COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA IN SISTEME ELECTROMECANICE NOTIUNI INTRODUCTIVE ELEMENTELE UNEI PROBLEME CEM CONCEPTE DE BAZA IN CEM PERTURBATII ELECTROMAGNETICE IN SEM 2009-2010 SEM - CURS 10 1
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. 2009-2010 SEM - CURS 10 2
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 2009-2010 SEM - CURS 10 3
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) 2009-2010 SEM - CURS 10 4
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. 2009-2010 SEM - CURS 10 5
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 2009-2010 SEM - CURS 10 6
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. 2009-2010 SEM - CURS 10 7
CANALE DE TRANSMITERE prin conductie in camp apropiat prin inductie electromagnetica prin inductie electrostatica prin radiatie in camp indepartat prin radiatie electromagnetica 2009-2010 SEM - CURS 10 8
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 2009-2010 SEM - CURS 10 9 C
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. 2009-2010 SEM - CURS 10 10
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 2009-2010 SEM - CURS 10 11
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 2009-2010 SEM - CURS 10 12
0V PUNCT DE MASA CENTRAL CU LEGATURI RADIALE 0V PUNCT DE MASA CENTRAL CU BARA COLECTOARE 2009-2010 SEM - CURS 10 13
CIRCUITE DE SEMNAL ELECTRONICA DE PUTERE, RELEE BLOCURI ELECTRONICE, CELULE PUNCT DE MASA CU GRUPAREA UNITATILOR FUNCTIONALE SIMILARE 2009-2010 SEM - CURS 10 14
SUBSISTEM I SUBSISTEM II SUBSISTEM III PUNCT DE MASA SI MASA DISTRIBUITA 2009-2010 SEM - CURS 10 15
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. 2009-2010 SEM - CURS 10 16
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 2009-2010 SEM - CURS 10 17
PERTURBATII IN SEM 2009-2010 SEM - CURS 10 18
SISTEME DE ACTIONARE ELECTRICA Alimentare Convertor de putere Interferente de mod normal si de mod comun Armonici Masina electrica Interferente radiative Sarcina 2009-2010 SEM - CURS 10 19
MASINI DE CURENT CONTINUU Pozitie comutatorului si tensiune intre doua lamele adiacente 2009-2010 SEM - CURS 10 20
Generarea arcului Peria deschide o bobina initial scurtcircuitata Arcul electric la comutator Analiza spectrala a radiatiei perturbatoare 2009-2010 SEM - CURS 10 21
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 2009-2010 SEM - CURS 10 22
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. 2009-2010 SEM - CURS 10 23
MASINA ELECTRICA Carcasa masinii Capacitati parazite intre spire Arborele masinii Miezul statoric Bila de rulment Capacitati parazite datorita lagarelor Inel exterior Inel interior 2009-2010 SEM - CURS 10 24
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 2009-2010 SEM - CURS 10 25
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 2009-2010 bobine SEM - CURS 10 26
Amplitudinea impedantei faza-faza Circuit echivalent de inalta frecventa al unei masini de inductie trifazate Amplitudinea impedantei fazapamant 2009-2010 SEM - CURS 10 27
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] 1.1 4 4 7.5 7.5 15 15 30 C P [nf] 0.250 0.653 0.797 0.739 1.000 1.100 1.790 2.210 L [mh] 33 1.650 0.096 0.530 2009-2010 SEM - CURS 10 28 55 2.17 0.186 0.295 28.12 7.96 8.86 3.46 12.97 1.62 0.775 0.453 R P [kω] 17.49 5.28 5.10 3.69 7.32 2.95 0.885 0.465
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 2009-2010 SEM - CURS 10 29
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] 2009-2010 SEM - CURS 10 30
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] 2009-2010 SEM - CURS 10 31
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 2009-2010 SEM - CURS 10 32
