Please download to get full document.

View again

of 66
All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report us to resolve them. We are always happy to assist you.

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA ELEKTROENERGETIKY A EKOLOGIE DIPLOMOVÁ PRÁCE

Category:

Engineering

Publish on:

Views: 13 | Pages: 66

Extension: PDF | Download: 2

Share
Related documents
Description
ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA ELEKTROENERGETIKY A EKOLOGIE DIPLOMOVÁ PRÁCE Feristory v odrušovací technice Bc. Iva Mlejová Abstrakt Předkládaná diplomová práce
Transcript
ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA ELEKTROENERGETIKY A EKOLOGIE DIPLOMOVÁ PRÁCE Feristory v odrušovací technice Bc. Iva Mlejová 2015 Abstrakt Předkládaná diplomová práce se zaměřuje jak na oblast teorie, tak na praktické použití feristorů v odrušovací technice. Popisuje také jiné odrušovací prostředky, které se v oblasti elektromagnetické kompatibility využívají. Praktická část se zabývá měřením vložného útlumu feristorů, kde porovnává útlum, který dané vzorky feristorů poskytují, a působením feristorů určených pro jiné rozsahy frekvencí. Dále se zabývá měřením rušení praktických zařízení a jeho následným odrušením pomocí feristorů. Měření rušení probíhalo ve vyhovujících podmínkách, v bezodrazové komoře Fakulty elektrotechnické Západočeské univerzity v Plzni. Klíčová slova EMC, elektromagnetická kompatibilita, odrušovací prostředky, feristor, ferit, vysokofrekvenční rušení, vložný útlum Abstract The present thesis is focused on the area of theory and practical use of ferrites in suppression technology. It also describes other suppressors that are in use electromagnetic compatibility. The practical part deals with the measurement of insertion loss of ferrites. It compares attenuation, which is provided by the samples of ferrites, and it compares the effects of two different ferrites designed for other frequency ranges. It also deals with practical measurement interference device and its subsequent radio noise elimination by ferrites. Measurement of interference took place in satisfactory conditions, in an anechoic chamber Faculty of Electrical Engineering University of West Bohemia in Pilsen. Keywords EMC, electromagnetic compatibility, suppressors, ferrite beads, ferrites, RF interference, insertion loss Prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracovala samostatně, s použitím odborné literatury a pramenů uvedených v seznamu, který je součástí této diplomové práce. Dále prohlašuji, že veškerý software, použitý při řešení této diplomové práce, je legální.... podpis V Plzni dne Bc. Iva Mlejová Poděkování Tímto bych ráda poděkovala vedoucímu diplomové práce Doc. Ing. Jiřímu Laurencovi, CSc. za cenné profesionální rady, připomínky a metodické vedení práce. Obsah OBSAH... 8 SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK... 9 ÚVOD ELEKTROMAGNETICKÁ KOMPATIBILITA ZÁKLADNÍ POJMY ZDROJE RUŠENÍ Dle vzniku rušení Dle frekvence rušení Obecný přehled ŠÍŘENÍ RUŠENÍ A ELEKTROMAGNETICKÉ VAZBY SYMETRICKÉ A NESYMETRICKÉ RUŠENÍ STRUČNÝ PŘEHLED ODRUŠOVACÍCH PROSTŘEDKŮ ODRUŠOVACÍ TLUMIVKY Parametry KONDENZÁTORY Parametry kondenzátorů ODRUŠOVACÍ FILTRY Síťový odrušovací filtr Speciální typy MAGNETICKÉ MATERIÁLY MAGNETICKY MĚKKÉ MATERIÁLY MAGNETICKY MĚKKÉ FERITY FERISTORY POJEM FERISTOR NÁHRADNÍ SCHÉMA OBVODU PARAMETRY FERISTORŮ A JEJICH VLIV Komplexní permeabilita Vliv jádra - počet závitů, vzduchová mezera, rezistivita