Приложение А (справочное). Методы ЭМС

Приложение А
(справочное)

Методы ЭМС

А.1 Общий обзор явлений, относящихся к ЭМС

А.1.1 Электромагнитные явления

Сведения о многих электромагнитных явлениях приведены в IEC 61000-2-5. Определения низкочастотных электромагнитных явлений приведены в IEC 61000-2-1.

При функционировании СЭП к установившемуся состоянию процесса добавляются гармонические составляющие из-за нелинейности преобразователя и/или инвертора и высокочастотные электромагнитные явления из-за быстрого переключения силовых электронных устройств преобразователя и/или инвертора. Поэтому СЭП может создавать как низкочастотные, так и высокочастотные электромагнитные помехи.

С другой стороны, аппараты или системы, находящиеся вблизи СЭП, могут создавать низкочастотные и высокочастотные помехи, которые могут воздействовать на функционирование СЭП.

Электромагнитные помехи, которые должны рассматриваться при введении в действие и эксплуатации СЭП, использующих силовую электронику, могут быть классифицированы. Каждое из электромагнитных явлений может рассматриваться в качестве низкочастотной или высокочастотной помехи. В настоящем стандарте границу между низкими и высокими частотами принимают равной 9 кГц в соответствии с документами Международного союза электросвязи (МСЭ).

Для СЭП рассматривают:

- основные частоты менее 9 кГц, специально создаваемые для обеспечения питания двигателя;

- в качестве вторичного явления - частоты более 9 кГц, которые могут использоваться в системах управления, например в широтно-импульсном модуляторе, управляющем инвертором, в микропроцессорных генераторах.

В каждом случае идентифицируются кондуктивные и излучаемые электромагнитные помехи.

В отношении проводимости интерес представляют:

- несимметричное напряжение, характеризующее помехи, возникающие между входными (выходными) выводами оборудования;

- общее несимметричное напряжение, характеризующее помехи, возникающие между средней точкой входных или выходных выводов оборудования и землей или опорным заземляющим соединением.

Приведенный выше текст является пояснением к помехам, вызванным проводимостью; определения приведены в IEC 60050(161).

В отношении излучения интерес представляют:

- электромагнитное поле в ближней зоне: расстояние до (паразитного) передатчика менее /2тт;

- электромагнитное поле в дальней зоне: расстояние до (паразитного) передатчика более /2тт,

где - длина волны рассматриваемого сигнала.

При изучении электромагнитной совместимости системы рассматривают каждый из этих случаев с точки зрения электромагнитной эмиссии и устойчивости к электромагнитным помехам.

В таблице А.1 обобщена эта классификация.

Таблица А.1 - Обзор явлений, относящихся к ЭМС

Частота	Распространение помех	Связь		Электромагнитная эмиссия	Устойчивость к электромагнитным помехам
Низкие частоты 0 f < 9 кГц	Проводимость	Общий несимметричный режим		Гармоники, кратные трем (нулевая последовательность) Дифференциальные токи	Напряжение промышленной частоты
		Симметричный режим		Гармоники, интергармоники и коммутационные провалы Последовательности сетевых сигналов	Коммутационные провалы Колебания напряжения Провалы напряжения и кратковременные перерывы питания Импульсные перенапряжения Фазовые колебания Несимметричные напряжения Отклонения частоты Составляющие постоянного тока в сетях
	Излучение	Поле ближней зоны	Магнитная связь	Магнитное поле	Магнитное поле
			Емкостная связь	Электрическое поле	Электрическое поле
		Поле дальней зоны
Высокие частоты 9 кГц f	Проводимость	Общий несимметричный режим		Наведенные радиочастотные напряжения и токи	Наведенные радиочастотные напряжения и токи Однонаправленные переходные процессы
		Симметричный режим			Наведенные радиочастотные напряжения и токи Однонаправленные переходные процессы
	Излучение	Поле ближней зоны		Электрическое поле (большое полное сопротивление) Магнитное поле (низкое полное сопротивление)	Импульсные магнитные поля (переносные радиопередатчики) Переносные радиопередатчики
		Поле дальней зоны		Электромагнитные поля	Радиочастотные электромагнитные поля
Широкий спектр		Воздушный разряд Контактный разряд
Примечание - В настоящем стандарте граница между низкими и высокими частотами равна 9 кГц в соответствии с установившейся практикой МЭК. Эта терминология не относится к вещательным полосам частот.

