COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA IN SISTEME ELECTROMECANICE ELEMENTELE UNEI PROBLEME CEM PERTURBATII ELECTROMAGNETICE IN SEM

Transcript

1 COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA IN SISTEME ELECTROMECANICE NOTIUNI INTRODUCTIVE ELEMENTELE UNEI PROBLEME CEM CONCEPTE DE BAZA IN CEM PERTURBATII ELECTROMAGNETICE IN SEM SEM - CURS 10 1

2 NOTIUNI INTRODUCTIVE Interferenta electromagnetica actiunea unor fenomene electromagnetice asupra circuitelor electrice, aparatelor, sistemelor si fiintelor vii (VDE 0870). Compatibilitatea electromagnetica Capacitatea unui dispozitiv electric de a funcționa satisfăcător în mediul sau electromagnetic fără ca acest mediu, care aparține şi altor dispozitive, să fie inadmisibil perturbat.(vde 0870). Imunitatea electromagnetica este aptitudinea unui aparat, echipament sau sistem de a functiona la parametrii proiectati in prezenta perturbatiilor electromagnetice SEM - CURS 10 2

3 SURSA DE PERTURBATII (EMITATOR) CANAL DE TRANSMITERE ELEMENTELE UNEI PROBLEME CEM SISTEM PERTURBAT (RECEPTOR) a reduce perturbatiile sursei la valori admisibile A asigura compatibilitatea electromagnetica a dota aparatele, echipamentele si sistemele cu un grad de imunitate rezonabil asigurand la instalarea aparatelor, echipamentelor si sistemelor, masurile necesare SEM - CURS 10 3

4 CLASIFICAREA PERTURBATIILOR ELECTROMAGNETICE NIVELUL APARIȚIEI PERTURBAȚIEI ÎN : INTERFERENŢE INTRASISTEM, de origine internă. ELEMENTUL PERTURBATOR (EMIŢĂTORUL) ELEMENTUL PERTURBAT (RECEPTORUL) INTERFERENŢE INTERSISTEM, de origine externă. ELEMENTUL PERTURBATOR (EMIŢĂTORUL) ELEMENTUL PERTURBAT (RECEPTORUL) SEM - CURS 10 4

5 INTENSITATEA INTERFERENTEI INTERFERENTE REVERSIBILE, precum pierderea temporara a inteligibilităţii la convorbirile telefonice, pocniturile care apar la comutarea aparatelor electrocasnice; în practică, acestea se împart în: interferente care produc reduceri de funcționalitate, încă admisibile; interferente care conduc la o funcționare eronată, inadmisibilă. INTERFERENTE IREVERSIBILE, precum distrugerile unor componente electronice de pe cablajele imprimate datorită încărcării electrostatice, sau ale distrugerilor provocate aparatelor sau circuitelor electrice datorate supratensiunilor determinate de trăznet SEM - CURS 10 5

6 SURSE DE INTERFERENTA NATURALE TERESTRE ARTIFICIALE EXTRATERESTRE INTENTIONATE NEINTENTIONATE Fulgere Radiatii Descarcari in gaze in atmosfera Radiatia solara, Zgomotul galactic Raze cosmice Sisteme de telecomunicatii, sol-sol, sol-satelit Sisteme de transmisiuni de date interconectate terestre si prin satelit Sisteme de transmisiuni radio, TV, PTT Sisteme de operare in domeniul militar Sistemele energetice de producere si transport energie electrica Sistemele industriale electrotehnice Sistemele de tractiune electrica Aparatura electrocasnica SEM - CURS 10 6

7 SISTEME PERTURBATE sisteme de telecomunicatii, sol-sol, sol-satelit; sisteme de transmisiuni de date interconectate terestre si prin satelit; sisteme de transmisiuni radio, TV, PTT; sisteme de operare in domeniul militar; echipamente de tehnica medicala; sisteme de semnalizare si control ale traficului feroviar, fluvial, maritim, aerian, etc SEM - CURS 10 7

8 CANALE DE TRANSMITERE prin conductie in camp apropiat prin inductie electromagnetica prin inductie electrostatica prin radiatie in camp indepartat prin radiatie electromagnetica SEM - CURS 10 8

9 CANALE DE TRANSMITERE A PERTURBATIILOR ELECTROMAGNETICE. Interferenta in camp apropiat Sursa de interferenta electromagnetica C B M Transportul energiei prin spatiu are loc sub forma undelor electromagnetice A L e R e Interferenta conductiva datorata portiunilor comune de circuit Interferenta in camp indepartat SEM - CURS 10 9 C