Vliv prostředí Kapacita Saturace PŘEHLED VÝROBCŮ FERISTORŮ STANOVENÍ ODRUŠOVACÍHO ÚČINKU FERISTORŮ JEDNOTLIVÉ VZORKY FERISTORŮ A JEJICH KOMBINACE Jednotlivé vzorky feristorů Kombinace PRAKTICKÉ VYUŽITÍ FERISTORŮ Měřící pracoviště Měření rušení světelného zdroje Měření rušení regulátoru solárního panelu Měření rušení vrtačky ZÁVĚR SEZNAM LITERATURY A INFORMAČNÍCH ZDROJŮ Seznam symbolů a zkratek A 11, A 12, A 21, A parametry kaskádní matice B... magnetická indukce (T) D... průměr tlumivky (m) L... délka tlumivky (m) N... počet závitů X C... kapacitní reaktance (Ω) X L... indukční reaktance (Ω) Z C... impedance kondenzátoru (Ω) Z Fe... impedance feristoru (Ω) Z L... impedance tlumivky (Ω) Z S... impedance sítě (Ω) Z S... impedance sítě + vedení (Ω) Z V... impedance vedení (Ω) Z Z... impedance zátěže (Ω) Φ... magnetický tok (Wb) angl.... dle anglického jazyka Obr.... Obrázek ČSN EN... Česká technická norma EM... Elektromagnetický EMC... Elektromagnetická kompatibilita LEMP... Lightning ElectroMagnetic Pulse NEMP... Nuclear ElectroMagnetic Pulse Tab.... Tabulka 9 Úvod Diplomová práce je orientována na oblast elektromagnetické kompatibility se zaměřením na využití feristorů v odrušovací technice. Diplomová práce je členěna na dvě části. Teoretická část je rozdělena do tří hlavních kapitol; první se zabývá obecně elektromagnetickou kompatibilitou, druhá uvádí stručný přehled odrušovacích prostředků a třetí část je zaměřena přímo na feristory. V praktické části se věnuji zpracování měření jak jednotlivých vzorků feristorů, tak i praktického zařízení, u kterého je třeba provést kontrolu úrovně rušení v souladu s limity dle norem. 10 1 Elektromagnetická kompatibilita 1.1 Základní pojmy Elektromagnetická kompatibilita je schopnost zařízení, systému či přístroje vykazovat správnou činnost i v prostředí, v němž působí jiné zdroje elektromagnetických signálů (přírodní či umělé), a naopak svou vlastní činností nepřípustně neovlivňovat své okolí, tj. nevyzařovat signály, jež by byly rušivé pro jiná zařízení. Oblast EMC lze rozdělit podle několika hledisek. Hlavním rozdělením je na EMC biologických procesů a EMC technických systému a zařízení. [1] EMC biologických procesů se zabývá celkově problémem EMC ohledně životního prostředí, přípustných úrovní a užitečných signálů působících na živé organismy. Nelze chápat tuto oblast jen jako negativní dopad či riziko, ale i jak positivní, existuje několik aplikací. Účinky závisí na době působení, vlastnostech organismu a na charakteru působení. EMC technických systémů se zabývá vzájemným působením technických prostředků. Je to široký obor, který se dále člení na několik podoblastí. [1,2] Vždy se zabýváme všemi třemi částmi základního řetězce EMC (Obr. 1) Obr. 1: Schéma základního řetězce EMC [1] První částí je zdroj elektromagnetického rušení, kde se zkoumá obecně vznik rušení, jeho charakter a intenzita. Druhou částí je přenosové prostředí a vazba a poslední částí je daný rušený objekt či přijímač rušení. 