Обеспечение электромагнитной совместимости бортовых источников вторичного электропитания подавлением сетевых импульсных помех и рациональной компоновкой силовых элементов – часть 2

Энергетика      Постоянная ссылка | Все категории

Рисунок 1 − Схема устройства защиты от ИКП: СМ – силовой IGBT-модуль;

УЗМ – устройство запуска модуля; ДТХ – датчик тока Холла;

УКН – устройство контроля напряжения

Проведен аналитический расчет начальных значений параметров элементов входного RC-фильтра. Показано, что при воздействии единичного экспоненциального импульса напряжение на выходе фильтра

достигает максимальное значение в момент времени

,

где ; ; τ – постоянная времени импульса.

На разработанной имитационной модели устройства защиты от ИКП (рисунок 2,а) определены уточненные значения параметров элементов, обеспечивающих требуемую степень защиты. Значение емкости конденсатора входного фильтра уточнено в процессе моделирования и составляет 385 мкФ, в то время как при использовании пассивного RC-фильтра для защиты потребителя мощностью 3 кВт суммарная ёмкость батареи конденсаторов 63 000 мкФ.

В процессе синтеза учитывались следующие ограничения:

напряжение на конденсаторах входного фильтра ограничено предельным напряжением перехода коллектор-эмиттер IGBT-модуля Uк. э ≤1,2 кВ;

─ значение сопротивления резистора R1 ограничено потерями мощности в установившемся режиме и не должно превышать 3 – 5 % от номинальной мощности потребителя;

индуктивность дросселя ограничена частотными свойствами IGBT-модуля.

При возникновении в сети питания ИКП устройство переходит в режим релейного стабилизатора напряжения. Энергия помехи пачками импульсов передается в цепь питания потребителя. Процесс передачи энергии помехи (рисунок 2,б кривая 1) иллюстрируют кривые 2 и 3.

а

б

Рисунок 2 − Имитационная модель устройства защиты (а) и результаты

моделирование переходных процессов напряжения (б):

1 – на входе устройства защиты; 2 – на конденсаторах входного

фильтра; 3 – на выходе устройства

Результаты испытаний промышленного образца устройства защиты от ИКП приведены на рисунке 3. Погрешность расчетов не превышает 10 %.

При длительном аварийном повышении напряжения бортовой сети свыше 400 В устройство отключает питание потребителя.

Рисунок 3 − Осциллограммы напряжений при воздействии ИКП: Uвх – на

входе устройства защиты; UСвх – на конденсаторах входного фильтра;

Uвых – на выходе; ICвх − суммарный ток батареи конденсаторов Свх;

Iк – пачки импульсов тока коллектора СМ

При энергии импульса 1000 Дж до 20 % энергии ИКП рассеивается в тепло на резисторе входного фильтра R1 (рисунок 4), а основная часть используется для питания защищаемого потребителя.

Рисунок 4 − Энергия − а, мощностьб и ток − в на резисторе R1

Основные электрические параметры устройства защиты:

─ входное напряжение Uвх = 160 − 360 В;

─ мощность нагрузки до 3 кВт;

амплитуда помехи Uимп = ±1000 В при длительности до 4 мс

и длительности фронта импульса tф=10 мкс;

энергия поглощаемых импульсов до 1000 Дж.

Для ИВЭП, работающих в низковольтных бортовых СЭС, реализована концепция совмещения функций защиты от ИКП и фильтрации радиопомех входным фильтром, а также защиты от перенапряжений секундной длительности (рисунок 5).

Рисунок 5 − Схема совмещенного фильтра

Параметрический синтез фильтра проведен на математической модели. В процессе синтеза учитывались следующие ограничения:

– первое звено фильтра должно ослаблять амплитуду импульсных помех на 20 дБ, что позволяет использовать во входных цепях ИВЭП низковольтные электролитические конденсаторы;

– второе звено и фильтр в целом должны обеспечивать требуемую степень фильтрации радиопомех.

Звено активного подавления, состоящее из линейного стабилизатора с малым падением напряжения вход-выход, обеспечивает защиту ИВЭП от перенапряжений секундной длительности.

Аналитический расчет начальных параметров первого звена фильтра проведен для наихудшего случая. Показано, что при ω0ТИ<<1 относительное значение выходного напряжения фильтра при воздействии экспоненциального импульса определяется выражением

,

где ; ТИ – активная длительность импульса.

