряжение симметричной помехи приложено между положительным и отрицательным проводниками.

проводниками и корпусом или шиной заземления через паразитный импеданс (паразитные емкости) между этими объектами. В цепях постоянного тока напряжение несимметричной помехи приложено между проводниками (положительным и отрицательным) и корпусом.

Помехи разделяют по частотному диапазону и энергетическому спектру:

– низкочастотная ЭМП – помеха, подавляющая часть спектра которой лежит ниже определенной частоты (в международных нормативных документах за указанную частоту принимают 9 кГц);

– высокочастотная ЭМП – помеха, подавляющая часть спектра которой лежит выше определенной частоты (по ГОСТ Р 51317.2.5–2000 это 9–150 кГц);

– радиопомеха – помеха, спектральная составляющая которой находится в полосе радиочастот (по МЭК 50–160–90 свыше 150 кГц). Обычно в технической литературе для удобства объединяют последние два вида помех в один, называемый ВЧ-помехами. Для источников питания, как правило, ВЧпомехи рассматриваются в диапазоне до 30 МГц;

– узкополосная ЭМП – помеха, воздействующая на источник питания (техническое средство), у которой ширина спектра меньше или равна ширине полосы пропускания технического средства; для импульсного источника питания за нее можно принять линейчатый спектр (частот) преобразования;

– широкополосная ЭМП – помеха, воздействующая на источник питания, у которой ширина спектра шире полосы пропускания источника.

Помехи различаются по длительности и регулярности:

– непрерывная (длительная) ЭМП – помеха, уровень которой не опускается ниже определенного значения в регламентированном интервале времени (например, гармоники потребляемого сетевого тока источника питания);

– прерывистая ЭМП – помеха, длящаяся в течение определенных интервалов времени, разделенных интервалами, свободными от помех (например, при работе силовых устройств с индуктивной нагрузкой в повторнократковременном режиме);

– кратковременная ЭМП – помеха, продолжительность которой, измеренная в регламентированных условиях, не превышает определенных значений (имеет много общего с прерывистой помехой; иногда проявляется как импульсная ЭМП);

– импульсная ЭМП – помеха, которая проявляется, например, в такте рабочей частоты источника питания как последовательность отдельных импульсов или переходных процессов.

Импульсные ИВЭП подвержены воздействию электромагнитных помех различного вида. Помехи могут поступать из сети электропитания, наводиться внешними высокочастотными магнитными полями. Поэтому, с одной стороны, помехоустойчивости; с другой – импульсный ИВЭП является источником (генератором) электромагнитных помех (рис. 1.4) в широком диапазоне частот и поэтому должен иметь уровень помехоэмиссии, соответствующий принятым нормам.

Если рассматривать ИВЭП как источник помех, то следует выделить два механизма их появления: помехи, распространяющиеся по электрическим цепям (кондуктивные), и помехи, распространяющиеся по эфиру (электромагнитные).

На рис. 1.4 представлена упрощенная эквивалентная схема путей распространения кондуктивных помех в системе «сеть электропитания – ИВЭП – нагрузка» [1, 19].

Рисунок 1.4 – Упрощенная эквивалентная схема путей На схеме сплошными линиями показаны пути распространения несимметричных помех, а пунктирными – симметричных. Направления стрелок условно отображают направления распространения помех со стороны сети питания, ИВЭП и нагрузки. Источники помех обозначены следующим образом:

Гп.с. – источник помех со стороны сети электропитания, Гп.ивэ – импульсный ИВЭП как источник (генератор) помех. Другие обозначения Zc, Zн – импеданс сети и нагрузки соответственно; Zз1, Zз2 – импеданс проводников заземления нейтрали и одного (например, отрицательного) полюса нагрузки; Cп(а), Сп(в), Сп(к) – паразитные емкости выходных полюсов (зажимов) источника относительно корпуса и корпуса относительно «земли». Несимметричные помехи замыкаются на «землю» через токонесущие цепи и соответствующие паразитные емкости (импеданс). Величина (амплитуда) токов несимметричных помех зависит как от амплитуды сигналов помех, так и от импеданса паразитных связей с шиной заземления.

Следует учитывать, что сам ИВЭП состоит из функциональных узлов и модулей различного назначения, работающих в различных частотных диапазонах, с разными энергетическими уровнями, требованиями к чувствительности, точности, нередко с внешними интерфейсами и т. д.

Как было сказано выше, основная причина генерации электромагнитных помех ИВЭП с БТВ – коммутационные процессы в силовых цепях, обусловленные ключевым характером работы активных элементов. К другим причинам формирования ЭМП относятся высокочастотные колебания, обусловленные коммутацией силовых ключей за счет энергии, запасенной в паразитных реактивных элементах цепи, которые образуют резонансные контуры; переходные процессы при подключении-отключении ИВЭП от сети;

скачкообразные изменения питающего напряжения и нагрузки; сквозные токи;

динамические свойства элементной базы, применяемой в ИВЭП, при работе в ключевом режиме.

Спектр симметричных помех на выходе ИВЭП с БТВ содержит следующие составляющие [20]:

– помехи на частоте преобразования (ВЧ-пульсации);

– коммутационные помехи переключения;

– ВЧ–колебания, обусловленные резонансными явлениями в силовом трансформаторе;

– наведенные помехи, обусловленные электромагнитными колебаниями из контуров с большими значениями импульсных токов: вторичная обмотка силового трансформатора – выходной контур нагрузки.

Симметричные составляющие тока ЭМП сконцентрированы в диапазоне частот до единиц мегагерц. Основные генераторы симметричных помех:

напряжение входного накопительного конденсатора и ток транзисторов инвертора.

Спектр нессимметричных помех содержит коммутационные ВЧ-помехи в виде пачек затухающих импульсов в моменты коммутации транзисторов инвертора ИВЭП. Пачки импульсов идут с частотой преобразования (коммутации).

Выявление и ослабление ЭМП, обусловленных несимметричными несимметричной помехи распространяется по паразитным путям, т.е.

существующим независимо от желания разработчика. При коммутации силовых транзисторов инвертора формируется перепад напряжения в несколько высокочастотные составляющие токов через паразитную емкость между корпусом (коллектором) транзистора и радиатором поступают в источник первичного электроснабжения и, выделяясь на его сопротивлении, создают напряжение помех для остальных приемников энергии, подключенных к этой сети. При отсутствии заземления путь несимметричной ЭМП формируется через паразитную емкость между корпусом и «землей». Для несимметричных помех одним из путей распространения является «земля», а другим – оба провода, соединяющие ИСА с сетью.

Чем больше составляющих несимметричного тока ЭМП будет выявлено и учтено при проектировании, тем меньше неконтролируемых путей останется для их распространения и более успешно будет решена задача ослабления ЭМП до допустимого уровня.

Помимо распространения электрических помех в проводящей среде, излучаются электромагнитные помехи в окружающее пространство. Перепады напряжения значительных уровней (в ИВЭП с бестрансформаторным входом – несколько сотен вольт) и скачкообразные токи (единицы – сотни ампер) обусловили распространение помех ИВЭП в окружающем пространстве [22].

Эти помехи проявляются в виде наводок, что может привести к нарушениям в работе радиоэлектронной аппаратуры, вплоть до аварийной ситуации.

1.3. Требования по обеспечению электромагнитной совместимости Стандарты на излучение электромагнитных помех учитывают два вида излучений [23]:

– кондуктивные помехи на вводах электропитания;

– напряженность электрического поля помех при их излучении в эфир.

Существуют два набора ограничений на уровни помех для определенного вида оборудования: класса А, которое может использоваться только в промышленных или в других специально подготовленных зонах; класса В, – только в жилых помещениях, офисах, телекоммуникационном оборудовании.

Наиболее важные международные стандарты в этой области: EN55022 – европейский стандарт для оборудования информационных технологий; FCC – американский стандарт для оборудования, VDE0871 – немецкий стандарт для оборудования. На рис. 1.5 изображены допустимые нормы кондуктивных помех на зажимах сетевого электропитания для классов А и В в частотном диапазоне от 10 кГц до 30 МГц, принятые стандартами EN55022, VDE0871 и FCC.

