Как избавится от высокочастотных помех

Какие бывают помехи в электросети и как от них защититься?

Вероятно, каждый читатель этой статьи обратил внимание на то, что большинство электрических приборов, работающих от бытовой сети, рассчитаны на напряжение 220 В/50 Гц. Отсюда вывод – именно такие параметры обеспечивает нам поставщик электроэнергии. К сожалению, это не совсем так. Мы можем предположить, что водопроводная вода совершенно чистая, однако опыт подсказывает, что в ней присутствуют примеси, ухудшающие вкус. Такие же «примеси», в виде дополнительных частот и импульсов, поступают к потребителю электроэнергии. Это и есть помехи в электросети.

Классификация помех

Все сетевые отклонения можно классифицировать по двум признакам: происхождению шумов и виду электромагнитной аномалии.

Причиной возникновения сетевых искажений являются:

• природные явления (гроза, ионизация воздуха сияниями и т.п.);
• техногенные влияния (аварии на линиях, коммутация мощных устройств и т. д.);
• электромагнитные волны природного и техногенного происхождения.

Перечисленные причины могут вызвать серию импульсных помех или волны гармонических искажений, наложенные поверх синусоидального тока.

Наличие импульсных токов в сети очень вредно сказывается на работе современных бытовых приборов, часто насыщенных электроникой. Если не применять приборы защиты, электронные устройства могут выйти из строя, не говоря уже о качестве их работы. Разумеется, чувствительное оборудование разработчики защищают внедрёнными схемами подавления помех, но нередко требуются дополнительные внешние приборы, например, бесперебойные источники питания, сетевые фильтры (рис. 1) и другие.

Рис. 1. Защитные импульсные фильтры

При радиочастотных помехах большинство бытовых приборов могут нормально работать. Но к ним чувствительны радиоприёмники, телевизоры и некоторые медицинские приборы. Впрочем, современная цифровая радиоэлектроника довольно хорошо защищена от таких искажений.

Понимание причин искажений в электрической сети помогает решать проблемы защиты оборудования, осознанно подходить к выбору оптимальных схем подавления шумов.

Источники помех

Искажать синусоиду переменного тока способны как природные явления, так и различные техногенное оборудование. В результате их действия происходят:

• кратковременные провалы напряжения;
• отклонения от номинальных частотных параметров;
• изменения гармоники электричества;
• колебания амплитуды тока;
• ВЧ шумы;
• импульсные всплески;
• синфазные помехи.

Остановимся вкратце на основных источниках, вызывающих перечисленные отклонения.

Провалы напряжения.

Данное явление является следствием работы коммутационных устройств в энергосистемах. Это случается при возникновении КЗ на линиях, в результате запусков мощных электромоторов и в других случаях, связанных с изменениями мощности нагрузки. Наличие таких кратковременных помех является неизбежностью при срабатывании защитной автоматики, и они не могут быть устранены поставщиком электроэнергии.

Изменения частотных характеристик.

Отклонение от заданной частоты происходит в результате значительного изменения тока нагрузки. В случае если уровень потребляемой энергии превосходит мощность генерируемых установок, происходит замедление вращения генератора, что ведёт к падению частоты. При заниженной нагрузке возрастает частота генерации.

Автоматика регулирует распределение мощностей, вплоть до отключения нагрузок, однако частотные помехи в сети всё-таки присутствуют.

Гармоники.

Источником данного вида искажений является наличие в сетях оборудования с нелинейной вольтамперной характеристикой:

• преобразовательные и выпрямительные подстанции;
• дуговые печи;
• трансформаторы;
• сварочные аппараты;
• телевизоры;
• циклоконвертеры и многие другие.

Причиной гармонических искажений могут быть электродвигатели, особенно если они установлены в конце длинной линии.

Отклонение напряжения

Изменения стабильности потенциала происходит в результате периодических скачков потребляемого максимального тока. Источником изменения нагрузок являются устройства, регулирующие напряжение, например, трансформаторы с РПН.

График, иллюстрирующий кратковременное перенапряжение показан на рисунке 2 (Фрагмент А – изображает импульсный всплеск).

Рис. 2. Перенапряжение в сети

ВЧ помехи.

Создаются влиянием устройств работающих, в высокочастотном диапазоне. ВЧ помехи, вызванные действием приборов, генерирующих сигналы с высоким диапазоном частот, распространяются эфирно или через линии сети.

