Коммутация конденсаторов

Внутренние источники импульсных помех

Возникновение импульсных помех

Импульсные помехи (ИП) в сети имеют форму однополярных и колебательных импульсов напряжения и тока симметричного и несимметричного вида, наложенных на рабочие напряжения и токи. Причиной возникновения непериодических коммутационных импульсных помех являются переходные процессы при нормальных и аварийных коммутациях в системе электроснабжения.

Основными источниками помех могут быть названы следующие коммутации:

- включение потребителей электроэнергии (нагрузок);

- включение и отключение конденсаторов;

- выключение индуктивных цепей;

- аварийные замыкания.

Процесс возникновения ИП может быть пояснен с помощью схем (рис. 2.11), которые содержат источник напряжения Е, индуктивность L= 10…100 мкГн, отражающую индуктивность генераторов и кабелей, и сопротивление R = 5…50 Ом, отражающее волновые сопротивления кабелей и нагрузок в СЭС. Значения параметров схемы могут быть уточнены расчетным путем на основе осциллограммы ИП при включении известной нагрузки. Включение или выключение нагрузки (цепи) вызывает переходный процесс, приводящий к кратковременному отклонению напряжения в сети (точки 1-2) от напряжения Е, т.е. к появлению ИП. Схема (рис. 2.11, а) более точно отражает свойства сети, но для приближенной оценки ИП возможно использование схемы на рис. 2.11, б. Выключатель для случая замыкания контактов может замещаться идеальным ключом. При рассмотрении отключения нагрузки необходимо учитывать возможность возникновения дуги между расходящимися контактами выключателя.

Расчет ИП заключается в составлении и решении дифференциальных уравнений, описывающих переходный процесс в схеме при конкретной коммутации. В результате расчета определяются аналитические выражения для линейных и фазных (фаза-корпус) напряжений, определяются амплитуда и длительность ИП.

Кроме коммутационных перенапряжений причинами появления внутренних помех в системе, т.е. взаимного влияния приборов или конструктивных элементов, являются:

- напряжение питания с частотой 50 Гц; изменения потенциала в сетевых проводах питания устройств электроники;

- изменения сигналов в проводах управления или линиях передачи данных;

- высокочастотные или низкочастотные тактовые сигналы; коммутационные процессы в герконах на печатных платах;

- магнитные поля ходовых механизмов с накопителями энергии;

- искровые разряды при замыканиях и размыканиях контактов;

- резонансные явления при замыкании контактов.

Кроме того, в устройствах автоматизации могут возникнуть и другие электрические факторы, которые станут причиной нарушения функционирования. Это переходные сопротивления в контактах, дрейф параметров элементов, разброс времени коммутации в логических устройствах, исчезновения сигналов при передаче, явления отражения в линиях, пьезоэлектрические смещения зарядов при сжатии и изгибах изоляции, а также контактные напряжения и термоэлектрические эффекты в точках соединения проводников из различных материалов.

     Эти возможные паразитные эффекты необходимо учитывать при разработке и изготовлении электронных средств автоматизации и соответствующими мерами, например подавлением, нужно ограничить их влияние.

Включение нагрузок

     При включении активных сопротивлений и электродвигателей в сети наблюдаются изменения мгновенного значения напряжения (рис. 2.12). До замыкания контактов выключателя напряжение изменяется по синусоидальному закону с рабочей частотой в сети переменного тока или равно рабочему напряжению в сети постоянного тока. При включении нагрузки (t = 0) возникает провал мгновенного значения напряжения (не путать с провалом действующего значения), а затем происходит восстановление по кривой, близкой к экспоненте.

 

 

Включение нагрузки с меньшим сопротивлением приводит к возникновению ИП большей амплитуды и длительности.

Потребители электроэнергии, не содержащие на своих зажимах конденсаторов, могут быть замещены волновым сопротивлением активного характера Z _н = R _н. В соответствии со схемой (см. рис. 2.11, б) включение активного сопротивления вызовет в сети изменение напряжения, описываемое выражением

                               (2.2)

где

Амплитуда ИП (максимальное отклонение напряжения от величины E) прямо пропорциональна мгновенному значению в момент, непосредственно предшествующий коммутации, и определяется по формуле

                                        (2.3)

а длительность ИП на уровне 0,5 максимального значения

                                    (2.4)

Если в электрическую сеть 220 В, 50 Гц с типичными параметрами L = 20 мкГн, R = 20 Ом включается нагреватель мощностью 3 кВт (фазное сопротивление R _н = 16 Ом), то, полагая Е равным амплитудному значению U _ф.mах и R _н = 16 Ом, максимальная амплитуда ИП равна

Длительность ИП определяется по формуле (2.4):

При включении нагрузки в трехфазную сеть 380 В, 50 Гц максимально возможная амплитуда ИП не превышает U _ф.mах на фазах относительно корпуса и U _л.mах между фазами. Для сети 380 В эти величины составляют 310 и 540 В. Длительность ИП лежит в пределах
10^-1…10² мкс.

 

 

Коммутация конденсаторов

  При включении конденсаторов или цепей с конденсаторами в электрической сети наблюдаются изменения мгновенного значения напряжения, представленные на рис. 2.13. В момент включения (t = 0) возникает провал напряжения до начального напряжения на конденсаторе, а затем восстановление по колебательной кривой. Включение конденсатора с большей емкостью приводит к возникновению ИП большей длительности.

Расчет ИП при включении конденсаторов выполняется на основе схемы (см. рис.2. 11, б), где в качестве Z _н включен конденсатор С _н, который может быть заряжен после предшествующего отключения до напряжения U _сн.

При замыкании контактов выключателя возникает переходный процесс, сопровождающийся изменением напряжения в сети в соответствии с выражением

(2.5)

где

   Амплитуда ИП равна

                                              (2.6)

Длительность ИП определяется по формуле

                                (2.7)

При включении конденсатора емкостью С _н = 5 мкФ в сеть 380 В, 50 Гц с параметрами R = 20 Ом, L =20 мкГн возникает ИП колебательной формы с частотой колебаний

длительностью

Амплитуда ИП между фазами при включении конденсатора, заряженного после предшествующего отключения, максимальна при U _сн = –U _л.mах , E= U _л.mах и достигает в соответствии с (2.6) величины

Аналогично при повторном включении конденсатора между фазой и корпусом амплитуда ИП на фазе может достигать удвоенного амплитудного значения фазного напряжения: