Каталог продукции
Энергетические технологии
Разработка, производство и обслуживание систем электропитания
Пн - Чт с 8:30 до 17:30
Пт с 8:30 до 16:30
Настоящая статья является продолжением цикла публикаций о системах бесперебойного питания переменного тока ( ЭК №7 2003, №4 2004, №6 2004, №8 2005). Рассматриваются вопросы электромагнитной совместимости (ЭМС) объектов в системах бесперебойного питания, в частности, влияния помех кондуктивного характера.
Проблема обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) объектов системы бесперебойного питания (СБП) становится все более насущной в связи с увеличением количества нелинейных нагрузок. Актуальность улучшения показателей ЭМС источника бесперебойного питания (ИБП), как одного из объектов СБП, с сетью и потребителями повышается с ростом уровня преобразуемой мощности от 6 кВА и выше. Нормы качества электрической энергии и параметры ЭМС технических средств систем электроснабжения определены стандартами [1- 4]. Требования к помехоустойчивости ИБП как объекта СБП отражены в ряде стандартов, посвященных электромагнитной совместимости технических средств [5-8]. Следует отметить, что вопросам ЭМС радиоэлектронных и цифровых технических средств достаточно давно уделяется внимание, что нашло отражение в ряде публикаций [9,10]. Практические вопросы борьбы с помехами в электронной аппаратуре описаны в работах [11-13]. Однако проблемы ЭМС в системах бесперебойного питания не нашли еще полного и систематизированного изложения.
Электромагнитные помехи (ЭМП) представляют собой электромагнитные и электрические процессы, возникающие в источнике помех и распространяющиеся в пространстве (индуктивные) или проводящей среде (кондуктивные), которые нежелательным образом могут повлиять на работоспособность или надежность системы.
Остановимся коротко на индуктивных помехах. Последние, излучаемые при работе ИБП, должны быть ограничены в соответствие с требованиями, указанными в [22]. Рассматривая ИБП в качестве приемника (рецептора) индуктивных помех, следует учитывать устойчивость оборудования к радиочастотному электромагнитному полю, излучаемому радио-телевизионными передатчиками и радарами. Такие помехи могут воздействовать на интерфейсные связи в ИБП, что требует их экранирования или использование оптоволоконных связей. По требованиям [6] устойчивость оборудования к радиочастотному электромагнитному полю в полосе частот 80 – 1000 мГц при амплитудной модуляции синусоидальным сигналом с частотой 1 кГц и глубиной модуляции 80% должна соответствовать уровню напряженности испытательного поля от 1 В/м до 10 В/м в зависимости от степени жесткости испытания.
Возникающие при электростатическом разряде помехи характеризуются широкополосным высокочастотным спектром и, следовательно, велико их влияние на платы и блоки управления ИБП через паразитные емкостные связи. Необходимым мероприятием для снижения риска электростатического разряда является, в первую очередь, качественное выполнение заземления корпусов всего оборудования, входящего в состав СБП. По требованиям [5] объекты СБП должны выдерживать электростатические разряды с уровнем испытательного воздействия в зависимости от степени жесткости испытаний: при контактных разрядах - от 2 до 8 кВ, а при воздушных разрядах – от 2 до 15 кВ.
Более подробное рассмотрение индуктивных помех в СБП выходит за рамки настоящей публикации. Далее остановимся на природе и методах борьбы с кондуктивными помехами в СБП.
Электромагнитная совместимость ИБП - это его способность функционировать с заданным качеством совместно и одновременно с другими объектами СБП (распределительной сетью, трансформаторной подстанцией ТП линии электропередачи ЛЭП , дизель-генераторной установкой ДГУ или газогенераторной установкой ГГУ и разнообразными потребителями) в заданной электромагнитной обстановке при возможном воздействии электромагнитных помех, не создавая при этом недопустимых помех другим объектам и системам.
Электромагнитная обстановка (ЭМО) - это реальные электромагнитные условия, в которых функционирует система бесперебойного питания.