Рисунок 1.5 – Допустимые нормы кондуктивных помех Из рис. 1.5 видно, что VDE0871 ограничивает уровни кондуктивных помех в сеть электропитания в диапазоне частот от 10 до 150 кГц. Этот диапазон важен для современных ИВЭП, работающих на частотах преобразования меньше 100 кГц. Стандарт EN55022 не предъявляет требований к области частот ниже 150 кГц. Вместе с тем ограничение в классе В у EN выше (помехи ограничены на более низком уровне). В диапазоне частот от кГц до 30 МГц для оборудования класса А нормы помех в стандартах EN и VDE0871 совпадают. Стандарт FCC позиционируется в частотном диапазоне от 450 кГц до 30 МГц, и для классов А и В его нормы ниже, чем у EN55022.

Рассмотрим нормы на излучение ЭМП в пространство. Сравнение норм по стандартам EN55022, VDE0871, FCC сделать труднее, поскольку эти нормы приводятся для различных расстояний точки измерения от объекта. На рис. 1. даны допустимые нормы излучаемых помех в пространство для классов А и В по стандартам EN55022 и VDE0871.

Рисунок 1.6 – Допустимые нормы излучаемых в пространство По стандартам EN55022 и VDE0871 различие в нормах между классами А и В в диапазоне частот ниже 30 МГц отсутствуют вообще.

Основным отечественным стандартом, в котором нормирован уровень помех для ИВЭП, является ГОСТ Р 51527–99 (МЭК 60478–3–89) «Совместимость технических средств электромагнитная. Стабилизированные источники постоянного тока. Кондуктивные электромагнитные помехи. Нормы и методы испытаний».

Как видно из рис. 1.5 и 1.6 уровни помех нормируются в очень широком диапазоне частот. Для кондуктивных помех на сетевых зажимах нормы лежат диапазоне 150 кГц – 30 МГц, а для помех, излучаемых в пространство, – кГц – 1 000 МГц. Такие широкие диапазоны вызывают серьезные сложности при обеспечении ЭМС ИВЭП. Разработчику приходится особенно трудно, если уровень электромагнитных помех незначительно превышает допустимый, причем только на одной определенной частоте. В таком случае потребуется нестандартное решение.

Приведем примеры решения вопросов, связанных с проблемами ЭМС, представленных в различных публикациях. В [24] даны сведения и практические рекомендации по обеспечению электромагнитной совместимости для импульсных ИВЭП. Описаны основные электромагнитные аномалии в сетях электропитания и их воздействие на импульсные источники вторичного электропитания. В [25] предлагаются структурные, схемотехнические и компонентные рекомендации по решению проблем в области обеспечения ЭМС импульсных источников питания. Даны сведения о компонентах и устройствах для подавления импульсных и высокочастотных помех на входе источников питания. В [26] предлагаются конкретные структурные и конструктивнотехнологические рекомендации по уменьшению уровня помех как внутри источника, так и на его входе. Обеспечению электромагнитной совместимости вторичных источников импульсного питания с автономными системами электроснабжения переменного тока, в частности с транспортными, посвящена статья [27]. Работа [28] сосредоточена на вопросах проектирования ШИМинверторов применительно к источникам бесперебойного питания. Проведен анализ частотных и энергетических характеристик. Приведены рекомендации по выбору параметров выходного фильтра и результаты экспериментального исследования спектрального состава выходного напряжения и тока при нелинейной нагрузке. Статья [29] представляет собой новую идею уменьшения электромагнитных помех асинхронного двигателя. Предлагаемый новый метод основан на применении двухмостовых симметричных инверторов. Вариант решения проверен методом моделирования. В [30] описываются методы устранения электромагнитных и радиопомех в матричном преобразователе электроэнергии. Первоначально созданный авторами статьи матричный преобразователь в полосе частот 150 МГц – 1 ГГц не прошел испытание на ЭМС и потребовал доработок, в частности установки выходного фильтра, использования отдельных фильтров для каждого DC-DC преобразователя, увеличения времени нарастания и спада управляющих импульсов IGBT транзисторов. В [31] разработан сетевой трехфазный режекторный Г-образный LC-фильтр с целью обеспечения электромагнитной совместимости водоочистного комплекса «Импульс» с питающими сетями. Статья [32] посвящена механизмам возникновения электромагнитных помех и путей решения проблемы ЭМС, рассмотрен ГОСТ Р51318.14.1-99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Радиопомехи индустриальные от бытовых приборов, электрических инструментов и аналогичных устройств.

Нормы и методы испытаний». Показано, что несмотря на все попытки стандартизации, требования остаются достаточно противоречивыми, так же как и методики их проверки. Основная причина противоречий – неоднозначность определения механизмов возникновения помех. В [33] описывается электромагнитная совместимость модулей питания серии МП и решения по уменьшению электромагнитных помех, применяемых в ОАО «НПП ЭлТом» В [34] рассматривается моделирование индуктивно-емкостных преобразователей (ИЕП), а также вторичных источников питания с промежуточным емкостным накопителем и предвключенным ИЕП. Широкое распространение в переменного тока получили индуктивно-емкостные преобразователи источника напряжения в источник неизменного зарядного тока, выполненные, как правило, по схемам Бушеро и Штейнметца. Это вызвано простотой, надежностью схемы и возможностью получения высоких энергетических показателей ИЕП. Особенностью работы ИЕП в этих устройствах является широкий спектр гармоник токов и напряжений, определяемый циклической выпрямителя. Обеспечению ЭМС импульсных установок с питающими сетями и питающих сетей с электроприемниками с резкопеременной нелинейной и импульсной нагрузкой посвящена [35]. В [36] рассматривается проблема обеспечения электроэнергетической совместимости электромеханической коммутационной аппаратуры (контакторов, реле и автоматов защиты сети) с системами электроснабжения постоянного тока повышенного напряжения.

Предлагаются схемы бездуговой (безыскровой) коммутации, позволяющие помехоподавительные экраны из конструкций электромеханических коммутаторов.

источниках, можно сделать вывод, что все они посвящены импульсным ИВЭП, на выходе которых присутствует постоянный ток или же переменный ток частотой 50 Гц. Не было найдено ни одной публикации, раскрывающей аппаратов. Эта проблема становится актуальной в связи с появлением нового класса ИСА – сварочных инверторов знакопеременного тока частоты ультразвукового диапазона [37]. Разработка и исследование аппаратов такого типа проводятся на кафедре радиотехники Мордовского государственного университета.

сертификации по ЭМС. Специфика работы инверторных сварочных аппаратов знакопеременного тока повышенной частоты такова, что без глубокого изучения происходящих в аппарате процессов обеспечение требований стандартов по ЭМС становится проблематичным. Поэтому изучение вопросов, связанных с проблемой обеспечения ЭМС преобразователей энергии с импульсным регулированием, и в частности инверторных сварочных аппаратов, является своевременным и актуальным.

Целью данной работы является проведение комплексного исследования ИСА как части электротехнической системы, состоящей из питающей сети, сварочного инвертора знакопеременного тока повышенной частоты и окружающей среды, для выявления причин, характера и уровня электрических и электромагнитных помех. Данная информация позволяет предложить технические решения и рекомендации по обеспечению ЭМС на этапе проектирования не только конкретного сварочного инвертора, но и других инверторных преобразователей с ШИМ-регулированием тока/напряжения.

Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи.

1. Изучить причины возникновения электрических помех в аппарате, их уровень и спектральный состав для оценки соответствия этих показателей требованиям стандартов по ЭМС.

2. Определить спектр излучения сварочного кабеля как возможного источника электромагнитных помех, представляющих опасность для внешних технических устройств.

трансформатора сварочного аппарата для оценки возможного влияния этого поля на помехоустойчивость системы автоматики инвертора.

4. Выявить условия обеспечения максимального коэффициента полезного действия аппарата с учетом влияния факторов режима работы и требований стандартов по ЭМС.