Начальные значения параметров элементов второго звена рассчитаны по известным методикам.

Проведено испытание фильтра в составе ИВЭП при воздействии ИКП амплитудой 600 В длительностью 10 мкс (рисунок 6) и на электромагнитную совместимость (рисунок 7).

 

Рисунок 7 − Огибающие напряжений радиопомех, создаваемых ИВЭП:

1норма по ГОСТ 19705-89;

2 – ИВЭП без фильтра;

3 – типовой фильтр радиопомех;

4 – двухзвенный совмещенный

фильтр

Рисунок 6 − Напряжение на входе

фильтра Uвх, на выходе первого

звена фильтра U1, на выходе

второго звена фильтра U2

 

Синергетический эффект в совмещенном фильтре заключается в дополнительном ослаблении напряжения радиопомех на 10 дБ в полосе частот от 1 до 30 МГц (кривая 4 на рисунке 6).

В третьей главе приведены результаты исследования углового распределения напряженности магнитного и электрического полей силовых элементов ИВЭП в ближней зоне, выявлены факторы, влияющие на амплитуду и фазовое положение максимумов напряженности магнитного поля, создаваемого электромагнитными элементами, приведена методика расчета поля рассеяния силовых дросселей тороидальной конструкции, сформулированы рекомендации по практическому снижению помехоэмиссии от электромагнитных и активных помехообразующих элементов конструкторскими средствами.

При работе силового дросселя тороидальной конструкции часть магнитного потока уходит из сердечника, замыкаясь через воздух, и создает магнитный поток рассеяния. Поскольку напряженность магнитного поля, создаваемого произвольной системой токов на расстоянии, значительно превышающем её линейные размеры, равна векторной сумме магнитных моментов отдельных замкнутых контуров, то для расчета поля рассеяния дросселя его можно заменить «магнитным диполем» (рисунок 8) с моментом

pm=ISк,

где I – ток, протекающий через обмотку дросселя, А;

Sк – площадь контура, ограниченная средней линией сердечника, м.

Рисунок 8 − Замена тороидального дросселя эквивалентным витком

Рисунок 9 − Угловое распределение напряженности магнитного поля и условная система отсчета:

1эксперимент, Hmax=27 дБ (мкА/м);

2 – расчет, Hmax=27,1 дБ (мкА/м)

На рисунке 9 представлены измеренное значение напряженности магнитного поля, создаваемой силовым дросселем на сердечнике МП 140 типоразмера К17×10×6,5 при действующем значении протекающего через обмотку тока 1 А, расчетное значение напряженности магнитного поля и условная система отсчета при вращении дросселя на поворотном столе.

Для оценки адекватности предложенной модели дросселя тороидальной конструкции как излучателя магнитного поля проведена экспериментальная проверка на сердечниках из Мо-пермаллоя марки МП 140 по ряду из наиболее часто применяемых типоразмеров в схеме импульсного стабилизатора напряжения понижающего типа.

Показано, что при равномерном распределении витков дросселя по периметру сердечника формула для расчета поля рассеяния силового дросселя тороидальной конструкции имеет вид

,

где H – напряженность поля, А/м;

nчисло слоев намотки дросселя (n=1, 2, 3);

ILд – действующее значение пульсирующей составляющей тока, А;

площадь, ограниченная средней линией сердечника, м2;

r – расстояние от контура до измерительной антенны, м.

На амплитуду напряженности поля рассеяния электромагнитных элементов, кроме значения напряжения, приложенного к обмотке (следовательно, значения рабочей индукции) и силы тока, протекающего через обмотку, влияет неравномерность намотки.

Установлено, что фазовый сдвиг (положение максимумов в угловом распределении напряженности магнитного поля в относительной системе отсчета) у силовых дросселей тороидальной конструкции остается постоянным во всех режимах работы ИВЭП, не зависит от рабочей частоты, скважности, приложенного к обмотке напряжения и силы тока, равномерности намотки. На значение фазового сдвига (рисунок 9,а) влияют геометрические размеры сердечника, количество витков в обмотке, тип ферромагнетика и значение проницаемости.