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 2009-2010 ca -V dc V ca -V dc V ca 0 SEM - CURS 10 33
Connectors Electrical machine windings Connectors Electrical machine windings Grounding connector Grounding connector Curenti de mod normal Curenti de mod comun 2009-2010 SEM - CURS 10 34
Evaluarea experimentala a curentilor de mod normal si mod comun in sisteme de actionare cu masini de inductie Caile curentilor de mod comun 2009-2010 SEM - CURS 10 35
Mdul de aranjare a senzorilor de curent pe partea de curent continuu Modul de aranjare a senzorilor de curent pentru partea de curent alternativ 2009-2010 SEM - CURS 10 36
3I DM at AC side 3I CM at AC side 2I 2009-2010 SEM - CURS CM at DC side 10 37
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 2009-2010 SEM - CURS 10 38
Masini alimentate prin convertoare Pe langa cele prezentate anterior exista si surse datorate formei tensiunii/curentului de alimentare 2009-2010 SEM - CURS 10 39
Potentialul de arbore Curenti de lagar Curenti de descarcare electrostatica Datorati disimetriilor sau excentricitatilor Datorati comutatiei 2009-2010 SEM - CURS 10 40
Caile de curenti de inalta frecventa 2009-2010 SEM - CURS 10 41
Probleme legate de curentii de lagar Cratere in calea de rostogolire a bilelor Deteriorarea caii de rulare a bilelor 2009-2010 SEM - CURS 10 42
ARMONICI 2009-2010 SEM - CURS 10 43
2009-2010 SEM - CURS 10 44
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 + 1 2 τ p π νπ sin ωt + x, ν = 6k 1 2 τ p Armonici de spatiu ale solenatiei 2009-2010 SEM - CURS 10 45
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) 1 2 4 5 6 8 9 f 3485 5546 6133 stator Frequency [Hz] 637 1424 2698 4171.5 { γα ± s ωt + ( γ mνp) } Zr = γ (1 s) ± 1 p [db] -50-100 -150-200 -250 Spectrul curentului statoric 2009-2010 SEM - CURS 10 46 0 ν f 50Hz 637Hz 1424Hz 0 400 800 1200 1600 f[hz]
Convertoare Redresoare necomandate Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y 2009-2010 SEM - CURS 10 47
Redresoare comandate 2009-2010 SEM - CURS 10 48
Redresoare cu IGBT 2009-2010 SEM - CURS 10 49
Utilizarea unei bobine de netezire 2009-2010 SEM - CURS 10 50
140 120 100 80 60 40 20 0 1 2 3 4 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 2009-2010 SEM - CURS 10 51
Filtre pasive de atenuare a armonicilor Pe un singur brat Pe mai multe brate 2009-2010 SEM - CURS 10 52
Filtre active 2009-2010 SEM - CURS 10 53
Sisteme de tractiune electrica Vehicule autonome Vehicule neautonome Vehiculul insusi Instalatii fixe Vehiculul insusi Substatii Fideri Calea de rulare INTERFERENte Radiative Capacitive Inductive Conductive 2009-2010 SEM - CURS 10 54
2009-2010 SEM - CURS 10 55
Campuri electromagnetice asociate sistemelor de transport Influente asupra lucratorilor, vatmanilor, calatorilor Perturbatii ale echipamentelor din apropiere Washington Metro subway: 10000...100000µT 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: 0.3...290µT for passengers, 10...6000µT for workers, and magnetic field level over a frequency range of 10Hz to 2 khz. 25 Hz AC electrified system, USA: 0.3...1.8µT for workers,10µt for passengers 2009-2010 SEM - CURS 10 56
Valoarea media si maxima a campului magnetic (µt) masurate in 10 tipuri de sisteme de transport 2009-2010 SEM - CURS 10 57
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 2009-2010 SEM - CURS 10 58
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 2009-2010 SEM - CURS 10 59
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 2009-2010 SEM - CURS 10 60
Automotive 2009-2010 SEM - CURS 10 61
2009-2010 SEM - CURS 10 62