Параметры ЭМП - это величины токов и напряжений для кондуктивных (проводных) помех.
Устойчивость к электромагнитным помехам (помехоустойчивость системы) - это способность сохранять заданное качество функционирования при воздействии внутренних (аппаратных) и внешних (системных) помех с регламентируемыми значениями параметров.
Помехозащищенность ИБП - это способность противостоять внешним и внутренним помехам, которая зависит от топологии ИБП и применяемых дополнительных средств и способов защиты от помех.
Источник помех в СБП - это объект, создающий помехи для других объектов, входящих в состав СБП.
Рецептор помех в СБП - это объект, являющийся приемником помех, созданных другими объектами СБП.
Входя в состав системы бесперебойного питания, ИБП может являться как источником помех для других объектов СБП, так и рецептором по отношению к другим объектам СБП. Перечень возможных межобъектовых кондуктивных помех в СБП, методы борьбы с ними и соответствующие стандарты по нормам ЭМС приводится в таблице 1.
Таблица №1. Межобъектовые помехи в СБП
Источник - рецептор ЭМП |
Вид и характер кондуктивной помехи | Метод борьбы с помехой | Параметры ЭМП |
---|---|---|---|
СЕТЬ - ИБП |
|
|
ГОСТ Р 50745-99 ГОСТ Р 51317.4.4 ГОСТ Р 51317.4.5 ГОСТ Р 51317.4.6 ГОСТ 13109-97 |
ДГУ - ИБП |
|
|
ГОСТ 23377-84 |
ИБП - СЕТЬ |
|
использование:
|
ГОСТ Р 51317.3.2 ГОСТ 13109-97 ГОСТ 27699-88 |
ИБП - ДГУ |
|
|
ГОСТ 23377-84 |
ИБП - нагрузка |
|
|
ГОСТ Р 51317.3.3 ГОСТ 27699-88 ГОСТ 13109-97 |
Нагрузка - ИБП |
|
|
ГОСТ 27699-88 ГОСТ Р 50745-99 |
Рассмотрим более подробно взаимовлияние объектов СБП на ЭМС системы в целом.
Низкое качество заземления (заземляющий проводник, элементы его соединения и заземлитель - электрод или контур заземления, непосредственно соединенный с землей) или его неправильное выполнение могут послужить причиной возникновения помех. Иногда вместо заземления используют зануление – подключение к заземлителю ближайшей ТП, на которой заземляется нейтраль трехфазной сети. Такая организация заземления является неудовлетворительной с точки зрения ЭМС, т.к. возникают токи через цепи заземления, особенно при нелинейных нагрузках, что приводит к появлению помех. Помимо обеспечения электробезопасности, заземление обеспечивает единый опорный потенциал для всех объектов системы бесперебойного питания, что снижает риск возникновения помех. Аварийные потенциалы в системе заземления воздействуют на ИБП как низкочастотные кондуктивные помехи [14].
Причинами возникновения импульсных помех являются коммутации на участках ЛЭП или коммутация мощных реактивных нагрузок до входа ИБП. Значения коммутационных импульсных напряжений в сети 380 В могут достигать 4,5 кВ [1].
В стандартах [7,8 ] приведены требования к устойчивости оборудования к микросекундным и наносекундным импульсным помехам, при уровне испытательного воздействия от 0,5 до 4 кВ в зависимости от степени жесткости испытания.
Нарушение функционирования ИБП, выход из строя его блоков, возможное возгорание проводников после пробоя их изоляции - примеры последствий воздействия высоковольтных импульсов напряжения, возникающих в сети. Для исключения воздействия импульсов большой энергии на входе ИБП устанавливаются ограничители напряжения (ОН), которые характеризуются максимальным значением ограничения напряжения Uогр.макс. и максимальным значением импульсного тока ограничения Iогр.макс. ОН могут быть выполнены с использованием варисторов (нелинейных резисторов) или полупроводниковых ограничителей напряжения [12]. Следует отметить, что последние, обладая высокими значениями допустимого импульсного тока, сохраняет свои свойства после неоднократного воздействия на него высоковольтных импульсов.