Рисунок 10 – Снижение суммарного поля рассеяния двух дросселей

Показано, что для снижения поля рассеяния дросселя его целесообразно разделять на два меньших типоразмеров. Причем для наибольшей компенсации суммарной напряженности поля (не менее чем на 20 дБ) дроссели должны быть включены встречно и размещены на несущем основании так, чтобы места установки выводов были в параллельных плоскостях (рисунок 10).

Показано, что установка дросселей и трансформаторов с кольцевыми магнитопроводами в проволочный сетчатый экран, изолированный от корпуса и соединенный с шиной «–» входного напряжения питания, уменьшает напряженность магнитного и электрического полей на 5 – 6 дБ.

Установлено, что поле рассеяния силовых дросселей уменьшается на 6 – 10 дБ (рисунок 11), если выводы обмотки направить вовнутрь (патент РФ на ПМ № 66 598).

Рисунок 11 − Угловое распределение поля рассеяния дросселя:

1 – общепринятое исполнение; 2 – выводы направлены вовнутрь

Предложены способы снижения помехоэмиссии от активных помехообразующих элементов: транзисторов и диодов. В ИВЭП с частичным резервированием, когда силовые транзисторы включены параллельно, их рациональным размещением на несущем основании суммарное значение напряженности магнитного поля возможно снизить вдвое (рисунок 12), если их рассматривать как излучающие рамки, развернутые на 180° относительно друг руга.

Рисунок 12 − Угловое распределение напряженности магнитного поля

двух транзисторов IRHMS57264SE в азимутальной плоскости

Установлено, что устройства и цепи, находящиеся под переменным электрическим потенциалом относительно шин питания (цепи, включенные в диагональ мостовых преобразователей и имеющие с ними гальваническую связь драйверы), создают напряженность электрического поля на 20 – 30 дБ выше, чем аналогичные устройства, связанные гальванически с шинами питания.

Рисунок 13 − Вычисление модуля импеданса |Zвых| и фазового сдвига φ°: ∆ I~тест-сигнал; ∆U~ – амплитуда пульсаций выходного напряжения

Сделан вывод, что конструкторскими средствами возможно снижение помехоэмиссии от силовых транзисторов и диодов на 10 – 15 дБ.

В четвертой главе приведены разработанные методики измерения амплитуды и спектрального состава пульсаций напряжения и выходного комплексного сопротивления (импеданса) энергопреобразующей аппаратуры бортовых СЭП КА в диапазоне частот от 10 Гц до 10 МГц.

Разработана методика измерения импеданса с использованием двухканального осциллографа (рисунок 13). Методика позволяет измерить в ИВЭП модуль выходного импеданса, а также фазовый сдвиг между током и напряжением в диапазоне частот от единиц герц до десятков килогерц.

Измерение собственных пульсаций выходного напряжения проводится при минимальном и максимальном значениях тока на активной нагрузке. При измерении импеданса управляемая нагрузка создает тест-сигнал синусоидальной формы. Амплитуда тест-сигнала устанавливается с учетом требований к ИВЭП по пульсациям тока нагрузки.

На имитационной модели проведен расчет выходного импеданса ИВЭП, представляющего собой импульсный стабилизатор напряжения понижающего типа.

Расчетные значения импеданса и экспериментальные данные приведены на рисунке 14.

а

б

Рисунок 14 – Модуль выходного импеданса (а) и фазовый сдвиг (б):

Энергетика      Постоянная ссылка | Все категории
Мы в соцсетях:




Архивы pandia.ru
Алфавит: АБВГДЕЗИКЛМНОПРСТУФЦЧШЭ Я

Новости и разделы


Авто
История · Термины
Бытовая техника
Климатическая · Кухонная
Бизнес и финансы
Инвестиции · Недвижимость
Все для дома и дачи
Дача, сад, огород · Интерьер · Кулинария
Дети
Беременность · Прочие материалы
Животные и растения
Компьютеры
Интернет · IP-телефония · Webmasters
Красота и здоровье
Народные рецепты
Новости и события
Общество · Политика · Финансы
Образование и науки
Право · Математика · Экономика
Техника и технологии
Авиация · Военное дело · Металлургия
Производство и промышленность
Cвязь · Машиностроение · Транспорт
Страны мира
Азия · Америка · Африка · Европа
Религия и духовные практики
Секты · Сонники
Словари и справочники
Бизнес · БСЕ · Этимологические · Языковые
Строительство и ремонт
Материалы · Ремонт · Сантехника