11 V praxi označujeme méně citlivý prvek s větší úrovní rušení jako zdroj či vysílač a naopak citlivější prvek s menší úrovní rušení za přijímač. Každý prvek může být v danou chvíli pro jiný prvek přijímačem a pro jiný prvek zdrojem rušení. Problematika EMC se dá proto členit do dvou hlavních skupin EMI a EMS. EMI čili elektromagnetické rušení (z angl.electromagnetic Interference) se zabývá hlavně zjišťováním zdrojů rušení, přenosových cest a popisem, měřením signálů tedy hlavně příčinami rušení. EMS čili elektromagnetická susceptibilita nebo imunita (z angl. Electromagnetic Susceptibility nebo ElectromagneticImmunity) se zabývá schopností zařízení a systému správně a bez poruch pracovat v prostředí, kde se rušení vyskytuje, a také technickými opatřeními proti vlivu rušení. [1] 1.2 Zdroje rušení Dle vzniku rušení Zdroje rušení lze rozdělit dle vzniku. U přirozených zdrojů EM rušení, což jsou generované EM jevy v přírodě, se musíme snažit předcházet jejich následkům. Více se věnujeme, i díky možnému zamezení, umělým zdrojům. Umělé zdroje lze obecně rozdělit do tří skupin: Šum - v tomto případě má obvykle periodický charakter, ovlivňuje hlavně tvar užitečného signálu. Nejčastějšími zdroji jsou motory a rotační svářečky. Impulzy přičítají se jako špičky na užitečný signál, mají impulzní charakter s velkým poměrem velikosti k době trvání. Vznikají zejména kvůli spínacím pochodům. Přechodné jevy náhodné jednorázové rušivé signály dobrou trvání od několika ms až po několik s. Důvodem je spínání spotřebičů o velkých výkonech, které 12 způsobují náhlé změny zatížení v energetické síti.[1,4] Dle frekvence rušení Poměrně zásadním hlediskem je členění dle frekvence. Díky rozdílům jednotlivých dějů ve vlastnostech, ve způsobu šíření nám umožňuje lepší rozhodnutí výběru odrušovacích prostředků. [3] Nízkofrekvenční rušení Nízké frekvence jsou vymezeny do kmitočtu 9 khz. Souvisí s pomalými změnami napájecího napětí, flikrem, zvlněním stejnosměrného napájecího napětí, krátkodobými poklesy a přerušením napájecího napětí, nesymetrií napětí, signály v napájecích sítích. V těchto případech se rušení šíří po vedení. V případě elektrických a magnetických polí se rušení šíří prostorem, vyzařováním. Vysokofrekvenční rušení V tomto případě je způsob šíření významnější, neboť je možné, že při optimálních podmínkách lze elektromagnetické pole zachytit vedením a signál dále vést po vedení, nebo naopak signál ve vedení může vedení využít jako vysílací anténu a dále se šířit jako elektromagnetické pole prostorem. O tom rozhoduje konkrétní uspořádání příjemce a zdroje, prostředí a propojení. Rušení v oblasti 9 až 150 khz způsobují převážně signály z výkonových polovodičových měničů, spínaných zdrojů. V oblasti nad 150 khz je nazýváno jako rádiové rušení. Zdroji jsou také polovodičové měniče spolupůsobením parazitních indukčností a kapacit připojených částí, dále dielektrický, indukční či mikrovlnný ohřev atd. Významným zdrojem jsou také výboje a jiskření na izolátorech, korónové výboje a pevné a mobilní rádiové vysílače. Mezi vysokofrekvenční jevy se řadí také přechodné děje, kvůli strmé náběžné hraně. Jedná se hlavně o jevy při atmosférických a elektrostatických výbojích, poruchách a průrazech izolací. Dopady se zvyšují se u impedančně nepřizpůsobeného vedení. [3] 13 1.2.3 Obecný přehled Pro obecný přehled můžeme rušení rozdělit do několika skupin: zdroje působící na elektrické rozvodné sítě - výkonová zařízení jako generátory, transformátory, výkonové polovodičové měniče, které produkují vyšší harmonické a způsobují rušení. - zařízení s kontaktními spínacími mechanismy jako vypínače, odpojovače. U nízkého napětí se setkáváme s rušením způsobeným stykači, jističi a spínacími relé, které produkují rušivé impulsy s velikou strmostí při spínacích procesech. lokální elektrostatické výboje velmi nebezpečné rušení s nízkou energií, ale s vysokou hodnotou amplitudy napětí atmosférické výboje strmý elektromagnetický impuls se silnými až zničujícími účinky i na vzdálenější zařízení, rázový impuls se může přes vazby dostat do vnitřního rozvodu nukleární EM impuls při výbuchu nukleárních bomb rozhlasové a televizní vysílače, radarové stanice, mobilní telefony, obecně zdroje úzkopásmového trvalého spojitého nebo nespojitého impulsního rušení 1.3 Šíření rušení a elektromagnetické vazby Každý rušivý zdroj šíří energií buď po vedení, nebo vyzařováním formou elektromagnetického pole. Rušení po vedení převládá a pojí se s přijímačem třemi vazbami. Elektromagnetickou vazbou se rozumí způsob či cesta, kterou se energie šíří ze zdroje do objektů. Lze je rozdělit podle charakteru vazby na galvanickou, indukční a kapacitní (Obr. 2). U přírodních zdrojů se rušení šíří vyzařováním. [4] 14 U U r I U r L R I U r C M Ur Obr. 2: Šíření rušení, druhy elektromagnetických vazeb [1] Galvanická vazba vzniká tehdy, kdy mezi zdrojem a přijímačem je společná impedance a tvoří přenosový člen s velkou složkou založenou na elektrické vodivosti. Toto rušení se dělí na symetrické a nesymetrické (blíže popsáno v kapitole 1.4). Rozlišujeme několik druhů galvanických vazeb vazba společnou impedancí sítě, vazba společnou impedancí mezi zdrojem a přijímačem rušení, vazba společnou impedancí zpětného vodiče a vazba společnou impedancí zemniče. [4] Indukčnívazbavzniká na principu elektromagnetické indukce mezi dvěma a více elektrickými obvody, pokud alespoň jedním z nich teče proud. Projevuje se vazbou mezi spojovacími vedeními obvodů. Neuplatňuje se jen mezi sousedními obvody, ale i mezi vedeními, stínícími plášti, uzemňovacími vodiči a konstrukčními mechanickými prvky. [4] Kapacitní vazba. Se zvyšujícím se kmitočtem, roste impedance a více se uplatňuje vazba elektrickým polem. Vzniká z důvodu parazitních kapacit mezi vodiči a vodiči a zemí. Kapacita se zmenšuje s logaritmem vzdáleností vodičů, či s výškou nad zemí a zvětšuje se s průměrem vodiče. [4] 15 Ovlivňování vyzařováním - vzniká v případě, kdy je vyloučena indukční či kapacitní vazba, kvůli velkým vzdálenostem. Elektromagnetické pole generující vlny šířící se rychlostí km/s je vyjádřeno pomocí intenzit elektrického a magnetického pole. U vzdálených polí působí vlna na elektricky vodivé prostředí a vzniká rušivé napětí anténním efektem. Nejde pouze o anténu jako takovou, ale jedná se o zařízení, které může jako anténa sloužit, např. nekrytý konektor stínící krytkou. Vazba s rušivým elektromagnetickým polem se uskutečňuje u krátkých a velmi krátkých vln, naopak u dlouhých a středních vln se vazba uskutečňuje indukční a kapacitní vazbou. [4] 1.4 Symetrické a nesymetrické rušení U galvanické vazby rušivá napětí a proudy, které se šíří po vedeních, rozdělujeme na symetrické a nesymetrické rušení. Symetrické napětí je napětí mezi dvěma libovolnými vodiči vedení. Je vyvolané rušivým zdrojem, který je připojen mezi dva dané vodiče. Dále vyvolá symetrický rušivý proud I sym, který se uzavírá ve smyčce tvořenou dvojicí daných vodičů. I sym je superponován na pracovní proud I obvodu, teče stejnými vodiči (fázovým a středním vodičem, nebo u stejnosměrného obvodu kladným a záporným vodičem) a je s ním ve fázi. Proudy I sym mají stejnou hodnotu jak v živém tak zpětném vodiči, ale opačnou fázi, stejně jako u pracovního proudu I. [3,4] Nesymetrické napětí se objevuje mezi pracovními vodiči na společném potenciálu a vztažným bodem (zem či kostra zařízení). Vyvolá nesymetrický proud, který se uzavře ve smyčce mezi vedením a zemí, či kostrou zařízení. Nesymetrické rušivé proudy I nsym tečou každým vodičem obvodu (fázovými, živými) a středním vodičem (zpětným) a jsou na stejném potenciálu a ve fázi. [3,4] Pracovní proud je tak vektorovým součtem symetrických a nesymetrických proudů. Náhradní schéma obecného obvodu lze znázornit na Obr. 3 jako obvod s nezávislými zdroji symetrického a nesymetrického rušivého napětí, která vyvolávají opět nezávislé proudy. 