ИСТОЧНИКИ, ПРИЧИНЫ И ХАРАКТЕР ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ В СВАРОЧНОМ ИНВЕРТОРЕ

ЗНАКОПЕРЕМЕННОГО ТОКА

В данной главе с учетом электрической схемы сварочного инвертора предложена его эквивалентная схема с указанием паразитных параметров, которые могут оказывать влияние на характер и величину электрических помех, генерируемых аппаратом. На основании этой схемы построена компьютерная модель инвертора для исследования возникающих в нем помех с учетом факторов режима.

2.1. Инверторный сварочный аппарат знакопеременного тока Схемотехнические решения ИСА знакопеременного тока частоты ультразвукового диапазона разработаны (и запатентованы) на кафедре радиотехники Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева [38, 39]. Упрощенная схема ИСА знакопеременного тока приведена на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 – Упрощенная схема инверторного сварочного Инвертор выполнен по схеме сдвоенного однотактного прямоходового преобразователя. За счет свойств такого преобразователя величина напряжения на силовых транзисторах VT1–VT4 не превышает напряжения питания.

Энергия, накопленная в трансформаторе и дросселе, рекуперируется во входной источник питания. В данном инверторе используется один силовой трансформатор, который перемагничивается аналогично трансформаторам двухтактных преобразователей. За счет попарного включения транзисторов в каждом плече на выходе аппарата формируются знакопеременные импульсы сварочного тока. Величину тока нагрузки (сварочной дуги) можно изменять путем варьирования длительности импульсов при фиксированной частоте, т.е.

за счет ШИМ-регулирования.

высокочастотными колебаниями на их фронтах и соответственно имеет гармоники, кратные частоте следования импульсов. Отсутствие в сварочном аппарате достаточно мощного и дорогостоящего силового выходного выпрямителя с высокочастотными диодами позволяет уменьшить общие потери, снизить стоимость и повысить КПД аппарата [40].

одновременном обеспечении надежного возбуждения дуги к выходной обмотке трансформатора подключена RC-цепочка, которая вместе с индуктивностью обмотки образует параллельный колебательный контур. Он настроен на одну из высших гармоник частоты коммутации транзисторов инвертора, а его добротность задается с помощью резистора. На холостом ходу напряжение на контуре устанавливается на уровне 70–90 В, что достаточно для возбуждения дуги. При ее возбуждении контур шунтируется ее низким сопротивлением и напряжение на выходе трансформатора падает до рабочего значения.

Ключевой режим работы транзисторов приводит к формированию широкого спектра тока, протекающего в сварочном кабеле и в цепях преобразователя. Такой спектральный состав тока может стать причиной возникновения как кондуктивных, так и эфирных помех. С учетом значительных токов, протекающих через транзисторы, трансформаторные элементы, входной и выходной фидеры (кабели), мощность таких помех в ИСА знакопеременного тока может быть весьма значительной и выходящей за электромагнитной совместимости.

Быстропротекающие переходные процессы в ИСА знакопеременного тока отмечаются на различных этапах сварочного цикла («холостой ход – короткое замыкание», «короткое замыкание – дуга», «дуга – холостой ход»).

Их сочетание с установившимся квазистационарным режимом поддержания номинального тока дуги, стохастический характер процессов, происходящих в реальной сварочной дуге [12], еще больше обостряют проблему ЭМС. Поэтому требуется детальное изучение протекающих в ИСА процессов.

2.2. Причины, источники и характер помех в инверторном сварочном стабилизация) в ИСА осуществляется путем широтно-импульсной модуляции.

Поэтому форма тока на выходе аппарата носит характер периодической последовательности импульсов, которая может быть представлена в виде ряда Фурье [41, 42]. Известно, что периодическая последовательность прямоугольных импульсов имеет спектр, характер которого изображен на рис.

2.2, а его математическое выражение имеет вид где A – амплитуда импульсов, g – скважность w=2f – частота следования.

Рисунок 2.2 – Характерный вид спектра прямоугольных Такой спектральный состав тока может быть причиной радиопомех, передаваемых как в питающую сеть, так и в эфир.

электромагнитных помех в ИСА предлагается эквивалентная схема ИСА знакопеременного тока, в которой изображены компоненты с указанием их паразитных параметров, а также показаны виды и пути распространения кондуктивных помех (рис. 2.3.). Схема составлена с учетом работ [5, 43] и исходной электрической схемы, представленной на рис. 2.1.

Рассмотрим работу схемы и отдельных ее компонентов с точки зрения возникновения помех. Так как схема представляет собой два сдвоенных полумостовых однотактных инвертора, то достаточно рассмотреть только один из них, поскольку аналогичные процессы в другом повторяются в следующем полупериоде.

Входной электролитический конденсатор С1 представлен известной эквивалентной схемой [5] как совокупность емкости С1 и паразитных параметров: RC1 (ESR – эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора) и LC1 (ESL – эквивалентная последовательная индуктивность). В справочных данных для электролитических конденсаторов с повышенным рабочим напряжением (сотни вольт) чаще приводится значение полного сопротивления С1, то есть значение импеданса ZC.

Рисунок 2.3 – Эквивалентная схема ИСА знакопеременного тока с указанием паразитных параметров компонентов.

высокочастотной коммутации силовых транзисторов VT1 и VT2, вызывают на выводах конденсатора С1 напряжение симметричных (дифференциальных) кондуктивных помех. Уровень помех может быть порядка единиц вольт, в зависимости от частоты преобразования и типа выбранного конденсатора.

Реальный проводник, имеющий конечную длину, характеризуется наличием распределенной паразитной индуктивности. На рис. 2.3 указана паразитная индуктивность шины питания L. Как показано в [44, 45], данная индуктивность оказывает существенное влияние на работу силовых IGBT/MOSFETтранзисторов. При коммутации больших токов с высокой скоростью наличие этой индуктивности приводит к возникновению перенапряжений на силовых ключах. Например, при отключении транзистора напряжение на коллекторе возрастает на величину V = L · diС/dt относительно напряжения шины питания VDC, где diС/dt – скорость спада тока коллектора. Суммарное напряжение коллектор–эмиттер VCE = VDC + V может превысить значение напряжения пробоя и вывести транзистор из строя. Аналогичный процесс происходит при открывании транзистора, в этом случае перенапряжение вызывается скачком тока обратного восстановления оппозитного диода. На величину распределенной индуктивности также оказывает влияние ориентация компонентов, расположенных по пути протекания тока, например конденсаторов DC шины.

На рис. 2.3 в качестве силовых ключей VT1 и VT2 изображены IGBTтранзисторы. Для наглядности эквивалентная схема VT1 и VT2 условно изображена в виде ключа S1 с активным проходным сопротивлением RDSon, то есть с сопротивлением открытого канала «сток–исток» IGBT. Там же изображены типовые внутренние паразитные емкости транзисторов:

– CGS – входная емкость (емкость затвор-исток);

– CDS – выходная емкость (емкость сток-исток);

– СDG – емкость обратного переноса или емкость Миллера (емкость сток– затвор).

Антипараллельный диод VD1 в эквиваленте транзистора VT1 представлен источником обратного тока iобрVD1, изменяющимся в функции напряжения и времени. В установившемся закрытом состоянии его значение определяется справочными данными (Iобрmax). При скачке обратного напряжения на прямосмещенном до этого момента диоде ток iобрVD1 определяется протекавшим до этого прямым током.

определяются указанными величинами емкостей, причем:

– входная емкость CGS определяет время задержки при включении и частично при выключении;

– емкость Миллера СDG влияет на время нарастания и спада напряжения канала (сток–исток), а также в большей степени на передачу помех в управляющую входную цепь транзистора;

– выходная емкость CDS определяет длительность заднего фронта импульса на канале (сток–исток).

Величины паразитных емкостей IGBT находятся в соотношении CGS CDS CDG, причем СG S 1000 пФ (1000–8340 пФ), а СDG 500 пФ (8–470 пФ).

Соответственно, величины времен нарастания/спада находятся в пределах (10нс)/(12-100 нс).