10 CONCEPTE DE BAZA IN COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA PAMANTARE (PE): punere la pamant pentru pentru protectia oamenilor, animalelor si bunurilor conductorul de pamantare e parcurs de curent numai in caz de defect MASA(N) conductorul de referinta comun al circuitelor electrice conductorul de referinta conduce curentul de lucru si reprezinta, cel mai adesea, conductorul comun de intoarcere la sursa SEM - CURS 10 10

11 CIRCUITE DE CURENTI TARI N Statie de transformare R S T N, pământare N, pământare R S T N pământare Bara de potentializare R A R B Sistem de conducte metalice ingropate Priza de pământ de adancime Consumator trifazat Carcasa Consumator monofazat SEM - CURS 10 11

12 CIRCUITE DE CURENTI SLABI U B U 1 U 2 R a U 2 R V R i U 1 R i R i Masa comună Conductor de masă SEM - CURS 10 12

13 0V PUNCT DE MASA CENTRAL CU LEGATURI RADIALE 0V PUNCT DE MASA CENTRAL CU BARA COLECTOARE SEM - CURS 10 13

14 CIRCUITE DE SEMNAL ELECTRONICA DE PUTERE, RELEE BLOCURI ELECTRONICE, CELULE PUNCT DE MASA CU GRUPAREA UNITATILOR FUNCTIONALE SIMILARE SEM - CURS 10 14

15 SUBSISTEM I SUBSISTEM II SUBSISTEM III PUNCT DE MASA SI MASA DISTRIBUITA SEM - CURS 10 15

16 PERTURBATIILE DE MOD NORMAL : Conductor activ 1 apar intre conductoarele de ducere si de intoarcere ale circuitelor, respectiv intre bornele de intrare ale sistemelor perturbate I 1 I MN U sursă Z S Z R I MN Conductor activ 2 I 2 U P = U MN Z R Z + R Z S Curentii perturbatori de mod normal au, pe traseul de ducere si de intoarcere, aceeasi directie ca si curentii produsi de semnalul util. Perturbatiile de mod normal apar, in majoritatea cazurilor, prin cuplaj magnetic SEM - CURS 10 16

17 PERTURBATIILE DE MOD COMUN : isi au originea in sursele de perturbatii care apar pe fiecare din conductoarele de semnal fata de masa de referinta Conductor activ 1 I 1 I MN U sursă Z S Z R U 1masă I MC2 U 2masă Conductor activ 2 I 2 Z 1masă Z 2masă I MC Masă de referinţă SEM - CURS 10 17

18 PERTURBATII IN SEM SEM - CURS 10 18

19 SISTEME DE ACTIONARE ELECTRICA Alimentare Convertor de putere Interferente de mod normal si de mod comun Armonici Masina electrica Interferente radiative Sarcina SEM - CURS 10 19

20 MASINI DE CURENT CONTINUU Pozitie comutatorului si tensiune intre doua lamele adiacente SEM - CURS 10 20

21 Generarea arcului Peria deschide o bobina initial scurtcircuitata Arcul electric la comutator Analiza spectrala a radiatiei perturbatoare SEM - CURS 10 21

22 MASINI DE C.A. ALIMENTATE DE LA RETEA Main Circuit Breaker Switches Thermal relay MASINI DE INDUCTIE Thermal element Inchiderea sau deschiderea contactelor Cablurile de alimentare Pamantare Auxiliary switch Coil Relay contact SEM - CURS 10 22

23 MASINI DE C.A. ALIMENTATE PRIN CONVERTOARE DE PUTERE Motoarele alimentate prin convertoare de putere sunt de obicei mai zgomotoase decat cele alimentate direct de la retea Functionarea masinilor asincrone alimentate prin invertoare de putere este intotdeauna insotita de interferente de inalta frecventa determinate in particular de curentii paraziti de mod normal si mod comun. Produse de armonici de frecventa ridicata Generate de comutatia semiconductoarelor Pot afecta functionarea sistemelor de telecomunicatii sau cablurile de semnal paralele cu cablurile de alimentare precum si dispozitivele de curenti slabi SEM - CURS 10 23

24 MASINA ELECTRICA Carcasa masinii Capacitati parazite intre spire Arborele masinii Miezul statoric Bila de rulment Capacitati parazite datorita lagarelor Inel exterior Inel interior SEM - CURS 10 24

25 Modelul de inalta frecventa al masinii de inductie Faza Z fn Neutru Evaluare experimentala Z fp /2 Z fp /2 Pamantare Z fn Z fp Neutru Pamantare SEM - CURS 10 25

