Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы обеспечения электромагнитной совместимости статических преобразователей с импульсным регулированием 12
1.0. Введение 12
1.1. Инверторные преобразователи электрической энергии с широтно-импульсным регулированием 12
1.2. Виды, классификация и причины появления помех в инверторных преобразователях 18
1.3. Требования по обеспечению электромагнитной совместимости преобразовательных устройств 24
1.4. Цель диссертации и постановка задачи 29
Глава 2. Источники, причины и характер электрических и электромагнитных помех в сварочном инверторе знакопеременного тока 30
2.0. Введение 30
2.1. Инверторный сварочный аппарат знакопеременного тока 30
2.2. Причины, источники и характер помех в инверторном сварочном аппарате знакопеременного тока 32
2.3. Компьютерная модель сварочного инвертора 39
2.4. Выводы 43
Глава 3. Теоретическое и экспериментальное исследование помех в инверторном сварочном аппарате 45
3.0. Введение 45
3.1. Спектральный состав тока ИСА и его зависимость от элементов схемы и режима работы 45
3.2. Кондуктивные помехи и их исследование 54
3.3. Излучающая способность сварочного кабеля
3.4. Излучающая способность сварочного трансформатора 69
3.5. Выводы 76
Глава 4. Коэффициент полезного действия ИСА и его связь со спектральным составом тока 79
4.0. Введение 79
4.1. Зависимость КПД от факторов режима и конструктивных элементов ИСА 79
4.2. Оптимизация КПД по критерию ЭМС 87
4.3. Методические рекомендации по расчетной оценки ЭМС инверторных источников тока 91
4.4. Выводы 96
Заключение 98
Список сокращений и условных обозначений 103
Библиографический список использованной литературы
- Инверторные преобразователи электрической энергии с широтно-импульсным регулированием
- Требования по обеспечению электромагнитной совместимости преобразовательных устройств
- Причины, источники и характер помех в инверторном сварочном аппарате знакопеременного тока
- Кондуктивные помехи и их исследование
Введение к работе
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 электромагнитных помех. Уровень таких помех в соответствии с действующими стандартами должен быть ограничен.
В последние два десятилетия в области сварочного приборостроения
четко прослеживается тенденция перехода от громоздких
трансформаторно-дроссельных 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 25-50 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.
-
Изучить причины возникновения электрических помех в аппарате, их уровень и спектральный состав для оценки соответствия этих показателей требованиям стандартов по ЭМС.
-
Определить спектр излучения сварочного кабеля как возможного источника электромагнитных помех, представляющих опасность для внешних технических устройств.
3. Установить количественные показатели поля излучения
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 выступает транзисторный инвертор знакопеременного тока повышенной частоты.
Предметом исследования являются причины, характер и
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.
-
Предложенная компьютерная модель сварочного инвертора, 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.
-
Предложенная компьютерная модель сварочного кабеля как излучающей антенны, создающей в окружающей среде электромагнитное поле. Результаты исследования излучающей способности сварочного кабеля, полученные путем компьютерного моделирования и физического 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 паразитных параметров элементов и конструктивных особенностей аппарата.
-
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.
-
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. Предложенная методика 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.
Реализация и внедрение результатов работы. Полученные
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.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на V
Международной конференции «Методы и средства управления
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 научно-практической 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 научно-практической 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 введение, четыре главы основного материала, заключение и список использованной литературы. Объем работы составляет 108 страниц, 63 иллюстрации, 10 таблиц. Список использованной литературы содержит 67 наименований.
Инверторные преобразователи электрической энергии с широтно-импульсным регулированием
В двухтактной полумостовой схеме (рис. 1.3, б) за счет емкостного делителя (С2, СЗ) напряжение на каждом из транзисторов и на первичной обмотке трансформатора равно полному напряжению на емкости СІ. В такой схеме также необходимо предусмотреть «мертвое время».
В однотактном прямоходовом преобразователе транзисторы VT1 и VT2 открываются и закрываются одновременно - следовательно отсутствует опасность сквозного тока. На транзисторах в запертом состоянии напряжение не превышает 0,5Uex. 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 индуктивно-емкостных 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].
Виды, классификация и причины появления помех в инверторных преобразователях. 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).