На рис. 2.3 условно показано, что VT1 и VT2 установлены на теплоотводящем радиаторе, который соединен с корпусом ИСА. В этом случае сток IGBT изолируется от корпуса электроизоляционной шайбой из материала с высокой устанавливаются на радиатор, который сам изолирован от корпуса. Но в любом случае между стоком VT1, VT2 и корпусом есть паразитная емкость Сn большей или меньшей величины. Именно через эту емкость протекает на корпус ток несимметричной помехи, величина которого определяется выражением iVT = Cn1 (dUDS/dt). Если взять реальные значения Cn1 = 100 пФ, dUDS = 400 B, dt = 0,1 мкс, то iVT = 0,4 А – существенная величина. Поэтому основное средство уменьшения величины iVT – это уменьшение величины паразитной емкости Сn1 относительно корпуса ИСА. С этой целью, а также для уменьшения динамических потерь мощности на VT1, VT2 применяются демпфирующие цепи RC, RCVD, которые затягивают фронт импульса напряжения на стоке и одновременно уменьшают его амплитуду.

образовании помех. На схеме рис. 2.3 отображены его паразитные параметры:

– СS1–1, СS1–2, CS2 – паразитные емкости соответственно первичной (w1) и вторичной (w2) обмоток;

– СS12, CS21 – проходные емкости между обмотками w1 и w (относительно выводов обмоток) [43].

Высокочастотный трансформатор представляет собой многочастотную резонансную систему, поскольку наличие индуктивности первичной обмотки (L – индуктивность намагничивания) и паразитных емкостей, а также паразитных индуктивностей обмоток LS (на схеме не показаны) приводит к колебательным процессам на выходе трансформатора. Поэтому при подаче на вход трансформатора импульсов прямоугольной формы на его выходе всегда будет импульс искаженной формы. В результате на переднем и заднем фронтах импульсов будут присутствовать не только ВЧ-колебания основной частоты преобразования, но и высшие гармонические составляющие, являющиеся, по сути, помехами. При переходе к высоким частотам преобразования (20– кГц) с учетом применения быстродействующих транзисторов обострился интерес к минимизации паразитных параметров силовых трансформаторов. Это связано со стремлением снизить динамические потери мощности в силовых электромагнитных помех, который пропорционален этим потерям. Так, например, индуктивность рассеяния LS можно снизить, применяя тороидальный трансформатор с секционированием обмоток [46]. Также естественным высокочастотного трансформатора, является создаваемое им мощное электромагнитное высокочастотное поле. Поскольку в схеме управления ИСА присутствуют быстродействующие логические элементы с низкими порогами срабатывания, нахождение в непосредственной близости трансформатора с протекающим по нему током в сотни ампер может приводить к наведению поля на систему управления и к непроизвольным срабатываниям логических элементов.

Дроссель L1 представлен эквивалентом RL1–L1–CL1. Через цепь L1–ZH– LC2 протекает ток iCM2 симметричной помехи, обусловленной особенностью функционирования компонентов VT1, VT2, T. Величина этого тока зависит от напряжения помех на входе дросселя L1 и параметров дросселя L1, включая упомянутые паразитные параметры [47].

Спектр симметричных помех на выходе ИСА содержит следующие составляющие:

– помехи на частоте преобразования (ВЧ-пульсации);

– коммутационные помехи переключения, обусловленные неидеальностью частотных свойств транзисторов VT1, VT2;

– ВЧ-колебания, обусловленные резонансными явлениями в силовом трансформаторе Т;

– наведенные помехи, обусловленные электромагнитными колебаниями из контуров с большими значениями импульсных токов: вторичная обмотка – L1 – в выходной контур ZН.

Симметричные составляющие тока ЭМП сконцентрированы в диапазоне частот до единиц мегагерц. Основными генераторами симметричных помех являются емкость С1 (генерирует симметричное напряжение помех из-за наличия паразитных сопротивления и индуктивности при прохождении через конденсатор переменной составляющей тока силовой цепи) и транзисторы VT1–VT4.

Спектр несимметричных помех содержит коммутационные ВЧ-помехи в виде пачек затухающих импульсов в моменты коммутации транзисторов VT1, VT2. Пачки импульсов идут с частотой коммутации. В принципе их величина существенно меньше, чем на стоке транзисторов VT1, VT2, поскольку выход низковольтный.

Чем больше составляющих несимметричного тока ЭМП будет выявлено и учтено при проектировании, тем меньше неконтролируемых путей останется для их распространения и более успешно будет решена задача ослабления ЭМП до допустимого уровня.

2.3. Компьютерная модель сварочного инвертора С целью оценки уровня и спектрального состава кондуктивных помех была построена модель ИСА в лицензионном пакете Matlab Sym Power System.

Система Matlab представляет собой язык программирования высокого уровня, предназначенный для инженерных и научных вычислений и создания средств моделирования различных устройств и систем. Он базируется на алгоритмах матричных вычислений с выполнением операций над наборами векторов, что определяет основное отличие этой системы от других известных пакетов. За счет матричного и векторного представления данных удалось существенно повысить скорость вычислений, экономно использовать ресурсы памяти и обеспечить высокую точность расчетов. В Matlab реализован модульный принцип построения с широкими возможностями модификации и расширения.

Для удобства пользования вся система Matlab поделена на разделы, оформленные в виде пакетов программ, наиболее общие из которых образуют ядро. Другие пакеты объединены или существуют индивидуально в виде так называемых Toolboxes. Особо следует выделить пакет Simulink, предназначенный для моделирования линейных и нелинейных динамических систем. Он базируется на принципах визуально ориентированного программирования с использованием моделей в виде комбинаций компонентовблоков, путем соединения которых между собой составляются функциональные модели устройств и систем. При этом математическая модель, описывающая поведение такой системы, формируется и решается автоматически. Для исследователя Simulink создает массу возможностей, начиная от функционального представления устройства и вплоть до генерирования кодов, используемых для программирования микропроцессоров.

Пакет Simulink вместе с пакетом расширения Sim Power Systems являются основой для изучения и исследования устройств силовой электроники. В библиотеку Sim Power Systems входит набор блоков для имитационного моделирования электротехнических устройств в виде пассивных и активных электротехнических устройств и элементов. С помощью Simulink и Sim Power Systems можно имитировать работу устройств во временной области, а также выполнять анализ их свойств – рассчитывать импеданс цепи, получать амплитудно- и фазочастотные характеристики, выполнять гармонический анализ токов и напряжений [48–50].

На рис. 2.4 приведена модель ИСА переменного тока в среде Matlab Sym Power Systems. Данная модель построена на основании эквивалентной схемы рис. 2.3. с указанием паразитных параметров компонентов. Исходные количественные данные для элементов предложенной модели приведены в табл. 2. 1.

Рисунок 2.4 – Модель ИСА знакопеременного тока в среде В модель были введены следующие параметры и элементы, участвующие в формировании кондуктивных помех:

– Сопротивление VT1–VT4 во включенном состоянии (внутри блока);

– Индуктивность VT1–VT4 во включенном состоянии (внутри блока);

– Сопротивление демпфирующей цепи VT1–VT4 (внутри блока);

– Емкость демпфирующей цепи VT1–VT4 (внутри блока);

– Номинальная частота трансформатора T1 (внутри блока);

–Индуктивность выводов входных конденсаторов, распределенная индуктивность силовых шин и силовых проводников L1;

– Паразитные емкости трансформатора Т1 (С2–С6);

– Емкость Сп – паразитная емкость между землей и токоведущими частями, через которую распространяются кондуктивные помехи.

При построении модели были учтены основные параметры входящих в модель элементов (табл. 2.1.) Таблица 2.1. – Параметры входящих в модель элементов Внутреннее сопротивление источника питания 0,1 Ом Сопротивление VT1–VT4 во включенном состоянии 61 мОм Индуктивность VT1–VT4 во включенном состоянии 12 нГн Падение напряжения на VT1–VT4 в прямом направлении 1В Время спада тока VT1–VT4 до уровня 0.1 от тока в момент 1 мкс выключения Номинальная полная мощность трансформатора T1 3 кВА Действующее значение напряжения первичной обмотки T1 310 В Активное сопротивление первичной обмотки T1 0,019 Ом Действующее значение напряжения вторичной обмотки T1 40 В Активное сопротивление вторичной обмотки T1 0,001 Ом Индуктивность выводов входных конденсаторов, распределенная индуктивность силовых шин и силовых 0,1 мкГн проводников L В модель введена индуктивность L1, которая включает индуктивность выводов и распределенную индуктивность силовых шин и силовых проводников. Значение этой индуктивности оказывает существенное влияние, т. к. при коммутации больших токов с высокой скоростью её наличие приводит к возникновению перенапряжений на силовых ключах [51].