Высокочастотные помехи чрезвычайно часто возникают в шинах переменного тока.
На входе ИБП устанавливается сетевой фильтр ЭМС, являющийся устройством подавления высокочастотных помех. Это устройство представляет собой цепочечную схему включения П или Г-образных LС фильтров. Конденсаторы, установленные в них между фазным проводом - землей (корпусом) и между нулевым проводом - землей (корпусом), служат для снижения несимметричных сетевых помех. Конденсаторы, установленные в них между фазным проводом и нулевым проводом, служат для снижения симметричных сетевых помех. Обмотки дросселей L, выполненные на ферритовых сердечниках и включенные в линию фазы и нейтрали, имеют согласное включение для эффективного подавления несимметричных помех или встречное включение для подавления симметричных помех.
С помощью современных фильтров ЭМС в диапазоне частот 0,5 - 10 мГц помехи могут быть ослаблены в 1000 раз, т.е. коэффициент подавления (затухания) высокочастотных помех:
где:
Uвх - амплитуда импульсной помехи на входе фильтра,
Uвых – амплитуда помех на выходе фильтра.
Помимо входных фильтров ЭМС в ИБП применяют выходные фильтры ЭМС для подавления высокочастотных помех как со стороны инвертора, так и со стороны нагрузки.
В мощных ИБП (30 кВА и более) в качестве фильтров ЭМС используют только емкости, включенные между фазными проводами, нейтралью и землей. Реализация дросселей, работающих в синфазном режиме, в этом случае заключается в пропускании кабеля через кольцевой ферритовый сердечник. Эти же кольца могут служить для ограничения выбросов (скорости нарастания) тока при различных коммутациях как в цепях переменного, так и постоянного тока.
Высшие гармоники тока, создаваемые ИБП, как объекта с нелинейной входной характеристикой, могут представлять собой серьезные проблемы ЭМС для систем бесперебойного питания. Природа возникновения и последствия воздействия высших гармонических составляющих с частотами, кратными основной частоте сети, описаны в работах [15, 16]. Отметим, что искажение синусоидальности тока влияет так же на форму напряжения питания других потребителей, подключенных к тому же фидеру. Характерно, что наиболее существенными по величине высокочастотными гармониками во входном токе трехфазного ИБП с 6-ти полупериодным выпрямителем являются 5-ая и 7-ая гармоники (250 и 350 Гц), а в системах с 12-ти полупериодным выпрямителем -11-ая и 13-ая гармоники (550 и 650 Гц). Таким образом, ИБП, как объект системы бесперебойного питания, представляет собой генератор высших гармоник в другие объекты системы (сеть или генератор ДГУ). В зависимости от места подключения в распределительной сети и процентного соотношения с линейными нагрузками, подключенными к той же сети, ИБП может искажать форму напряжения сети и оказывать влияние на другие потребители. Предельно допустимые значения гармонических составляющих напряжения в точке общего подключения к электрическим сетям с номинальным напряжением 380 В по [1] не должны превышать 9% для 5-ой гармоники и 5,25% для 11-ой гармоники. Предельно допустимое значение коэффициента искажения синусоидальности напряжения сети 380 Вне должно превышать 12%. При этом происходит увеличение действующего значения тока, потребляемого из сети, приводящее к повышенной загрузке оборудования распределительной сети электропитания.
