4 Ограничения коммутационных электромагнитных помех в цепях управления с индуктивными элементами

В индуктивных цепях электрического оборудования, включаю­щих, например, обмотки возбуждения двигателей или устройства с электромагнитным приводом, такие, как реле, а также соедини­тельные силовые и управляющие провода возникают при отклю­чениях и включениях перенапряжения, которые с высокими кру­тизной и частотой колебания попадают в сеть питания.

Индуктивные элементы в цепи тока принадлежат, таким обра­зом, к источникам интенсивных помех. Если они эксплуатируют­ся в тесном пространственном расположении с электронными уз­лами, например, внутри одного прибора, одного управляющего шкафа или установки необходимо снизить до уровня, допустимо­го для электронных приборов и систем, ожидаемые перенапряже­ния путем соответствующих мер.

Ниже будут рассмотрены физические причины, порядки вели­чин, и принципиальные временные диаграммы этих переходных перенапряжений и также описаны выбор, измерение и располо­жение соответствующих средств для их ограничения.

4.1 Физические процессы при коммутациях в индуктивных цепях

Рис. 4.1 показывает в упрощенном виде модель взаимодействия между цепью тока возбуждения электромагнитного устройства и цепью тока систем РЗА и автоматизированного и автоматического управления технологическим процессом. Обе цепи гальванически разделены из соображений помехозащищенности, однако связаны через практически всегда имеющиеся паразитные емкости С13, С14, C23, С24- Кроме того, через сцепление магнитных потоков обоих контуров возникает индуктивная связь, характеризуемая взаимоиндукцией М. Вследствие возникающего при разрядных явлениях между контактами выключателя СВЧ - излучения, кроме того, возможно неблагоприятное влияние дальнего поля на логические цепи систем РЗА и автоматизированного и автоматическо­го управления технологическими процессами.

При включении прибора Y емкость Cs заряжается через сопро­тивление R (внутреннее сопротивление источника напряжения и сопротивление линии), индуктивность L. При идеально быстро включающемся выключателе в контуре развивается электри­ческий колебательный затухающий процесс, который в основном определяется параметрами и . Он протекает с частотой е (рисунок 4.2) и максимальным напряжением на катушке индуктивности.

Напряжение может лежать между 300 В и несколькими киловольтами, скорости изменения напряжения - от 1 до 1000 В/ с, общая длительность процесса лежит в микросекундной области, а частота - в границах от 106 до 108 Гц.

Образование помех затрудняется тем, что для срабатывания ре­ального выключателя требуется конечное время.

Оно образуется, например для тиристора, из времени, которое необходимо, чтобы заполнить достаточно большие зоны полупро­водникового материала носителями заряда, а для выключателей с подвижными контактами, включающими напряжения > 300 В, из времени, за которое образуется проводимость искрового разряда. Типичные времена срабатывания мощных тиристоров (0,2 - 4 кВ) от 5 до 200 мкс, реле и герконов — ~3 нс.

Рисунок - 4.1 – Модель взаимодействия цепи, содержащей индуктивный элемент, с логической цепью системы автоматизированного и автоматического управления технологическим устройством

При контактных устройствах включения, как правило, нужно рассчитывать на то, что процесс включения вследствие явлений вибрации и других физических процессов состоит из ряда следующих друг за другом циклов замыкания и размыкания. Поэтому всегда нужно рассчитывать на то, что в тече­ние включения возникают несколько изоб­раженных на рисунке 4.2 затухающих процессов, типичных для процессов отключения (смотри ниже). Таким образом, в целом каждый про­цесс включения электромагнитного устрой­ства необходимо оценивать как потенциаль­ную причину помехи.

При отключении электромагнитного уст­ройства, то есть при внезапном прерывании стационарного тока возбуждения i в колеба­тельном контуре, образованном Rs, Ls и Cs, также происходит электрический колебательный затухающий процесс, при котором запасенная к моменту отключения в Is и Cs энергия в Rs превращается в тепло. Если опять предположить наличие в цепи тока быстрого, почти идеального выключателя, то этот затухающий процесс протекает либо колебательно с частотой fc ~ 1/2п (рисунок 4.3,a) или апериодически затухая (рисунок 4.3, б). Вид импульса напряжения на катушке , по рисунку 4.3, а) типичен для уст­ройств с магнитопроводом, набранным из отдельных пластин, а вид по рисунку 4.3, б) - для устройств с массивным магнитопроводом. Сильно затухающий процесс на рисунке 4.3, б можно объяснить влиянием R_Fe, которое представляет сопротивление потерь в стали массивного магнитопровода.