При исследовании компьютерной модели были заданы следующие исходные параметры: рабочая частота – 25 кГц, нагрузка – 0,3 Ом, скважность – 2–10. На рис. 2.5 приведена форма выходного тока инвертора, полученная путем компьютерного моделирования, а на рис. 2.6 – осциллограмма выходного напряжения (пропорционального току нагрузки) макетного образца измеренная на нагрузке 0,3 Ом. (В компьютерной модели и в макетном образце присутствует выходной дроссель L2 величиной 10 мкГн.) Рисунок 2.5 – Временная диаграмма тока в нагрузке, Рисунок 2.6 – Осциллограмма напряжения на нагрузке Наблюдается хорошее сходство форм тока и напряжения, полученных в компьютерной модели и на физическом образце.

1. Ключевой режим работы транзисторов приводит к формированию широкого спектра тока, протекающего в сварочном кабеле и в цепях преобразователя. Такой спектральный состав тока может стать причиной возникновения как кондуктивных, так и эфирных помех. С учетом значительных токов, протекающих через транзисторы, трансформаторные элементы, входной и выходной фидеры (кабели), мощность таких помех в ИСА знакопеременного тока может быть весьма значительной и выходящей за уровни, разрешенные российскими и зарубежными стандартами по электромагнитной совместимости.

2. Предложенная компьютерная модель сварочного инвертора позволяет получить первичную информацию о спектральном составе выходного тока, зависимость спектра от факторов режима работы (частота, скважность) и другие данные, полезные на этапе проектирования устройств с ШИМрегулированием.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОМЕХ

В ИНВЕРТОРНОМ СВАРОЧНОМ АППАРАТЕ

Предложенная ранее компьютерная модель сварочного инвертора позволила провести цикл исследований влияния на ширину и энергетику спектрального состава входного и выходного токов факторов режима: частоты, скважности, обрыва дуги, фронта отпирающих импульсов (п. 3.1). В п. 3. путем моделирования и физического эксперимента исследованы причины появления и уровень кондуктивных помех. В п. 3.3 оценена излучающая способность сварочного кабеля, а в п. 3.4 – поле излучения импульсного трансформатора инвертора. На основании полученных результатов сделаны полезные для практики проектирования преобразователей выводы.

3.1. Спектральный состав тока ИСА и его зависимость от элементов схемы Предложенная виртуальная модель сварочного инвертора позволяет получить первичную информацию о спектральном составе выходного тока, зависимости спектра от факторов режима (частота, скважность) и другие данные, полезные на этапе проектирования устройств с ШИМ-регулированием.

На рис. 3.1 отображен спектр выходного тока инвертора, полученный на компьютерной модели, из которого следует, что в нем отсутствует постоянная составляющая, а его ширина достигает 400–500 кГц.

Рисунок 3.1 – Спектр выходного тока при скважности 10, Величина сварочного тока и энергетическая мощность спектра связаны при ШИМ-регулировании с величиной скважности импульсов тока транзисторов инвертора. Соответствующая зависимость приведена на рис. 3.2.

Рисунок 3.2 – Зависимость спектральной мощности Характер изменения ширины спектра импульсов тока от скважности изображен на рис. 3.3.

Рисунок 3.3 – Характер изменения ширины спектра импульсов Установка выходного дросселя (величиной 10 мкГн) существенно сужает выходной спектр ИСА. На рис. 3.4 приведен характер изменения спектра в зависимости от частоты импульсов сварочного тока при наличии выходного дросселя (сплошная линия) и при его отсутствии (прерывистая линия). Видно, что ширина спектра при отсутствии выходного дросселя в два раза больше, чем при его наличии.

Рисунок 3.4 – Характер изменения ширины спектра в зависимости существенное влияние будет оказывать процесс обрыва сварочной дуги. На рис. 3.5 представлена временная диаграмма тока нагрузки, отражающая момент обрыва дуги.

Рисунок 3.5 – Временная диаграмма тока нагрузки на этапе обрыва переключением резисторов: высокоомного – для режима холостого хода и низкоомного – для режима горящей дуги [52]. На вид переходного процесса при обрыве дуги и соответственно на спектральный состав оказывают влияние индуктивность вторичной обмотки трансформатора, емкость вторичной обмотки трансформатора, индуктивность сварочного кабеля. Процесс носит затухающий колебательный характер.

На рис. 3.6 приведен спектральный состав тока с учетом факта обрыва дуги.

Рисунок 3.6 – Спектральный состав тока при обрыве дуги.

Видно, что на участке вблизи 4 МГц при обрыве дуги возникает мощный спектральный выброс, связанный с появлением в токе новых спектральных составляющих. При попытке устранения данного спектрального выброса с помощью фильтров КПД аппарата снижается.

На ширину выходного спектра существенное влияние оказывает крутизна фронтов управляющих импульсов. Чем меньше длительность фронтов отпирающих транзисторы импульсов, тем шире выходной спектр, и наоборот, чем больше длительность фронтов, тем уже выходной спектр. Оценим ширину спектра выходного тока ИСА знакопеременного тока при длительности переднего фронта отпирающих транзисторы импульсов, равной 5, 10 мкс (рис.

3.7).

На рис. 3.7 приведены зависимости ширины спектра от скважности при различной длительности фронтов отпирающих импульсов. Зависимости получены при наличии выходного дросселя, фиксированной частоте равной кГц и длительности фронтов импульсов управления 5, 10 мкс.

Рисунок 3.7 – Характер изменения ширины спектра импульсов длительности фронтов импульсов управления.

Анализируя полученные зависимости, можно заметить, что с увеличением длительности фронтов отпирающих импульсов ширина спектра уменьшается. В то же время при увеличении длительности фронтов импульсов управления возможно снижение КПД ИСА знакопеременного тока. Данный вопрос подробно будет рассмотрен в главе 4.

Помимо всего прочего, из-за наличия входного мостового пассивного выпрямителя ИСА переменного тока потребляет из сети несинусоидальный ток, что также приводит к формированию широкого спектра составляющих.

Это в свою очередь может приводить к нестабильной работе другого оборудования, подключенного к той же фазе первичной сети. Для оценки входного спектра ИСА обратимся к компьютерной модели (см. рис. 2.4). На рис. 3.8 приведена временная диаграмма тока, потребляемого ИСА от сети при скважности 2, нагрузке 0,3 Ом и частоте 25 кГц, а на рис. 3.9 – спектрограмма потребляемого от сети тока.

Рисунок 3.8 – Временная диаграмма тока ИСА, потребляемого из Рисунок 3.9 – Спектр входного тока соответствующий рис. 3.8.

Допустимые нормы и уровни электромагнитных помех по питающей сети указаны в ГОСТ Р 51317.3.2–99. «Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе).

Нормы и методы испытаний». Данный стандарт распространяется на электротехнические, электронные и радиоэлектронные изделия, аппараты, приборы, устройства и оборудование с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе) (далее – технические средства), подключаемые к низковольтным распределительным электрическим сетям. Стандарт устанавливает нормы эмиссии гармонических составляющих тока, потребляемого техническими средствами (ТС) при испытаниях в регламентированных условиях. Целью стандарта является установление для ТС, относящихся к области его применения, норм эмиссии гармонических составляющих тока таким образом, чтобы с учетом допустимой эмиссии от других ТС уровни гармонических составляющих напряжения в системах электроснабжения не превышали уровней электромагнитной совместимости.