Требования по обеспечению электромагнитной совместимости преобразовательных устройств
Токи заряда-разряда конденсатора, возникающие вследствие 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/MOSFET-транзисторов. 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 Д V = L dic/dt относительно напряжения шины питания VDC, где dic/dt - скорость спада тока коллектора. Суммарное напряжение коллектор-эмиттер VQE = VDC + AF 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 IGBT-транзисторы. Для наглядности эквивалентная схема VT1 и VT2 условно изображена в виде ключа S1 с активным проходным сопротивлением Rosom т0 есть с сопротивлением открытого канала «сток-исток» IGBT. Там же изображены типовые внутренние паразитные емкости транзисторов: - Cos - входная емкость (емкость затвор-исток); CDS - выходная емкость (емкость сток-исток); - CDG - емкость обратного переноса или емкость Миллера (емкость сток затвор). Антипараллельный диод VD1 в эквиваленте транзистора VT1 представлен источником обратного тока іобрюі, изменяющимся в функции напряжения и времени. В установившемся закрытом состоянии его значение определяется справочными данными (Іобртах)- При скачке обратного напряжения на прямосмещенном до этого момента диоде ток i06pVDi определяется протекавшим до этого прямым током.
Параметры быстродействия IGBT в процессе переключения определяются указанными величинами емкостей, причем: входная емкость Cos определяет время задержки при включении и частично при выключении; емкость Миллера CDG 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 Cos CDS CDG, причем CG s ЮОО пФ (1000-8340 пФ), a CDG 500 пФ (8-470 пФ). Соответственно, величины времен нарастания/спада находятся в пределах (10-90 нс)/(12-100 не).
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 теплопроводностью. Возможен также вариант, когда VT1 и VT2 устанавливаются на радиатор, который сам изолирован от корпуса. Но в любом случае между стоком VT1, VT2 и корпусом есть паразитная емкость C„i большей или меньшей величины. Именно через эту емкость протекает на корпус ток несимметричной помехи, величина которого определяется выражением іуг = С„і (dUos/dt). Если взять реальные значения C„i =100 пФ, dUns = 400 В, dt = 0,1 мке, то іут = 0,4 А - существенная величина. Поэтому основное средство уменьшения величины іуг - это уменьшение величины паразитной емкости C„i 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.
Высокочастотный трансформатор представляет собой многочастотную резонансную систему, поскольку наличие индуктивности первичной обмотки (LM - 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 (20-100 кГц) с учетом применения быстродействующих транзисторов обострился интерес к минимизации паразитных параметров силовых трансформаторов. Это связано со стремлением снизить динамические потери мощности в силовых ключах, а также с желанием уменьшить уровень создаваемых электромагнитных помех, который пропорционален этим потерям. Так, например, индуктивность рассеяния Ls можно снизить, применяя тороидальный трансформатор с секционированием обмоток [46]. Также естественным вопросом, возникающим при рассмотрении особенностей работы 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 Ы представлен эквивалентом RL1-Ll-Cu. Через цепь L1-ZH-Lc2 протекает ток ісм2 симметричной помехи, обусловленной особенностью функционирования компонентов VT1, VT2, Т. Величина этого тока зависит от напряжения помех на входе дросселя Ы и параметров дросселя L1, включая упомянутые паразитные параметры [47].
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 компонентов-блоков, путем соединения которых между собой составляются функциональные модели устройств и систем
Причины, источники и характер помех в инверторном сварочном аппарате знакопеременного тока
Во втором случае значение напряженности составляет 200 В/м (166 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);
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.
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.
В сварочном инверторе кроме силовых узлов (сварочного 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. тороидального трансформатора.
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.
В последнее время появляются все больше интегрированных сред проектирования, предоставляющих доступ к широкому набору вычислительных технологий, объединяющих средства анализа схем и физических эффектов. Одной из такой сред является ANSYS - пакет для моделирования статических и низкочастотных электромагнитных полей в таких устройствах, как датчики, трансформаторы, электромеханические измерительные головки, экранирующие конструкции. Здесь имеется возможность анализа электромагнитных полей, вихревых и поверхностных токов.
В данной геометрической модели должны быть учтены размеры сердечника сварочного трансформатора, геометрические параметры обмоток и число их витков. После создания геометрической модели в ANSYS задаются электрические параметры и свойства материалов. Так, для сердечника ГМ42ДС зададим магнитную проницаемость (10 000), магнитную индукцию 0,7 Тл. Число витков первичной обмотки 30 (сечение провода 4 мм ), вторичной - 10 (10 мм ). Максимальный ток первичной обмотки 16 А, вторичной - 160 А. Для провода обмотки выбираем материал - медь. Пространство, в которой решается задача, - воздух. После этого запускаем задачу на расчет. В конце расчета получаем картину и максимальные значения полей Е и Н в ближней зоне в плоскостях XZ (горизонтальное сечение) и XY (вертикальное сечение).
Кондуктивные помехи и их исследование
Теперь необходимо обратится к спектру кондуктивных помех в данном диапазоне частот и при заданной скважности, и посмотреть, наблюдается ли превышение норм ГОСТ при таких характеристиках тока и КПД. Спектр и энергетический уровень кондуктивных помех были оценены в главе 3. На рис. 4.12 дано графическое отображение уровня КПД и плоскости, определяющей предельное допустимое значение кондуктивных помех. Из этого следует, что для приведенных условий работы ИСА требования по ЭМС будут соблюдены при максимальном значении КПД. 0,94—
Основная проблема при обеспечении ЭМС технических средств - это недостаточная подготовка и осведомленность большинства разработчиков электротехнических устройств в этой области, поскольку она находится на стыке классической радиотехники, электропреобразовательной техники, дискретной схемотехники, конструирования и др. Это усложняет подготовку специалистов по ЭМС, и каждый разработчик электротехнической и электронной аппаратуры при решении проблемы ЭМС руководствуется лишь собственным опытом.
Для экспериментальной проверки электромагнитной совместимости технического средства требуется специально оборудованная лаборатория с дорогостоящим оборудованием. Не любой производитель технических средств может иметь в рамках своего предприятия такую лабораторию. Поэтому производители обращаются в специализированные аттестованные лаборатории по ЭМС, сотрудники которых проводят необходимые измерения и выносят решения о соответствии технического средства требованиям соответствующих стандартов. Но сотрудники испытательной лаборатории не оказывают никакой помощи разработчикам технического средства в выявлении причин несоответствия нормам стандартов и поиске путей решения проблемы. Разработчики технических устройств нередко вынуждены неоднократно проходить такие испытания, что связано с определенными материальными затратами. Снизить эти затраты и повысить шансы на успешное прохождение сертификации по ЭМС в некоторой степени позволяет предварительная расчетная оценка ЭМС аппарата.
В настоящее время существует множество прикладных программ моделирования электрических схем, таких как Matlab, LTSpice, Multisim и др. С их помощью можно смоделировать большинство электрических схем, поскольку то, что не сможет одна моделирующая среда, сможет другая. Таким образом, используя два-три инструмента, можно перекрыть все потребности инженеров-разработчиков. Однако существуют некоторые специфические задачи, которые требуют специальных методик решений. Одна из них - это оценка помехоэмиссии, без чего оценить уровень ЭМС технического устройства невозможно. Предлагаемая методика расчетной оценки ЭМС как сварочных инверторов, так и других преобразовательных устройств позволяет ускорить и удешевить процесс разработки таких устройств по следующим причинам: 1) для расчетной оценки ЭМС не требуются дорогостоящее оборудование и квалифицированный персонал; 2) на стадии проектирования есть возможность уменьшить уровень ЭМП технических средств простыми схемотехническими решениями, не прибегая к дополнительным и усложняющим схему многозвенным фильтрам; 3) всегда существует вероятность выхода из строя технического средства и измерительного оборудования в процессе натурных испытаний. Суть решения этой задачи можно представить в виде последовательных этапов: 1. На первом этапе осуществляется анализ схемотехнического решения аппарата и его отдельных компонентов для предварительного выявления мест и причин возможного появления электрических помех. 2. На втором этапе составляется эквивалентная расчетная электрическая схема аппарата с учетом паразитных параметров конструктивных компонентов. Известно, что основными причинами возникновения электрических (кондуктивных) и электромагнитных помех в силовых преобразовательных устройствах являются коммутационные процессы в силовых цепях, обусловленные ключевым режимом работы активных элементов с высокими скоростями изменения токов и напряжений. Прежде всего необходимо учесть распределенные паразитные емкости и индуктивности соединительных шин, трансформаторных и дроссельных элементов силовой цепи, емкости между элементами конструкции и корпусом прибора. Также должны быть учтены межобмоточные емкости силового трансформатора, паразитные емкости между транзисторным модулем и корпусом, а также между транзистором и его радиатором. Пример такой схемы для инверторного преобразователя с выходом на переменном токе приведен на рис. 2.3.
Построенная таким образом компьютерная модель аппарата уже позволяет сделать предварительную (грубую) оценку спектра и уровня кондуктивных помех. Для более «тонких» расчетов в модель могут быть введены параметры транзисторов, определяющие динамику включения и выключения, а также реактивные паразитные параметры других элементов силовой схемы: резисторов, конденсаторов, диодов. Это можно осуществить путем внесения в модель схемы замещения MOSFET- или IGBT- транзистора. Примеры таких моделей приведены на рис. 4.13, 4.14, а усредненные количественные значения элементов этих моделей - в табл. 4.4, 4.5.
