Кондуктивные помехи в инверторном сварочном аппарате знакопеременного тока высокой частоты

В соответствии с действующими стандартами все электрические аппараты должны быть сертифицированы на предмет оценки уровня создаваемых ими электромагнитных помех (ЭМП) и соответствия требованиям по электромагнитной совместимости (ЭМС). С учетом среды распространения помехи делятся на две группы: электромагнитные, распространяющиеся в виде электромагнитных волн по эфиру, и электрические, распространяющиеся по проводам и проводящим поверхностям. Помехи, распространяющиеся в проводящей среде, называются кондуктивными и по своему характеру могут быть отнесены к непрерывным колебаниям либо к апериодическим и переходным процессам [1].

В зависимости от происхождения и характера распространения кондуктивные помехи принято разделять на симметричные (дифференциальные) и несимметричные (синфазные или общего вида).

Симметричная помеха возникает, когда напряжение помехи приложено между фазным (линейным) и нейтральным проводами, то есть это помеха, распространяющаяся аналогично протеканию переменного тока в сети. В цепях постоянного тока напряжение симметричной помехи приложено между положительным и отрицательным проводниками.

Несимметричная помеха — это помеха, действующая между проводниками и корпусом или шиной заземления через паразитный импеданс (паразитные емкости) между этими объектами. В цепях постоянного тока напряжение несимметричной помехи приложено между проводниками (положительным или отрицательным) и корпусом [1].

В импульсном техническом средстве (ТС) под действием напряжений помех возникают токи, которые протекают по сетевым проводам (рис. 1).

Рис. 1. Пути распространения симметричных и несимметричных токов помех импульсного ТС

Источник помех (импульсное ТС) показан на схеме с учетом полного сопротивления заземляющего провода Z_З, соединенного с корпусом ТС, и паразитной емкости С_П между импульсным ТС и землей. Приемник помех изображен элементом полного сопротивления распределительной электросети Z_C. Направление рабочего тока, потребляемого ТС от сети, на схеме не показано. Импульсное ТС создает напряжения помех: симметричное u_см между фазным и нейтральными проводами и несимметричные u_нсм1 и u_нсм2 — между каждым из проводов и землей. Напряжение u_см создает симметричный ток i_см, протекающий по фазному и нейтральному проводам в противоположных направлениях; напряжения u_нсм1 и u_нсм2 создают несимметричные токи i_нсм1 и i_нсм2, протекающие по сетевым проводам в одном направлении.

В цепь токов i_см, i_нсм входит сопротивление Z_C, значение его зависит от параметров распределительной сети, количества и характера подключенных к ней приемников. В цепь токов i_нсм входят также сопротивления паразитных элементов С_П и Z_З. В общем случае С_П, Z_C и Z_З неизвестны и имеют случайный характер. Поэтому расчет уровней симметричных и несимметричных помех затруднен [1].

Для исследования кондуктивных помех в ИСА за объект исследования была принята схема ИСА знакопеременного тока, выполненная по схеме сдвоенного полумоста [2]. Схема силовой части аппарата приведена на рис. 2.

Рис. 2. Упрощенная схема инверторного сварочного аппарата знакопеременного тока

Для анализа кондуктивных помех была построена модель ИСА (рис. 3) в пакете MATLAB SymPower System.

Рис. 3. Модель ИСА знакопеременного тока в среде MATLAB

Параметры элементов, которые учитывались при построении модели, приведены в таблице 1.

В модель введена индуктивность L1, которая включает в себя распределенную паразитную индуктивность выводов конденсаторов и распределенную индуктивность силовых проводников. Величина этой индуктивности оказывает существенное влияние на характер процессов, так как при коммутации больших токов с высокой скоростью ее наличие приводит к возникновению перенапряжений на силовых ключах.

Для измерения напряжения кондуктивной несимметричной помехи в модель введена паразитная емкость C_П между корпусом ИСА (землей) и выходными зажимами, величиной 10 нФ, и сопротивление R2, с помощью которого осуществлялось измерение напряжения кондуктивной помехи. На рис. 4 приведена временная диаграмма кондуктивной помехи при частоте 25 кГц и скважности импульсов, равной 10.

Рис. 4. Временная диаграмма напряжения кондуктивной помехи

На рис. 5 показана спектрограмма напряжения кондуктивной помехи.

Рис. 5. Спектрограмма напряжения кондуктивной помехи

В соответствии с ГОСТ Р 51527-99 кондуктивные помехи должны иметь значения, не превышающие величин, приведенных в табл. 2.

Из таблицы 2 следует, что в полосе частот 0,5–5 МГц напряжение кондуктивных помех не должно превышать 73 дБмкВ. А по результатам моделирования (рис. 5) следует, что напряжение кондуктивной помехи достигает в данной полосе частот 150 дБмкВ, что является недопустимым значением. Из этого следует, что ИСА с характеристиками, приведенными в таблице 1, не соответствует требованиям стандарта по ЭМС и должен быть доработан.

Выводы

Инверторные сварочные аппараты являются источниками создания как эфирных, так и кондуктивных помех. Уровень кондуктивных помех можно приблизительно оценить на начальном этапе проектирования путем компьютерного моделирования. На конкретном примере показано, что ИСА переменного тока высокой частоты при указанных параметрах элементов схемы не удовлетворяет требованиям стандарта и подлежит доработке.