Измерение эмиссии гармонических составляющих тока, потребляемого техническим средством, проводилось на реальном макете ИСА знакопеременного тока. Измерения осуществлялись осциллографом АКТАКОМ АСК-2104 и анализатором качества электрической энергии MOTECH 1010. На рис. 3.10 представлены осциллограмма тока, потребляемого ИСА знакопеременного тока от сети, и его спектр при сварочном токе 150 А Рисунок 3.10 – Осциллограмма тока, потребляемая ИСА составляющих потребляемого ИСА знакопеременного тока от сети, измеренные с помощью анализатора качества электрической энергии MOTECH, и соответствии с ГОСТ Р 51317.3.2–99.

потребляемых ИИСТ от сети.

результатов и норм ГОСТа.

Из табл. 3.1. и рис. 3.11 следует, что ИСА знакопеременного тока гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе). Нормы и методы испытаний»

Рисунок 3.11 – Графическое представление максимальных 3.2. Кондуктивные помехи и их исследование Еще одной причиной появления помех в сетевом фидере могут быть кондуктивные помехи, создаваемые ИСА.

Для оценки напряжения кондуктивной несимметричной помехи в модель ИСА введена усредненная паразитная емкость CП величиной 100 пФ [43] между корпусом ИСА (землей) и выходными зажимами и сопротивление R2 = 50 Ом с помощью которого осуществлялось измерение напряжения кондуктивной помехи. На рис. 3.12 приведена временная диаграмма кондуктивной помехи, полученная в компьютерной модели при частоте 25 кГц и скважности импульсов, равной 4.

Рисунок 3.12 – Временная диаграмма напряжения кондуктивной На рис. 3.13. приведена спектрограмма напряжения кондуктивной помехи Рисунок 3.13 – Спектрограмма напряжения кондуктивной помехи.

В соответствии с ГОСТ Р 51527–99 кондуктивные помехи должны иметь значения, не превышающие величин, приведенных в табл. 3.2 (ИСА знакопеременного тока относится к классу D).

Таблица 3.2 – Нормы радиопомех на выходных зажимах технического средства Окончание таблицы 3. Из табл. 3.2 следует, что в полосе частот 0,5–5 МГц напряжение кондуктивных помех не должно превышать 73 дБмкВ. По результатам моделирования (см. рис. 3.13) видно, что напряжение кондуктивной помехи достигает в данной полосе частот 150 дБмкВ, что является недопустимым значением. Из этого следует, что ИСА с характеристиками, приведенными в табл. 2.1, не соответствует требованиям стандарта по ЭМС и должен быть доработан.

С целью проверки адекватности результатов компьютерного моделирования реальным значениям был измерен уровень кондуктивных помех на физическом образце ИСА. Автором была разработана методика измерения синфазной помехи в соответствии с ГОСТ Р 51526–99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Оборудование для дуговой сварки.

Требования и методы испытаний.». По сути, измерение сводится к измерению падения напряжения на входных зажимах ИВЭП относительно корпуса на тестовых подгружающих резисторах номиналом 50 Ом (рис. 3.14).

Рисунок 3.14 – Схема измерения синфазной помехи.

При этом по постоянному напряжению измерительная цепь развязана от цепей питания конденсатором (0,25 мкФ для уровней потребляемого тока до А либо 0,1 мкФ для уровня свыше 25 А), а влияние импеданса питающей цепи на измеряемые характеристики в области исследуемых частот исключается при помощи эквивалента сети. Эквивалент сети – это устройство, используемое при измерении радиопомех, включаемое в сеть питания источника индустриальных радиопомех, для создания регламентированного сопротивления нагрузки в диапазоне частот измерений. Применение эквивалента сети также ослабляет возможное влияние помех от самой питающей сети (в реальном эквиваленте сети уже содержатся подгрузочные резисторы и разделяющие конденсаторы) [53].

Измерения производились при помощи измерителя радиопомех, имеющего входное сопротивление 50 Ом, поочередно для каждого из питающих выводов. Одно из показанных на рис. 3.14 сопротивлений 50 Ом отображает в этом случае входное сопротивление измерителя, а другое является подгрузочным. Переключение измерителя и подгрузочного резистора производится с помощью коммутирующих цепей, не показанных на рисунке.

Для эксперимента был использован V-образный эквивалент сети с полным номинальным сопротивлением 50 Ом/50 мкГн в соответствии с ГОСТ Р 51319–99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы для измерения индустриальных радиопомех. Технические требования и методы испытаний». Техническое средство подсоединяют к эквиваленту сети и размещают таким образом, чтобы расстояние между техническим средством и эквивалентом сети составляло 0,8 м.

Кондуктивные помехи измеряют между зажимом фазного провода и эталонным заземлением измерительной схемы (зажимом «земля» эквивалента сети) и между зажимом нейтрального провода и тем же эталонным заземлением. Оба измеренных значения должны удовлетворять соответствующим нормам. На рис. 3.15 приведена общая схема измерения напряжений радиопомех между каждым из проводников и заземлением.

Рисунок 3.15 – Общая схема измерения напряжения радиопомех Расположение аппаратуры и оборудования при измерении напряжения индустриальных радиопомех с использованием эквивалента сети приведено на рис. 3.16.

Рисунок 3.16 – Расположение стационарного испытуемого использованием эквивалента сети: 1 – металлический изоляционного материала; 4 – эквивалент сети; 5 измеритель радиопомех.

В качестве измерителя кондуктивных помех использовался тестовый приемник R&S ESPI с анализатором спектра. Результаты измерений напряжения кондуктивной помехи приведены на рис 3.17.

Рисунок 3.17 – Спектральный состав напряжения кондуктивной помехи (верхняя спектрограмма – пиковое значение, нижняя – На рис. 3.17 жирной линией отмечен допустимый уровень кондуктивных помех в соответствии с нормами ГОСТ Р 51527–99. Из рис. 3.17 следует, что в диапазоне частот 500 кГц – 4 МГц наблюдается превышение измеренных среднеквадратичных значений кондуктивной помехи над нормами ГОСТ Р 51527–99. Следовательно, испытуемый аппарат не соответствует требованиям стандарта по ЭМС и должен быть доработан.

Для снижения уровня кондуктивных помех на входе ИСА был включен помехоподавляющий фильтр ROXBURGH PC3-15P. Принципиальная схема фильтра приведена на рис. 3.18.

Рисунок 3.18 – Принципиальная схема помехоподавляющего фильтра На рис. 3.19. приведена амплитудно-частотная характеристика фильтра ROXBURGH PC3-15P.

Рисунок 3.19 – Амплитудно-частотная характеристика фильтра В результате повторных измерений были получены результаты, удовлетворяющие требованиям ГОСТ (рис. 3.20).

Рисунок 3.20 – Спектральный состав напряжения кондуктивной помехи (верхняя спектрограмма пиковое значение, нижняя – среднеквадратичное значение) с фильтром ROXBURGH Полученный спектр (см. рис. 3.20) удовлетворяет требованиям ГОСТ Р 51527– 3.3. Излучающая способность сварочного кабеля Сварочный инвертор является генератором не только электрических (кондуктивных) помех, но и электромагнитного излучения. Излучать в окружающую среду электромагнитную энергию может как сам сварочный аппарат, так и сварочный кабель. Очевидно, что переходные процессы, происходящие в при сварке, (например, на этапах возникновения и обрыва дуги), могут существенно влиять на параметры спектра и уровень излучения.

С учетом того, что перепады напряжений в аппарате могут достигать нескольких сотен вольт, а скачкообразное изменение тока – сотен ампер, уровень электромагнитных помех может быть значительным. Во внешней среде эти помехи могут проявляться в виде электрических наводок на проводных коммуникациях и на элементах электронной аппаратуры, что может привести к сбоям в ее работе и даже к повреждению.

Совершенствование схемотехнических и конструктивных решений ИСА предполагает хорошее понимание происходящих в них процессов на различных участках сварочного цикла: холостой ход, режим сварки, обрыв дуги.

Экспериментальное изучение этих особенностей в принципе возможно, но малопродуктивно по причине трудоемкости испытаний на физических образцах аппаратов. Больше возможностей в этом отношении дает метод компьютерного моделирования. Предполагается, что для построения компьютерных моделей аппаратов имеется необходимая библиотека всех входящих в схему элементов.