Опыт промышленной эксплуатации показал, что основными причинами несовместимости являются кондуктивные электромагнитные помехи; возможное исключение составляют помехи от переносных радиопередатчиков. В настоящем стандарте рассматриваются помехи, специфичные для применения СЭП.

А.1.2 Уровни электромагнитной совместимости

Для обеспечения ЭМС электромагнитная эмиссия от оборудования и электромагнитные помехи, воспринимаемые этим оборудованием, должны быть измерены и охарактеризованы. Различные уровни величин, относящихся к электромагнитным помехам и устойчивости к электромагнитным помехам, которые должны быть известны, представлены на рисунке А.1.

А.1.3 Применение СЭП и ЭМС

Область применения СЭП слишком велика, чтобы составить полный перечень применений. Тем не менее примеры, приведенные в тексте приложения, показывают, что условия электромагнитной обстановки очень различны. Как следует из определения, электромагнитная совместимость в большей степени зависит от окружающей электромагнитной обстановки, чем от характеристик самого оборудования. Любая эффективная инженерная практика должна учитывать это обстоятельство. Например, ограничение электромагнитной эмиссии в жилых зданиях должно отличаться от ограничений эмиссии, касающихся прокатного стана на промышленном предприятии.

Рисунок А.1 - Соотношение между электромагнитными помехами и устойчивостью к электромагнитным помехам

Ниже приводятся примеры применения СЭП:

- механические станки, роботы, испытательное оборудование, используемое в производстве, испытательные стенды;

- машины для изготовления бумаги, текстиля, каландровые машины в каучуковой промышленности;

- технологические линии по производству пластмасс или металла, прокатные станы;

- оборудование для измельчения цемента, печи для обжига и сушки цемента, растворосмесители, центрифуги, экструдеры;

- сверлильные станки;

- конвейеры, погрузочно-разгрузочные устройства, подъемное оборудование (краны, эстакады и т.д.);

- корабельные двигатели и т.д.;

- насосы, вентиляторы и т.д.

Указанные выше применения СЭП относятся к области применения настоящего стандарта. Однако средства автотранспорта с электродвигателями и средства электрической тяги из области применения настоящего стандарта исключены (см. раздел 1).

А.2 Условия нагрузки, относящиеся к высокочастотным электромагнитным явлениям

А.2.1 Условия испытаний, относящиеся к испытаниям на электромагнитную эмиссию

Нагрузка на двигатель обычно оказывает малое влияние на характеристики ЭМС СЭП. Поэтому нет необходимости в испытаниях СЭП для проверки характеристик электромагнитной эмиссии от СЭП при всех условиях нагрузки. Испытания проводят только при нагрузке, являющейся представительной для всех создаваемых электромагнитных помех. Изготовитель должен подтвердить, что условия нагрузки, которые он выбрал для испытаний, соответствуют этому критерию.

Излучаемые и кондуктивные электромагнитные помехи, создаваемые СЭП, в основном вызываются резкими изменениями ее выходного напряжения, используемого при генерировании выходной мощности на низкой частоте или на постоянном токе. Спектр изменений напряжения может иметь достаточную энергию при высоких частотах, чтобы СЭП генерировала излучения от входных силовых кабелей, корпуса, кабелей двигателя и корпуса двигателя. Так как излучение электромагнитной энергии вызывается изменениями напряжения, испытания должны проводиться в условиях, когда изменения напряжения имеют наибольшие составляющие высокой частоты. В проведении испытаний при других условиях нет необходимости.

Резкость изменений выходного напряжения зависит от скорости переключения устройства питания, используемого в СЭП. Транзисторы (IGBT) являются весьма быстродействующими устройствами, которые в сочетании с характеристикой восстановления диодов, применяемых в некоторых типах инверторов, могут создавать значения dU/dt более 1000 В/мкс. Следует отметить, что крутизна характеристики восстановления диода является основной причиной высокого значения dU/dt. Даже если уровень тока восстановления зависит от нагрузки, крутизна характеристики восстановления диода не зависит в той же степени от уровня нагрузки. Следует также заметить, что мероприятия по уменьшению резкости изменений напряжения должны учитывать эффекты насыщения фильтрующих элементов (например, насыщение помехоподавляющих индукторов).