26 Evaluare teoretica Coil conductor (N turns) Air MAgnetic core Air D h d w D c h d g +2d a h D s Topologia bobinei si o sectiune transversala a unei crestaturi R P1 R P2 L 1 R L1 R L2 L 2 R L1, R L2 - rezistenta echivalenta in c.a. R p1, R p2 echivalentul pierderilor in fier C 1 R C1 R C2 C 2 C 1, C 2 capacitatea bobina-bobina C g R g C g R g C g capacitatea bobina-carcasa R c1, R c2, R g modeleaza fenomenele disipative datorate curentilor capacitivi de inalta frecventa si pierderilor in dielectrici Circuit echivalent de inalta frecventa al unei bobine SEM - CURS 10 26

27 Amplitudinea impedantei faza-faza Circuit echivalent de inalta frecventa al unei masini de inductie trifazate Amplitudinea impedantei fazapamant SEM - CURS 10 27

28 f C p p L C s R P R n C p Circuitul echivalent simplificat pentru o faza a masinii Z Z fp fn = = 2 3 s L 6sC s p 2 L s d 2 d C ( C + C ) L d s s C C + 2 s sl d p p C + 2 L + s R L + s R p d P d P + 1 L + s R + 1 d P + 1 P [kw] C P [nf] L [mh] SEM - CURS R P [kω]

29 Schema echivalenta de inalta frecventa a unei celule de convertor de putere R W1 L W1 heatsink R G1 L D1 C g1 L WC R G1 Supply V G1 Supply C EL C CE R C EL C CE R G2 L C R L EL R EL V L G1 CE R CE L S1 L SD L D2 C g2 R G2 L C V G2 R C V G2 L S2 R C R W2 L W2 Load Load SEM - CURS 10 29

30 Curent de mod normal R W1 L W1 Heatsink I MN L D1 C g1 L WC C CE C EL R L EL R EL L CE R CE L S1 L SD Load L D2 C g2 L C I MN R W2 L W2 L S2 R C U [dbµv] Frequency [Hz] SEM - CURS 10 30

31 Curent de mod comun I MC1 R W1 L W1 L D1 C g1 Radiato r L WC C EL C CE L Wp R L EL R EL L CE R CE L S1 L SD L D2 C g2 R Wp L C L S2 R C R W2 L W2 I MC2 Load U [dbµv] Frequency [Hz] SEM - CURS 10 31

32 Curenti de mod comun Curenti de mod normal Armonici Interferente radiative AC/DC converter DC/AC converter Connectors Electrical machine Ground Differential-mode current Common-mode current SEM - CURS 10 32

33 V 1 (1,0,0) V 2 (1,1,0) V 3 (0,1,0) V 0 (0,0,0) V 7 (1,1,1) V 6 (1,0,1) V 5 (0,0,1) V 4 (0,1,1) Voltage inverter Transition 1 2 State 1 (1,0,0) State 2 (1,1,0) V a V dc /2 V a V dc /2 V a 0 V b -V dc /2 V b V dc /2 V b V dc V c -V dc /2 V c -V dc /2 V c 0 V ab -V dc V ab 0 V ab V dc V bc 0 V bc -V dc - V bc V cd V ca -V dc V ca -V dc V ca 0 SEM - CURS 10 33

34 Connectors Electrical machine windings Connectors Electrical machine windings Grounding connector Grounding connector Curenti de mod normal Curenti de mod comun SEM - CURS 10 34

35 Evaluarea experimentala a curentilor de mod normal si mod comun in sisteme de actionare cu masini de inductie Caile curentilor de mod comun SEM - CURS 10 35

36 Mdul de aranjare a senzorilor de curent pe partea de curent continuu Modul de aranjare a senzorilor de curent pentru partea de curent alternativ SEM - CURS 10 36

37 3I DM at AC side 3I CM at AC side 2I SEM - CURS CM at DC side 10 37

38 CURENTI DE LAGAR SI POTENTIALUL DE ARBORE La functionarea sub 50hz, potentialul arborelui si curentii de lagar au 3 surse de baza: Inductie electromagnetica: datorata disimetriilor din circuitul rotoric si al campului in intrefier. Cuplaje electrostatice: posibile acumulari de sarcini datorate surselor interne. Uplaje electrostatice externe: datorate diferitelor surse externe (frecarea intre curele, de exemplu) Nesimetrii Excentricitati rotorice Flux homopolar Flux axial diferit de zero Potential de arbore SEM - CURS 10 38

