Perturbatii electromagnetice

Perturbatii electromagnetice

Variatoarele de putere in special, dar si alte echipamentele electronice de putere a caror functionare implica procese periodice de comutare la tensiuni si curenti mari, reprezinta surse de perturbatie electromagnetica intr-o banda larga de frecvente.

Componentele spectrale apropiate de frecventa de repetitie genereaza putere deformata in retea si pierderi in consumator. Modalitatile specifice de reducere a ponderii acestora sunt analizate pentru fiecare categorie de convertoare. In general, sunt luate in considerare componente armonice pana la rangul 15, ponderea celorlalte in producerea efectelor mai sus mentionate fiind practic neglijabila. Pe de alta parte, componentele de inalta frecventa, desi au o pondere redusa in bilantul energetic, se propaga in retea (pe cablu) sau in mediul ambiant (prin camp) si pot perturba functionarea normala a unor aparate electronice de mare sensibilitate. La acest tip de perturbatii, denumite perturbatii electromagnetice sau interferente electromagnetice, ne vom referi in continuare.

Crescand numarul si puterea convertoarelor electronice de putere, necesitatea reglementarii nivelului de interferenta electromagnetica produs de un echipament electronic de putere este evidenta. In cadrul Comitetului Electrotehnic International (CEI) exista "Comitetul International Special pentru Perturbatii Radioelectrice" (CISPR), care prevede ca in domeniul de frecvente cuprins intre 150kHz si 30MHz, se masoara si se limiteaza tensiunile perturbatoare introduse in retea, iar intre 30MHz si 300MHz se masoara intensitatea componentei electrice a campului electromagnetic radiat sau puterea totala radiata.

In figura 2.25 sunt reprezentate nivelele maxim admisibile ale tensiunilor perturbatoare, N_p, in functie de frecventa, conform recomandarilor CISPR. Normele STAS prevad atat limite normale (N), valabile in zone de locuinte urbane, cat si limite ridicate (R), valabile in zone industriale. Pentru campul perturbator se prevede limita N de 200mV/m si limita R de 1000mV/m, masurate la distanta de 3m de sursa de perturbatii.

f [MHz]

Figura 2.25

In general, convertoarele electronice de putere genereaza perturbatii peste limitele reglementate, fiind necesar sa se ia masuri speciale de protectie. Acestea constau in inserarea intre retea si convertor a unor filtre pentru atenuarea propagarii ghidate si, uneori, ecranarea convertorului pentru atenuarea propagarii libere, deoarece convertoarele conectate nemijlocit la retea nu necesita ecranare electromagnetica.

Pentru proiectarea filtrelor trece jos LC, se considera convertorul ca o sursa de perturbatii cu tensiunea echivalenta U_p si impedanta interna echivalenta Z_p, iar reteaua ca un receptor cu impedanta Z_R, la bornele caruia se masoara tensiunea de perturbatii U_pR. Propagarea ghidata poate avea loc pe linia formata din conductoarele de retea (tensiunea de perturbatii masurata se numeste tensiune simetrica - S - sau de mod diferential) sau pe o linie echivalenta constituita din pamant (reprezentat punctat) si aceste conductoare (tensiunea de perturbatii fiind denumita asimetrica - AS - sau de mod comun). Schema echivalenta a surselor de perturbatii si a unei celule tipice de filtrare este aratata in figura 2.26.

Impedanta interna a sursei de perturbatii, pentru un convertor electronic de putere, este neglijabila, iar la frecvente de peste 150 kHz, X_C << Z_R , unde Z_R = 150 W (rezistiv), deci atenuarea de insertie a filtrului LC este data de relatia:

(2.6.1)

sau (in dB).

unde .

Pentru o filtrare cat mai buna in banda de frecvente peste 150kHz, se impune alegerea unei frecvente de rezonanta w cat mai mici, dar suficient de mare fata de fundamentala de comutare, astfel incat sa nu perturbe regimul de functionare al variatorului (de exemplu, pentru variatore cu reglaj prin faza se poate alege f₀>1kHz). In aceste conditii, pentru frecvente peste 150kHz, relatia 2.6.1 se poate aproxima prin:

Relatiile de mai sus sunt valabile atat pentru componentele simetrice cat si pentru cele asimetrice.

In realizarea practica a filtrelor apar urmatoarele probleme:

Elementele de circuit nu sunt pure (orice inductor are si o capacitate distribuita, intre spire si straturi de spire, iar condensator prezinta o inductanta echivalenta in serie), astfel ca apar abateri importante de la caracteristicile teoretice prezentate, chiar in interiorul domeniului de frecvente in care trebuie realizata protectia (150kHz - 30MHz). In figura 5.50 sunt reprezentate atenuarea de insertie a pentru un condensator cu C= 0,1mF intr-o celula cu element serie rezistiv de 60W (rezistenta conductoarelor de retea) si impedanta unei inductante bobinate pe miez de ferita avand L=200mH la un curent de 60A. Evolutia marimilor respective pentru elementele ideale este reprezentata cu linii intrerupte. Tinand cont ca amplitudinea componentelor spectrale generate de sursele de perturbatii scade cu frecventa, aproximativ dupa legea 1/f, se poate dimensiona filtrul la frecventa cea mai mica a domeniului (150kHz). Uzual se alege f₀ intre 1kHz si 10 kHz, iar valoarea condensatorului pentru componenta simetrica poate fi cuprinsa intre 0,1mF si 1mF.

Valoarea condensatorului este limitata din considerente de protectie la electrocutare a utilizatorului echipamentului. Astfel, daca apare o deconectare accidentala a conductorului de protectie de la pamant, condensatorul este singurul care limiteaza curentul de scurgeri (limitat la 3,5mA) prin persoana care ar atinge carcasa echipamentului. Rezulta pentru o tensiune efectiva de 220V/50Hz valoare maxima a capacitatii de aproximativ 50nF. In practica se aleg valori cuprinse intre 2,5nF si 10nF. Pentru a creste valoarea echivalenta a inductantelor L/2 in raport cu componenta asimetrica, acestea se bobineaza pe acelasi miez in opozitie, astfel incat fluxurile magnetice produse de curentul principal sa se compenseze si sa nu duca la saturarea miezului, putandu-se deci bobina un numar mai mare de spire pe un miez de dimensiuni acceptabile (figura 2.28),. Aceste bobine, denumite cu compensare de flux, ofera pentru componenta asimetrica o inductanta egala cu echivalentul conectarii in paralel a celor doua bobine necuplate, iar pentru componenta simetrica, inductanta de scapari dintre cele doua sectiuni. In cazul echipamentelor neconectate la pamant, bobina cu compensarea fluxului ramane singurul element de atenuare a componentelor asimetrice.

Deoarece componentele spectrale de frecventa inalta sunt determinate in primul rand de frontul impulsurilor generate de convertor, rolul inductantei serie de protectia in raport cu efectul di/dt poate fi si de filtrare, ducand la reducerea sensibila a gabaritului echipamentului.

Figura 2.27