16 Obr. 3: Náhradní schéma obecného obvodu [4] Jeden zdroj rušení je zdroj symetrického napětí U sym se symetrickou vnitřní impedancí Z isym a druhý s nesymetrickým napětím U n a nesymetrickou vnitřní impedancí Z in. Napájecí síť je nahrazena symetrickou Z Ssym a nesymetrickou Z Sn impedancí. [4] 2 Stručný přehled odrušovacích prostředků Odrušovací prostředky snižují působení EM rušení, jak zmenšení úrovně generovaného rušení u zdrojů, tak zvýšení odolnosti proti rušení. Použití těchto prostředků mají svá specifika, vlastnosti vycházejí z fyzikálních vlastností, proto je třeba je dostatečně prostudovat. Odrušovací prostředky se vkládají mezi zdroj rušení a rušené zařízení tak, aby užitečný signál propouštěly co nejvíce bez útlumu (např. napájecí síťové napětí a proud průmyslového kmitočtu)a nežádoucí vysokofrekvenční signály co nejvíce omezily. Druhy odrušovacích prostředků si rozdělíme na tři hlavní části odrušovací tlumivky, kondenzátory, filtry LC. 17 2.1 Odrušovací tlumivky Odrušovací tlumivky jsou jedny z nejdražších a nejobjemnějších prvků, které se využívají v technice odrušení samostatně či jako součást filtrů. Lze si vybrat z širokého výběru již vyrobených kvalitních tlumivek, ale také často potřebujeme vyrobit tlumivku přímo pro náš daný příklad použití. Výroba takovéto tlumivky je dost náročná, neboť je třeba kromě základních znalostí problému i uvědomění si širších souvislostí. Použití počítačových programů bez ověření vzorků nám zaručí perfektní teoretický návrh, ale s realizací může přijít i velké a hlavně drahé zklamání. Proto by se návrh tlumivky měl odvíjet od orientačního výpočtu, který poté dále experimentálně ověřujeme a případně zkorigujeme. [4] Tlumivka je cívka s magnetickým či nemagnetickým jádrem. Reprezentuje soustředěnou indukčnost, ale nesmíme zapomínat, že ideální tlumivka nikdy nemůže být fyzikálně zrealizovaná, neboť v reálu tvoří sériově paralelní obvod LCR. Používá se jako podélně zapojena, vřazena do série s vnitřní impedancí sítě a vstupní impedancí napájejícího vstupu chráněné zátěže. Dle funkce mají tlumivky úplně odlišné konstrukce a parametry. Pro potlačení symetrické složky se neliší od tlumivek, které používáme obecně ve vf elektrotechnice mimo odrušení. Zapojují se podélně do proudových vodičů, kde pracovní proud protéká ve stejném směru jako rušivý proud. [4,5] Pro potlačení nesymetrické složky má tlumivka specifickou konstrukci i princip působení a označuje se jako tlumivka s proudovou kompenzací. V jiných oborech se téměř nevyužívá. Je třeba do každého vodiče zařadit samostatnou tlumivku. Pokud navineme tyto tlumivky na společné jádro, aby pro pracovní proud 50 Hz a pro protifázové rušivé proudy měli magnetické toky opačný směr, tím se vzájemně vyruší a výsledná indukčnost je minimální (daná pouze rozptylovou reaktancí způsobenou nedokonalou kompenzací). Pro rušivé proudy tekoucí vodiči ve stejném směru mají magnetické toky stejný směr a efektivní indukčnost bude maximální. Navíc nedochází k přesycení magnetického jádra ani úbytku napětí díky minimální impedanci. [4,5] 18 Z obecného vztahu = 2 je jasné, že pro nízké