Среди основных способов подавления высших гармоник для обеспечения требуемой ЭМО в системах бесперебойного питания следует отметить:
При наличии высших гармоник в электрических цепях со сосредоточенными и распределенными параметрами, каковыми можно представить оборудование распределительных сетей системы электропитания, возникает опасность появления резонансных явлений. При возникновении резонансного или близкого к нему режима на какой-либо высшей гармонике тока или напряжения, эта составляющая оказывается больше, чем амплитудное значение первой гармоники на том же участке цепи. Это отрицательным образом может сказаться на работоспособности отдельных устройств системы. Так одним из факторов, влияющих на качество напряжения питания, является возможный резонанс токов на участке силовой трансформатор ТП - установка компенсации реактивной мощности (УКРМ), подключенной к шинам низкого напряжения силового трансформатора. Значение гармоники, на которой может возникнуть резонанс токов, можно определить из соотношения:
где: |
- номинальная мощность трансформатора, кВА; |
- реактивная мощность включенных ступеней УКРМ, кВАр; |
- относительное значение напряжения короткого замыкания трансформатора. |
При питании электроустановок от ТП с трансформатором мощностью 1000 кВА и УКРМ, каждая секция которой составляет 60 кВАр, резонанс токов может наступить при работе двух секций УКРМ на частоте 550 Гц, соответствующей 11-ой гармоники промышленной частоты. Именно эта гармоника присутствует в составе входного тока трехфазного ИБП с 12-ти полупериодным выпрямителем. При включенных секциях УКРМ амплитуда 11-ой гармоники увеличивается более чем в 2,5 раза [19 ]. Коэффициент 11-ой гармоники напряжения питания при этом будет превышать 5,5%, в то время как по [1] предельно допустимое значение этого показателя качества не должно превышать 5,25%.
При пониженных мощностях силового трансформатора ТП, например 100 кВА, и одной включенной секции УКРМ резонанс токов может возникнуть на 5-ой гармонике, характерной составляющей во входном токе трехфазных ИБП с 6-ти полупериодным выпрямителем.
Для снижения риска возникновения резонансных явлений в УКРМ устанавливаются антирезонансные дроссели последовательно с конденсаторными батареями [20]. Антирезонансные дроссели обладают большим сопротивлением на частоте высших гармоник тока и индуктивный характер сопротивления УКРМ на частоте высшей гармоники обуславливает то, что резонансный контур в цепи УКРМ – индуктивное сопротивление силового трансформатора не образуется.
Таким образом, режим работы УКРМ и выбор типа ИБП связаны с вопросами ЭМС в системе бесперебойного питания и требуют детального изучения еще на стадии проектирования системы.
В качестве резервного источника электроэнергии в системах бесперебойного питания наиболее широкое распространение получили дизель-генераторные установки (ДГУ). Однако их применение требует решения вопросов ЭМС при работе на ИБП:
В [21] приводятся нормы качества электроэнергии ДГУ. Наиболее важными для решения вопросов ЭМС являются:
При набросе нагрузки, т.е. подключении ИБП к ДГУ, происходит скачкообразное уменьшение напряжения и частоты на выходе генератора и напряжение на входе ИБП может выйти за пределы диапазона сетевого режима работы ИБП. Последний реагирует на это как на пропадание сети и переходит на акуммуляторный режим. Генератор ДГУ окажется в режиме холостого хода и через время восстановления выдаст номинальное напряжение и частоту. ИБП воспринимает появление номинального напряжения на своем входе и вновь пытается перейти с аккумуляторного режима на режим двойного преобразования энергии от генератора. Однако наброс нагрузки вновь вызовет провал напряжения генератора – и далее процесс повторяется. В системе возникает, так называемый, режим “качелей”, приводящий к аварийной ситуации.
Эту проблему совместимости ДГУ и ИБП можно решить следующим образом:
Следующая проблема ЭМС заключается в том, что в стационарном режиме работы системы ИБП, как было отмечено ранее, характеризуется высокочастотными гармониками входного тока. Возникающий несинусоидальный ток вызовет дополнительные потери в генераторе, снижение отдаваемой в нагрузку мощности и искажение синусоидальности формы выходного напряжения ДГУ, что может служить причиной некорректной работы электронного регулятора напряжения и вызвать аварийный режим системы. Мощность генератора ДГУ с учетом его внутренних электрических параметров и высших гармоник тока можно определить следующим образом [23]:
где: |
- номинальная полная мощность генератора ДГУ, |
- номинальная мощность ИБП, |
- относительное значение сверхпереходного индуктивного сопротивления генератора по продольной оси ротора при синусоидальном характере тока (составляет для современных ДГУ 0,11 – 0,15), |
- относительное значение сверхпереходного индуктивного сопротивления генератора по продольной оси ротора при несинусоидальном характере тока (при 6-ти полупериодном выпрямителе ИБП составляет 0,04, при 12-ти полупериодном выпрямителе – 0,09). |
Следовательно, уменьшая высокочастотные гармонические составляющие тока, можно выбрать генератор меньшей мощности.