Если модель какого-либо элемента в стандартном наборе отсутствует, ее требуется создать. Компьютерное моделирование процессов в преобразовательных устройствах требует обязательного учета характера и особенностей нагрузки. В сварочных преобразователях такой нагрузкой является электрическая дуга.

В имеющихся пакетах программ модели дуги нет, поэтому ее необходимо ввести. В данной работе электрическая модель дуги представлена в виде двух переключаемых резисторов: высокоомного – для режима холостого хода и низкоомного – для режима горящей дуги.

Если приниять во внимание, что излучение силовых элементов сварочного аппарата существенно ослабляется его металлическим корпусом, то наибольший интерес представляет излучение сварочного кабеля.

При работе сварочного аппарата через сварочный кабель протекают значительные токи, а ширина их спектрального состава достигает 400–500 кГц.

В момент обрыва дуги появляется спектр тока на частоте 4–5 МГц (см. рис.

3.6).

Такой спектральный состав тока, протекающего через кабель, позволяет рассматривать его как излучающую антенну, генерирующую в пространство электромагнитную энергию. При оценке пространственной напряженности электромагнитного поля принято рассматривать две зоны пространства – дальнюю и ближнюю. Дальней считается зона, в которой справедливо следующее выражение: r где r – расстояние от фазового центра антенны, – длины волны. Ближней считается зона, для которой справедливо неравенство r. Известно, что в ближней зоне напряженность электрического поля уменьшается пропорционально третьей степени расстояния, а магнитного поля пропорционально квадрату расстояния [54, 55].

В дальней зоне напряженность электромагнитного поля убывает по закону 1/r.

Кроме того, напряженность поля излучения сильно зависит от соотношения длины антенны и длины генерируемой волны источника. Максимальная мощность излучения достигается при условии равенства длины антенны длине волны L = [56]. Поскольку в рассматриваемом случае длина кабеля L составляет всего несколько метров, что существенно меньше длины волны, то можно полагать, что напряженность поля в дальней зоне будет весьма незначительной и может не фиксироваться приборами. Но в ближней зоне на расстоянии от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров уровень излучения может быть весьма значительным и представлять опасность для близкорасположенной электронной аппаратуры и для сварщика. Поэтому нас интересует вопрос только о величине напряженности поля сварочного кабеля в ближней зоне. Известно, что даже бытовые линии электропередач на частоте Гц дают поле излучения, которое легко обнаруживается на расстоянии нескольких сантиметров с помощью элементарной катушки индуктивности. И это при токе бытовой сети не более 16 А. В нашем случае токи на частотах килогерцового диапазона могут достигать 160 А и более.

Ниже приводятся результаты расчетной оценки напряженности поля, создаваемого сварочным кабелем при работе аппарата со знакопеременной формой тока на рабочей частоте 25 кГц.

Будем считать ближней зоной область пространства, которая находится на расстоянии не более 2 м от излучающей антенны (в данном случае – сварочного кабеля). В ближней зоне воздействия электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля принято рассматривать в отдельности [57].

В качестве элементарных источников в теории поля рассматриваются электрический и магнитный вибраторы (проводник длиной l с током I и петля провода длиной l с током I). Расположение в пространстве составляющих электрического Er, E и магнитного H полей элементарного электрического вибратора в сферической системе координат показано на рис. 3.21 [58, 59].

Рисунок 3.21 – Аналогично располагаются составляющие поля магнитного вибратора, если плоскость петли разместить горизонтально и воспользоваться принципом перестановочной двойственности уравнений Максвелла [60].

На рис. 3.22 представлена структура системы, состоящей из источника сварочного тока, имеющего форму знакопеременных импульсов с изменяющейся скважностью и амплитудой 160 А, и двухпроводного сварочного кабеля длиной L, равной 2,6 м. В данной задаче излучающей антенной будет является рамка сложной формы, одна часть которой образована электродом и держателем электрода, другая сварочным аппаратом и кабелем.

Со стороны электрода рамка замыкается сварочной дугой. С помощью такой модели можно оценить значения векторов E и H электромагнитного поля рамки.

Рисунок 3.22 – ИСА знакопеременного тока совместно со сварочным Для теоретической оценки поля рамочной антенны в ближней зоне при обрыве дуги был использован программный пакет ANSYS. Конструктивный модуль ANSYS позволяет, с помощью набора графических примитивов начертить виртуальную модель исследуемого устройства, а расчетный модуль, использующий метод конечных элементов, проводит расчет электромагнитного поля для построенной модели, постпроцессор дает возможность провести обработку и детальный анализ полученных результатов [61, 62].

Виртуальная геометрическая модель рамочной антенны в программе ANSYS представлена на рис. 3.23.

Оценка напряженности электрического поля с учетом угла и длины l была проведена в прямоугольной системе координат для момента обрыва дуги и в режиме горения дуги. Результаты приведены на рис. 3.24 и 3.25.

Рисунок 3.23 – Модель рамочной антенны в программе ANSYS.

Рисунок 3.24 – График зависимости напряженности электрического Рисунок 3.25 - График зависимости напряженности электрического электрического поля в ближней зоне равно 451 В/м (173 дБмкВ/м).

Во втором случае значение напряженности составляет 200 В/м ( дБмкВ/м).

Для экспериментальной оценки поля сварочного кабеля инверторного сварочного аппарата знакопеременного тока были произведены непосредственные измерения на физическом макете сварочного аппарата с кабелем длиной 3 м при максимальном значении сварочного тока 160 А и нагрузке 0,3 Ом на расстоянии 0,1 м от поверхности кабеля. Измерение электромагнитного поля, создаваемого сварочным кабелем осуществлялось с помощью измерителя электромагнитного поля АКТАКОМ АТТ-8509 с широким частотным диапазоном. Измерения проводились в трех точках сварочного кабеля: около зажимов сварочного аппарата, в середине сварочного кабеля, около зажимов нагрузки. Измерения выполнялись датчиком EP-04L в диапазоне частот 100 кГц – 100 МГц. В результате измерений были получены следующие значения напряженности электрического поля:

1) около зажимов сварочного аппарата 100 В/м (160 дБмкВ/м);

2) в середине сварочного кабеля 272 В/м (168 дБмкВ/м);

3) около зажимов нагрузки 200 В/м (166 дБмкВ/м).

Эти значения удовлетворительно коррелируют с расчетным значением напряженности поля, полученным для режима горения дуги (см. рис. 3.25).

В действующем ГОСТ Р 51318.11–99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Радиопомехи индустриальные от промышленных, научных, медицинских и бытовых устройств. Нормы и методы испытаний»

приведены следующие предельные нормы излучаемых индустриальных помех устройств класса В (сварочный инвертор относится к устройствам класса В) табл. 3.3.

Таблица 3.3 – Нормы излучаемых помех от устройств класса В Полоса частот, Электрическая составляющая (квазипиковое значение) при МГц измерительном расстоянии 10 м, дБ (мкВ/м) Из табл. 3.3 видно, что нормы приводятся при расстоянии измерения, равном 10 м. На данном расстоянии прибор АКТАКОМ АТТ-8509 не фиксировал значений напряженности электромагнитного поля (разрешающая способность АТТ-8509 – 0,01 В/м). Фиксация значений начиналась только на расстоянии 1 м и ближе. Следовательно, излучение сварочного кабеля в дальней зоне не представляет опасности с учетом требований ГОСТ. Поскольку обрыв дуги является быстропротекающим процессом, то измерительный прибор АКТАКОМ АТТ-8509 не мог фиксировать изменений значения напряженности поля. Процесс обрыва дуги носит кратковременный характер. В ГОСТ Р 51318.11–99 сказано, что кратковременные индустриальные радиопомехи с частотой повторения менее пяти в минуту не учитываются при измерениях. Можно сделать предположение о том, что процесс обрыва дуги не окажет влияния на ЭМС ИСА знакопеременного тока.

Непосредственно около сварочного кабеля напряженность поля имеет весьма большие значения (451 В/м при обрыве дуги и 272 В/м при ее горении).