kmitočty je reaktance tlumivky velice malá, proto tyto signály s nízkými frekvencemi neomezuje. Pro vysokofrekvenční signály má tlumivka již vysokou reaktanci a signál tím potlačuje. Odrušovací účinek je zvlášť účinný, pokud vnitřní impedance zdroje rušení a impedance napájecího zdroje jsou mnohem menší než reaktance tlumivky. Proto pro účinné potlačení využíváme tlumivku v nízkoimpedančních systémech. [4] Zapojení tlumivky je znázorněno na Obr. 4, pro výpočet vložného útlumu použijeme vztah (2.1) Obr. 4: Náhradní schéma obvodu s tlumivkou [1] = (2.1) Grafické znázornění kmitočtového průběhu vložného útlumu odrušovací tlumivky je na Obr. 5., kde =. Obr. 5: Kmitočtový průběh vložného útlumu odrušovací tlumivky [1] 19 Kromě požadované indukčnosti L má každá tlumivka i odpor vinutí R a parazitní kapacity C (mezizávitová a kapacita proti zemi). Tím se tlumivka chová jako rezonanční obvod. Náhradní schéma pro vysokofrekvenční tlumivku tvoří sérioparalelní kombinace LCR (Obr. 6). [4] Obr. 6: Náhradní schéma vysokofrekvenční tlumivky[4] (2.2) Tlumivka je tak reprezentovaná impedancí Z, kde její absolutní hodnota je dle vztahu = + (2.2) Na určitém kmitočtu se hodnota induktance a kapacitance rovnají = 1 (2.3) Za použití výrazu (2.3) lze určit vlastní rezonanční frekvenci tlumivky jako 1 # = 2 (2.4) Na frekvencích nižších než je frekvence vlastní rezonance je vliv vlastní kapacity malý a účinek odrušení stále stoupá. Rezonanční obvod při kmitočtu nad svým rezonančním kmitočtem má kapacitní charakter, neboť začíná převládat kapacitní složka X c a s celkovou impedancí klesá i odrušovací účinek. 20 Obecně při výpočtu indukčnosti vycházíme ze vztahů (2.5) - (2.8) = %& = %'( (2.5) = ) # ) * ( % (2.6) ( = +, 2 - (2.7) = 10./ ) * %, (2.8) Efektivní indukčnost L ef, která respektuje i parazitní kapacitu, převyšuje jmenovitou indukčnost L řádově o několik procent. Z výrazu (2.8) vidíme, že vlastní indukčnost je závislá na ploše závitu, druhé mocnině závitů a relativní permeabilitě jádra. U feromagnetických materiálů jádra permeabilita není konstantní, neboť závisí na změnách magnetické indukce B. Proto následná nelinearita indukčnosti L se projevuje výrazně na frekvencích 1 khz při přesycení jádra u skládaných jader a více než 100 khz u železových a feritových jader. Z důvodu nekonstantní hodnoty indukčnosti L reálných tlumivek bychom měli pracovat s parametrem impedancí Z. [4] Parametry Odrušovací tlumivky musí mít takové parametry, abychom získali maximální hradící účinek ve chráněném kmitočtovém pásmu. Sledujeme tyto parametry: Maximální indukčnost L při optimálním počtu závitů, rozměrech, hmotnosti a ceně s malým úbytkem napětí vůči pracovnímu proudu chráněného zařízení Vysoký vlastní rezonanční kmitočet 21 Co nejnižší činitel jakosti 0 = 12 = 4 5 = 6, neboť velikost ztrát podstatně ovlivňuje průběh kmitočtové závislosti. Výraz : ; představuje ztrátový činitel. Naším cílem je dosáhnout pozvolného průběhu impedance s neostře vyjádřeným bodem vlastní rezonance. Tedy po překročení rezonančního kmitočtu přebírá úlohu indukční složky odpor R a tlumivka se nechová jen jako kapacita a tím neztrácí odrušovací účinek,
Similar documents
View more...
Search Related
We Need Your Support
Thank you for visiting our website and your interest in our free products and services. We are nonprofit website to share and download documents. To the running of this website, we need your help to support us.

Thanks to everyone for your continued support.

No, Thanks