С другой стороны, важно учитывать воздействие пассивных емкостных, активных или индуктивных компонентов силовой цепи, таких как демпфирующие компоненты, используемые для регулирования степени повышения выходного напряжения. При наличии этих устройств выходной сигнал может иметь значение dU/dt, которое зависит от нагрузки. В таком случае важно, чтобы СЭП испытывалась при наихудшем значении dU/dt, возникающем при функционировании СЭП.

А.2.2 Условия нагрузки при испытаниях на помехоустойчивость

Нагрузка на двигатель обычно оказывает малое влияние на характеристики ЭМС СЭП. Поэтому нет необходимости в испытаниях СЭП для проверки характеристик помехоустойчивости СЭП при всех условиях нагрузки. Испытания проводят только при нагрузке, являющейся представительной для всех случаев восприимчивости. Изготовитель должен подтвердить, что условия нагрузки, которые он выбрал для испытаний, соответствуют этому критерию.

Обычно условия нагрузки не влияют на устойчивость СЭП при воздействии высокочастотных и низкочастотных помех. Нарушения подачи электропитания и работы устройств управления в целом связаны с уровнями напряжения, а не тока. Испытания при низкой нагрузке не позволяют обнаружить незначительные изменения установленных уровней работы защитных схем, то есть перегрузки по току и напряжению. Если эти уровни являются критичными для нормальной работы СЭП, испытание должно проверить устойчивость к помехам в этих рабочих точках.

Если применяется критерий проверки создаваемого крутящего момента, то нагрузка должна быть на таком уровне, чтобы можно было измерить возмущения крутящего момента, связанные с устойчивостью к низкочастотным или высокочастотными помехам. Для этого потребуются двигатель и прибор, измеряющий крутящий момент. Двигатель должен работать при нагрузке, которая используется в электромагнитной обстановке проводимых испытаний. Если применяются методы косвенного измерения крутящего момента, то СЭП должна работать при таком уровне нагрузки, который будет достаточным для измерения любого возмущения крутящего момента.

А.2.3 Испытания под нагрузкой

Для проверки характеристик ЭМС СЭП могут проводиться испытания при низкой нагрузке, т.е. испытания с двигателем, работающим без нагрузки, если соблюдаются указанные выше условия. Испытания могут проводиться даже с использованием пассивных силовых резисторов и индукторов, которые воспроизводят условия нагрузки двигателя. Также важно отметить, что кожух двигателя может действовать в качестве элемента антенны. Если применяется пассивная нагрузка, также должно быть воспроизведено воздействие этой антенны.

Изготовитель СЭП должен подтвердить, что нагрузка СЭП во время любого испытания обеспечит создание наиболее неблагоприятных или наиболее чувствительных условий для конкретного оборудования. Такое подтверждение может быть получено посредством испытаний представительного образца либо расчетами, либо имитацией.

А.3 Некоторые аспекты устойчивости к электромагнитным помехам

А.3.1 Магнитное поле промышленной частоты

Испытания в соответствии с IEC 61000-4-8 обычно проводят, если используются компоненты, восприимчивые к магнитным полям. В СЭП часто используются датчики тока с использованием эффекта Холла. Однако эти датчики сконструированы для применения в местах, где существуют высокие уровни магнитных полей (в непосредственной близости к силовым кабелям). Напряженность поля в точках размещения датчиков намного выше, чем испытательные уровни в соответствии с IEC 61000-4-8. Например, может быть рассчитано, что ток силой 10 А в одиночном бесконечном проводнике создает на расстоянии 5 мм магнитное поле напряженностью 320 А/м. Следовательно, может быть сделан вывод, что уровни магнитных полей, создаваемых при испытаниях на помехоустойчивость, незначительны в сравнении с реальной электромагнитной обстановкой, в которой применяется восприимчивый компонент.

А.3.2 Испытания на устойчивость к электромагнитному полю

А.3.2.1 Электромагнитные поля низкого уровня

Промышленное, научное и медицинское (ПНМ) радиочастотное оборудование, некоторые сварочные аппараты, сушильные устройства и т.д. могут быть источниками электромагнитных полей низкого уровня. Эти устройства применяются в жилых и промышленных зонах. Ожидаемая результирующая напряженность поля, воздействующего на порт корпуса СЭП, может быть менее 3 В/м.