Для снижения высокочастотных составляющих тока генератора на входе ИБП применяют пассивные фильтры гармоник. Однако, при работе на холостом ходу или при малой нагрузке входное сопротивление ИБП с фильтром гармоник принимает емкостной характер, что может вызвать резкое увеличение напряжения генератора ДГУ и срабатывание его защиты. Для исключения указанного режима и обеспечения ЭМС между ДГУ и ИБП используют компенсированный фильтр 5-ой гармоники или входной фильтр с коммутаторами в его поперечных ветвях [16].
Нелинейные нагрузки - это такие устройства, которые потребляют ток несинусоидальной формы (например, бестрансформаторные выпрямители с емкостным фильтром). Характеризуются высоким коэффициентом амплитуды тока (крест-фактором). Для обеспечения ЭМС выходной цепи инвертора ИБП с нелинейной нагрузкой, современные ИБП обладают крест-фактором, достигающим значения 3/1. При больших значениях коэффициента амплитуды тока нагрузки может произойти ухудшение качества выходного напряжения ИБП из-за роста коэффициента искажения синусоидальности выше допустимого. Для исключения этого явления инвертор ИБП ограничивает амплитуду генерируемого тока, увеличивая при этом длительность импульса тока на полупериоде выходного напряжения [24].
Другим параметром нагрузки, осложняющим ЭМС в СБП, может быть высокое значение пускового тока. В таблице 2 приведены характеристики пусковых режимов некоторых распространенных нагрузок и типовые перегрузочные способности ИБП.
Таблица №2. Характеристики пусковых режимов потребителей
Тип потребителя | Кратность пускового тока |
Длительность пускового режима, с |
Перегрузочные способности ИБП |
---|---|---|---|
Электронагревательные приборы | 1,05 - 1,1 | 0,5 - 30 | 110 - 125% в течение 10 мин, 125 - 150% в течение 1 мин, более 200% в течение 7 с. |
Люминисцентные светильники | 1,05 - 1,1 | 0,1 - 0,5 | |
Лампы накаливания | более 5 | 0,05 - 0,3 | |
Бытовое электронное оборудование | 2 - 3 | 0,25 - 0,5 | |
Компьютерное оборудование | 5 - 10 | 0,25 - 0,5 | Возможен переход ИБП на режим байпас |
Устройства, содержащие электродвигатели, (холодильники, кондиционеры и т.п.) | 3 - 7 | 1 - 5 |
Кратность пускового тока представляет собой отношение максимального значения тока в момент пуска к номинальному действующему значению тока в установившемся режиме.
Снижение тока нагрузки после пуска происходит по апериодическому закону за время, соответствующее длительности пускового режима. Следует отметить, что перегрузочные способности инвертора ИБП позволяют осуществлять пуск большинства нагрузок в режиме двойного преобразования энергии, обеспечивая качественное электропитание.
При возможном переходе ИБП из-за перегрузки в режим байпаса условия ЭМО для нагрузки будут полностью определяться только параметрами качества сети.
СБП представляет собой сложный комплекс взаимовлияющего с точки зрения ЭМС оборудования. Учет возможных факторов возникновения ЭМП и выбор совместимого оборудования должны начинаться на этапе проектирования системы. При этом следует иметь представление об общей ЭМО в помещении, где располагаются объекты СБП, и о характере нагрузки, требующей бесперебойного обеспечения ее качественной электроэнергией.
Климов В.П., Климов И.В., Смирнов В.Н.
Статья опубликована в журнале "Электронные компоненты" N2 за 2006 год.