39 Masini alimentate prin convertoare Pe langa cele prezentate anterior exista si surse datorate formei tensiunii/curentului de alimentare SEM - CURS 10 39

40 Potentialul de arbore Curenti de lagar Curenti de descarcare electrostatica Datorati disimetriilor sau excentricitatilor Datorati comutatiei SEM - CURS 10 40

41 Caile de curenti de inalta frecventa SEM - CURS 10 41

42 Probleme legate de curentii de lagar Cratere in calea de rostogolire a bilelor Deteriorarea caii de rulare a bilelor SEM - CURS 10 42

43 ARMONICI SEM - CURS 10 43

44 SEM - CURS 10 44

45 Masini electrice π/3 Faza 2 Faza 1 Faza 3 Faza 2 Faza 1 Faza 3 π/18 x N A B C Schema de conexiuni a unei masini de inductie Distributia solenatiei Θ Θ s ν s ν ( t, x) = ( t, x) = s 6N s Ia p πν s 6N s Ia p πν 3 b= 1 3 b= 1 τ cb sin ν τ p τ cb sin ν τ p π νπ sin ωt x, ν = 6k τ p π νπ sin ωt + x, ν = 6k 1 2 τ p Armonici de spatiu ale solenatiei SEM - CURS 10 45

46 Solenatia rotorica Θ ( α, t) = ν Z r I rν,max π k= 1 γ = 1 1 πγ sin sin γ Zr Frecventele armonicelor induse in curentul statoric Harmonic order (γ) f stator Frequency [Hz] { γα ± s ωt + ( γ mνp) } Zr = γ (1 s) ± 1 p [db] Spectrul curentului statoric SEM - CURS ν f 50Hz 637Hz 1424Hz f[hz]

47 Convertoare Redresoare necomandate Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y SEM - CURS 10 47

48 Redresoare comandate SEM - CURS 10 48

49 Redresoare cu IGBT SEM - CURS 10 49

50 Utilizarea unei bobine de netezire SEM - CURS 10 50

51 THD 5th harmonic 7th harmonic 11th harmonic 13th harmonic 17th harmonic 19th harmonic 1 high impedance line inductor 2 şi 3 low impedance line inductor 4 without line inductor SEM - CURS 10 51

52 Filtre pasive de atenuare a armonicilor Pe un singur brat Pe mai multe brate SEM - CURS 10 52

53 Filtre active SEM - CURS 10 53

54 Sisteme de tractiune electrica Vehicule autonome Vehicule neautonome Vehiculul insusi Instalatii fixe Vehiculul insusi Substatii Fideri Calea de rulare INTERFERENte Radiative Capacitive Inductive Conductive SEM - CURS 10 54

55 SEM - CURS 10 55

56 Campuri electromagnetice asociate sistemelor de transport Influente asupra lucratorilor, vatmanilor, calatorilor Perturbatii ale echipamentelor din apropiere Washington Metro subway: µT at floor level in the centre of the passengers areas, field due to RF suppression coils carrying currents up to 600 A. Local and long distance electrified trains in Finland: µT for passengers, µT for workers, and magnetic field level over a frequency range of 10Hz to 2 khz. 25 Hz AC electrified system, USA: µT for workers,10µt for passengers SEM - CURS 10 56

57 Valoarea media si maxima a campului magnetic (µt) masurate in 10 tipuri de sisteme de transport SEM - CURS 10 57

58 Cuplare capacitiva Cuplare statica, atunci cand componentele unui sistem de tractiune de inalta tensiune produc un camp electrostatic Catenary d 1 b b d d 2 d 3 c c Low voltage electric line U LE = U b= 6.5m; c= 6m; r fc = 6mm; U catenar = 25 KV d = 10m LC d2+ ( b+ c) ln d2+ ( b c ) 2ln r 2b fc Catenary 2 2 C LC,0 C LC,LE C LE,0 U LVEL = 1.56 KV Low voltage electric line SEM - CURS 10 58

59 Cuplare inductiva TEM longitudinala E = ωlmki catenary R LC I LC I LE = 0 L LC Catenary R LE L LE Low voltage electric line U LC R S ll S I S E l Railway track Earth Equivalent circuit for EMI analysis in AC traction systems SEM - CURS 10 59

60 TEM transversala Third rail I ν, magnitude of the νth harmonic of the current x h r P d e E ν = ων Ψν = µ 0 I ν lf ν ln h 2 + ( d + e) h 2 + d 2 2 B P Railway tracks SEM - CURS 10 60

61 Automotive SEM - CURS 10 61

62 SEM - CURS 10 62