Имеющийся опыт применения СЭП показывает, что если реализуется внутренняя эксплуатационная готовность, то излучаемые электромагнитные поля от других СЭП и другие электромагнитные поля низкого уровня от радиовещательных станций не являются причинами для жалоб пользователей СЭП.

А.3.2.2 Дополнительные испытания

Напряженность поля понижается обратно пропорционально расстоянию между передающей антенной и возможным устройством - рецептором помех - и увеличивается пропорционально квадратному корню из мощности, подаваемой на антенну. Поэтому следует уделять внимание передатчикам, которые могут работать на расстоянии около 1 м к СЭП. Эти устройства связи являются доминирующими источниками излучаемых помех, воздействующими на электронное оборудование. Примером обычных локальных источников непрерывных высокочастотных помех является передвижное оборудование радиосвязи, такое как переносные приемопередатчики или беспроволочные телефоны.

Крупные СЭП не могут устанавливаться и правильно функционировать на измерительной площадке (в экранированной камере) для испытаний по IEC 61000-4-3. Поэтому для проверки устойчивости к помехам полностью собранных СЭП, если испытания субкомпонентов были проведены, допускается проведение альтернативного дополнительного испытания с использованием в качестве источников помех устройств радиосвязи, обычно применяемых в промышленных зонах.

При проведении испытаний СЭП функционирует и контролируется в соответствии с 5.1.3 при нормальных рабочих условиях (например, при закрытых дверцах шкафов).

Так как таких испытаний в экранированных помещениях не проводят, могут использоваться лишь те радиопередатчики, которые в соответствии с национальными правилами допускаются к применению в данном месте размещения. Рекомендуется применение следующих радиопередатчиков:

- переносных радиостанций, которые обычно применяются в непосредственной близости к установкам пользователя;

- цифровых мобильных радиотелефонов, если их применение не запрещено в местах размещения вблизи установок пользователя и если они способны создавать помехи при номинальной мощности.

Радиопередатчики должны иметь полностью заряженные батареи, источники питания должны работать при полной мощности. Если применяется регулировка мощности излучения радиопередатчика (или заряда батареи), необходимо принять меры, чтобы мощность (заряд) не была снижена. Рекомендуется, чтобы изготовитель установил и представил пользователю перечень и характеристики радиопередатчиков (тип, мощность, частоты), используемых при испытаниях.

Радиопередатчик держат в руках вблизи вертикальной стенки ОМП/ПМП. Ближайшее расстояние антенны радиопередатчика к СЭП должно быть равно 0,5-1 м. Радиопередатчик переключают из режима "Прием" в режим "Передача" и обратно. Необходимо обеспечить, чтобы время работы радиопередатчика в режиме "Передача" было не меньше, чем время, необходимое для реакции СЭП. Если для создания помех применяют телефон, не имеющий переключения из режима "Прием" в режим "Передача", ведут передачу с номера абонента.

Следует проводить не менее трех радиопередач при каждой ориентации антенны (вертикальной и горизонтальной в плоскости, параллельной поверхности СЭП и перпендикулярной к поверхности СЭП (при направлении антенны на СЭП)).

Данную процедуру проводят:

- не менее чем в пяти позициях на каждой вертикальной поверхности СЭП;

- для всех отверстий на этих вертикальных поверхностях, при этом вентиляционные решетки рассматривают как отверстия;

- на всех поверхностях двигателя, включающего датчики.

Вся процедура должна быть повторена не менее чем для двух частот радиопередачи.

А.4 Метод измерения высокочастотных электромагнитных помех

А.4.1 Полное сопротивление/эквивалент сети питания

А.4.1.1 Схема эквивалента сети питания

Так как источник высокочастотных помех внутри СЭП имеет конкретное полное сопротивление, на измерение напряжения помех влияет полное сопротивление электрической сети. Полное сопротивление электрической сети может рассматриваться как индуктивное, особенно на низких частотах. Вместе с тем из-за различных емкостей, имеющихся в системе, могут возникать резонансы. Для дополнительной информации см. 6.6 IEC 61000-2-3 (1992).