которые могут оказывать негативное влияние на работу близкорасположенной электронной техники и, возможно, на организм человека. Но этот вопрос относится к медицине.

3.4. Излучающая способность сварочного трансформатора трансформатора, транзисторных модулей) имеется еще и достаточно сложная система управления, выполненная на элементах слаботочной электроники.

Возникает закономерный вопрос: не будет ли проявляться негативное влияние силовых элементов на слаботочные, т.е. будет ли обеспечен необходимый уровень помехоустойчивости системы автоматики аппарата? При дискретном режиме работы силовых элементов осуществляются коммутация напряжения с высоким значением dv/dt и коммутация тока с большой скоростью его изменения di/dt. Эти коммутационные процессы приводят к появлению в окружающем пространстве электрических и магнитных полей. Природа этих полей меняется с увеличением расстояния от места их возникновения. Около источника помех (в ближней зоне) оба поля должны рассматриваться в отдельности. За границей ближней зоны (в дальней зоне) они образуют единое электромагнитное поле. Если в ближней зоне источник имеет высокое напряжение и малый ток, то результирующее поле будет преимущественно электрическим. Если коммутируется значительный ток при низком напряжении, то вокруг проводящего контура создается магнитное поле.

Известно, что в трансформаторах, работающих в импульсном режиме, индуктивность между вторичной и первичной обмотками (индуктивность рассеяния) является главной причиной возникновения как электрического, так и магнитного поля [63]. В рассматриваемом сварочном инверторе используется тороидальный трансформатор. Согласно [64, 65], магнитное поле такого трансформатора будет полностью сосредоточено внутри тороида и не будет излучаться в окружающее пространство. Поэтому опасность для слаботочных цепей может представлять только электрическое поле трансформатора.

Характерный вид силовых линий электрического и магнитного полей тороидального трансформатора приведен на рис. 3.26.

Рисунок 3.26 – Характерный вид электрического и магнитного полей Требуется оценить, насколько велика напряженность этого поля и не будет ли оно наводить в проводниках платы управления импульсные напряжения, опасные для работы электронных компонент схемы. Задача решалась методами компьютерного моделирования и физического эксперимента.



Pages:   || 2 |
 


Похожие работы:

«Пищалев Константин Евгеньевич Технология высокочастотного индукционного нагрева насадных деталей роторов турбогенераторов и паровых турбин 05.09.10 – Электротехнология Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических наук...»

«Сысолятин Виктор Юрьевич УДК 621.791, 66.028 ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ КОНТРОЛЯ КОЛИЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА ПРИ ПРОТЕКАНИИ ТОКА В ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель –...»

«Фризен Василий Эдуардович ИНДУКЦИОННЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ИННОВАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ Специальность 05.09.10 Электротехнология Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Научный консультант : доктор технических наук, профессор Сарапулов Федор Никитич Екатеринбург 2014 Оглавление Перечень встречающихся сокращений 5 Введение 1. Аналитический обзор...»

«ВДОВИН ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ АДАПТИВНЫЕ АЛГОРИТМЫ ОЦЕНИВАНИЯ КООРДИНАТ БЕЗДАТЧИКОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ РЕГУЛИРОВАНИЯ Специальность: 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – д. т. н.,...»

«Белоусов Евгений Викторович УДК 62-83::621.313.3 ЭЛЕКТРОПРИВОД МЕХАНИЗМА ПОДАЧИ СТАНА ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ ТРУБ с СИНХРОННОЙ РЕАКТИВНОЙ МАШИНОЙ НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ Специальность 05.09.03 – “Электротехнические комплексы и системы” Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель – кандидат технических наук Григорьев М.А. Челябинск – ОГЛАВЛЕНИЕ...»

«БЫСТРОВ АЛЕКСЕЙ ВАДИМОВИЧ РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВЫБОРА СИСТЕМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ ЭКРАНОВ ОДНОЖИЛЬНЫХ СИЛОВЫХ КАБЕЛЕЙ С ИЗОЛЯЦИЕЙ ИЗ СШИТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА НА НАПРЯЖЕНИЕ 6-500 КВ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Хевсуриани И.М. Москва СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1...»

«КОРОВЧЕНКО ПАВЕЛ ВЛАДИСЛАВОВИЧ РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПРЕДПРИЯТИЯ С НЕЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКОЙ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени...»

«МАСЛОВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДУГОВЫМИ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫМИ ПЕЧАМИ, СНИЖАЮЩИХ ПОЛОМКИ ЭЛЕКТРОДОВ Специальность 05.09.10 – Электротехнология Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель : доктор технических наук, профессор Рубцов В.П. Москва, ВВЕДЕНИЕ...»

«Михалев Сергей Владимирович СИСТЕМА ПОДДЕРЖАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ РАБОТЫ СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ 6-10кВ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель : д.т.н., профессор...»

«Григорьев Максим Анатольевич УДК 62-83::621.313.3 СИНХРОННЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С НЕЗАВИСИМЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ПО КАНАЛУ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ПРЕДЕЛЬНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ И ПЕРЕГРУЗОЧНЫМ СПОСОБНОСТЯМ Специальность 05.09.03 – “Электротехнические комплексы и системы” Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук Научный консультант – доктор технических наук,...»

«ТАРАНОВ Сергей Игоревич СТРУКТУРА И СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ И ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ГОРНО–ТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСА Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических...»

«Иванов Александр Николаевич ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ УСИЛИЙ В УСТРОЙСТВАХ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ОТ ИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ Специальность: 05.09.10 – Электротехнология Диссертация на соискание учной степени кандидата технических...»

«КАБАЛИН ЕГОР ИВАНОВИЧ РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА СИСТЕМЫ ДВУХКОНТУРНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ТИГЛЕЙ ВАКУУМНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧЕЙ Специальность 05.09.10 - Электротехнология Диссертация на соискание учной степени кандидата технических наук Научный руководитель : д. т. н., профессор Кувалдин А.Б. Москва -...»

«Лукпанов Женисбек Кожасович Электропривод нефтеперекачивающих станций с преобразователями частоты 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель : Сагитов П.И. Алматы, 2007 41 Алматы, 2005 Содержание Введение.. 1 Исследование технологических особенностей работы мощных электроприводов нефтеперекачивающих насосных станций. 1.1 Способы...»

«ПАПШЕВ Вячеслав Андреевич МОДИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОПЛАЗМЕННЫХ БИОКЕРАМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ЛАЗЕРНЫМ ИКИЗЛУЧЕНИЕМ С УЛУЧШЕНИЕМ ИХ ФИЗИКОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ Специальность 05.09.10 – Электротехнология Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель : д.т.н., проф. Лясников В.Н. Саратов – 2014 2 Содержание: Введение 1. Современное состояние вопроса совершенствования...»

«ДИЁРОВ РУСТАМ ХАКИМАЛИЕВИЧ ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ГИДРОАГРЕГАТА МИНИ-ГЭС НА ОСНОВЕ МАШИНЫ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – к.т.н., доцент...»

«РАДЬКО Сергей Иванович РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАРОВОДЯНОГО ПЛАЗМОТРОНА Специальность: 05.09.10 – Электротехнология Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – доктор технических наук,...»

«Белоусов Евгений Викторович УДК 62-83::621.313.3 ЭЛЕКТРОПРИВОД МЕХАНИЗМА ПОДАЧИ СТАНА ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ ТРУБ Специальность 05.09.03 – “Электротехнические комплексы и системы” Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель – кандидат технических наук Григорьев М.А. Челябинск – 201 ОГЛАВЛЕНИЕ Оглавление Введение Глава 1. Анализ работы стана ХПТ...»

«ШЕВЧУК Антон Павлович ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГРУППОВОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ В УСЛОВИЯХ ТЕРРИТОРИАЛЬНО РАССРЕДОТОЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОПОТРЕБИТЕЛЕЙ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы...»

«Махалин Александр Николаевич ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ОБЪЕКТОВ ГАЗОТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук НАУЧНЫЙ...»







 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.