Рисунок 4.3 – Типичные импульсы напряжения на катушке us при отключении тока идеальным выключателем а) — наборный магнитопровод, б) - массивный магнитопровод

Без специальных мер, затухающие процессы в обоих случаях со­провождаются высокими перенапряжениями и большими скоростями изменения напряжения . Максимальное, теоре­тически возможное, перенапряжение на катушке может быть оце­нено, исходя из баланса энергии

, (4.1)

а максимально возможное значение производной по времени - исходя из описывающего затухающий процесс диф­ференциального уравнения. Если положить в основу практически всегда выполняющееся условие CSRs; « Ls/Rs и пренебречь влия­нием Rs, можно получить в итоге для обоих величин простые соот­ношения:

Теоретическое значение usmax однако, не достигается, по­скольку:

• часть запасенной к моменту отключения в энергии при перезарядке превращается в тепло в сопротивлении обмотки ;

• вихревые токи и потери на гистерезис также поглощают часть энергии Ws особенно при массивном магнитопроводе;

• при отключении контактным отключающим устройством между контактами, как правило, начинается разрядный процесс, который также поглощает часть энергии .

Рисунок 4.4 – Процесс отключения с щеточным

Параметры , имеют следующие воздействия:

• изоляция обмоток электромагнитного устройства подверга­ется перенапряжением, так как ;

• в выключателях в зависимости от возможной величины тока возникают тлеющие, искровые или дуговые разряды между кон­тактами вследствие того, что |uKmax| >> u. Из-за этого, в частности, контактный промежуток в течение времени отключения много­кратно размыкается и из-за начавшегося под воздействием uкmах снова замыкается. Это ведет к известным щеточным явлениям на графике напряжения катушки (рисунок 4.4). Частота, сопровож­дающая щеточные явления, лежит в области 104...107 Гц. Таким образом, явления разря­да с одной стороны являются источником интенсивных ВЧ - помех, а с другой, особенно в цепях постоянного тока с большими индуктивностями, причиной для сильного изно­са контактов;

• в расположенных рядом цепях AСТУ возникают кратко­временные помехи, либо нару­шается работа логических элементов, если наведенное через С13, С14, С24, С24 и М напряжение помехи ust (рисунке 4.1, б) либо энергия помехи через излучение превышают порог помехоустойчивости.

В цепях электромагнитных устройств, содержащих индуктив­ный элемент, всегда требуются меры для подавления ожидаемых перенапряжений при отключениях. Это удается осуществить схемными комбинациями из пассивных или активных элементов. Их структурирование, величина и расположение зависят от того, с какой целью должны быть реализованы схемные мероприятия.

Таблица 4.1 дает обзор по этому вопросу. В дальнейшем будут рас­сматриваться исключительно схемы защиты от помех.

Таблица 4.1 – Схемные мероприятия в цепях электромагнитных приборов, содержащих индуктивные элементы

Схемные мероприятия	Цели	Расположение элементов защиты
Схемы защиты обмоток возбудителей	Защита изоляции от перенапряжений	Параллельно катушке индуктивности
Схемы защиты от радиопомех и защиты контактов	Подавление тлеющих, дуговых, искровых разрядов между контактными элементами во избежание ВЧ колебаний и для уменьшения обгорания контактов	Устройства защиты от радиопомех параллельно контактам, чтобы исключить влияние индуктивности проводов.
		Устройства защиты контактов (преимущественно RC - звенья) параллельно катушке индуктивности
Схемы защиты полупроводниковых участков включения	Защита полупроводниковых элементов от перенапряжений	Параллельно участку включения тиристоров. Параллельно нагрузке, если между катушкой и транзистором не длинных соединительных проводов
Схемы защиты от помех	Возможное снижение и , чтобы избежать функциональных помех в соседних электронных системах, или предотвратить разрушение логических элементов	По возможности непосредственно на катушке индуктивности