Поэтому следует по возможности использовать эквивалент сети питания, чтобы стандартизовать полное сопротивление источника питания, используемого при испытаниях, что улучшает повторяемость испытаний на различных измерительных площадках.

Характеристики различных эквивалентов сети установлены в 5.1 CISPR 16-1 (2002). Применительно к полосе частот измерений, установленной в настоящем стандарте, допускается применение эквивалентов сети 50 Ом/50 мкГн или 50 Ом/50 мкГн + 5 Ом. Между 150 кГц и 30 МГц испытуемое оборудование (СЭП) представляет собой полное сопротивление цепи, состоящей из резистора 50 Ом параллельно с индуктивностью 50 мкГн, независимо от полного сопротивления подводимой электрической сети.

Эквивалент сети питания содержит одинаковые цепи для каждой из фаз. Нейтральный проводник подключается через цепь, идентичную используемой в каждой из фаз.

А.4.1.2 СЭП, с которой не может использоваться эквивалент сети питания

А.4.1.2.1 Причины невозможности использования эквивалента сети питания

На низших частотах измерений дроссели внутри эквивалента сети питания 50 Ом/50 мкГн добавляют 50 мкГн к полному сопротивлению сети электропитания. Дроссели внутри эквивалента сети питания 50 Ом/50 мкГн + 5 Ом добавляют к полному сопротивлению сети 300 мкГн. Такое дополнительное полное сопротивление может нарушить нормальную работу некоторых СЭП (например, коммутационные провалы становятся слишком большими при сильном токе и малых углах зажигания, если индуктивность источника питания слишком высока). В этих случаях эквивалент сети питания не применяют.

Эквиваленты сети питания, указанные выше, рассчитаны на ток до 100 А, поэтому они не могут использоваться для СЭП, рассчитанных на более высокие значения тока. Для очень больших СЭП (например, с током свыше 400 А) полное сопротивление сети электропитания будет ниже, чем полное сопротивление эквивалента сети питания. В результате использование эквивалента сети питания будет приводить к чрезвычайно высоким показаниям при измерениях.

При напряжениях питания, превышающих номинальное значение 400 В, эквиваленты сети питания трудно приобрести.

В таких случаях СЭП подключают непосредственно к сети электропитания и напряжение помех допускается измерять пробником напряжения с высоким сопротивлением.

А.4.1.2.2 Пробник напряжения с высоким полным сопротивлением

Если эквивалент сети питания не используется, напряжение помех может быть измерено пробником напряжения с высоким сопротивлением в соответствии с 5.2.2 CISPR 16-1 (2002). Так как ток промышленной частоты не проходит через пробник, он может использоваться даже с СЭП с очень высокими номинальными токами.

При подборе емкости и номинального напряжения конденсатора данный пробник может использоваться в системах электроснабжения напряжением по крайней мере до 1000 В. Если емкость конденсатора снижается, его влияние на результаты измерений следует проверять при калибровке, как установлено в CISPR 16-1.

Пробник напряжения подключают между линией и точкой заземления. Если ПМП/ОПМ имеет заземленный металлический корпус, то этот корпус может приниматься за точку заземления. Пробник подключают к выводам питания в непосредственной близости к их входу в ПМП/ОМ П. Соединения с пробником должны быть как можно короче, желательно менее 0,5 м.

В CISPR 16-1 приведено предупреждение о необходимости минимизировать область контура, образовавшуюся между выводом, соединенным с пробником, испытуемым конденсатором и точкой заземления, с тем чтобы снизить восприимчивость к магнитным полям.

А.4.1.2.3 Альтернативный метод для сильноточной СЭП

В некоторых случаях использование пробника с высоким полным сопротивлением может оказаться затруднительным из-за обеспечения безопасности при смене фазных проводников, и показатели могут быть на несколько десятков децибелов выше, чем показатели, полученные при измерении с использованием эквивалента сети питания (из-за несогласованного сопротивления).

Альтернативный метод, который использовался в некоторых странах на протяжении нескольких лет, заключается в использовании в качестве пробника эквивалента сети питания с малым током (например, 25 А) даже с сильноточной СЭП (около нескольких сотен ампер). Описание метода приведено в А.5 CISPR 16-2 (2003). СЭП при этом не отключают от сети электропитания.

Зажимы подключения нагрузки эквивалента сети питания должны быть соединены с