Импульсы напряжения.

Распространённые источники: коммутационные приборы в сетях и грозовые явления.

Несимметрия трехфазной системы.

Причиной таких помех часто являются мощные однофазные нагрузки как бытовые, так и промышленные. Они вызывают сдвиги углов между фазами и амплитудные несоответствия. Путём отключения питания мощных токопотребляющих устройств можно устранить проблему.

Способы защиты

К сожалению, мы не можем управлять качеством электросети, но защитить бытовую технику вполне реально. В зависимости от того к каким искажениям чувствителен конкретный электрический прибор, выбирают соответствующий способ защиты. Снизить уровни помех помогают различные внешние устройства, встроенные электрические схемы, а также экранирование элементов конструкций и заземления.

Пример подавления помех показан на рисунке 3.

Рис. 3. График, иллюстрирующий фильтрацию тока

Эффективными являются следующие внешние устройства:

• стабилизаторы напряжения;
• ИПБ;
• преобразователи частоты;
• регулируемые трансформаторы;
• сетевые фильтры и фильтрующие каскады (принципиальная схема простого фильтра изображена на рисунке 4).

Схема сетевого фильтра

Особую трудность вызывает подавление высокочастотных импульсных искажений в диапазоне нескольких десятков МГц. Часто для этих целей используют защиту, применяемую непосредственно к источнику помехи.

Использование стабилизаторов напряжений оправдано в случаях наличия регулярных провалов напряжений в домашней сети. При стабильно заниженном или завышенном токе лучше пользоваться трансформатором.

Высоким уровнем защиты компьютеров и другой чувствительной электроники обладают бесперебойники. На рисунке 5 показано фото источника бесперебойного питания для защиты компьютера.

Рисунок 5. ИБП

В этих устройствах реализовано несколько защитных функций, но главная из них – снабжение питанием приборов в течение нескольких минут, с последующим корректным их отключением. С целью достижения максимального уровня защиты логично отдать предпочтение бесперебойному блоку питания.

Методы измерения

Можно ли увидеть сетевые искажения?

С помощью приборов можно не только увидеть наличие помех, но и оценить их величину и определить природу появления. Существуют специальные высокоточные приборы для измерения различных отклонений в сетях. Наиболее распространённым из них является обычный осциллограф.

У прибора имеется дисплей (экран), на котором отображается осциллограмма измеряемого тока. Оперируя различными режимами осциллографа можно с высокой точностью определять характер и уровень шумов.

Пример осциллограммы показан на рисунке 6.

Рисунок 6. Осциллограмма сетевого тока

На осциллограмме видно как основной сигнал окружают паразитные токи, которые необходимо отсекать. Анализируя характер искажений можно выбрать способ их подавления. Часто бывает достаточно применить сетевой фильтр для того, чтобы избавиться от типичных помех, влияющих на работу устройств.

Типовые часто задаваемые вопросы от читателей

Как найти и устранить источник помех в электрической цепи, приводящий к невозможности использовать powerline?

Чтобы вычислить причину плохого сигнала, вам необходимо проанализировать работу powerline адаптера в другой линии или проверить уже подключенные устройства. Для начала проверьте уровень сигнала в сети роутера, возможно ресурсов вашего маршрутизатора недостаточно для перераспределения сети интернет между таким количеством пользователей. Если предоставляемого лимита достаточно для всех комнат и приемников в них, проверьте работу линий, по которым осуществляется передача данных powerline адаптерами.

Следующий вопрос – тип линии, к которой подключен powerline адаптер. Производитель не рекомендует использовать для этого удлинители, отдавая предпочтение стационарной проводке. Но, для проверки существующих линий рекомендую вам временно использовать удлинитель, если сигнал улучшиться, вполне вероятно, что причина в проводке. Если нет, проверьте бытовое электрооборудование, выступающее наиболее мощным источником электромагнитных помех.

К таковым относятся: кондиционеры, стиральные машины, холодильники, зарядные устройства для мобильных телефонов, блоки питания электроприборов.

По возможности powerline адаптер следует перенести как можно дальше от таких приборов, дабы они не вносили свои коррективы в качество передаваемого сигнала. Если такой возможности нет, подключите источники помех к электрической цепи через «сетевой фильтр», который поможет снизить вносимые искажения.

Еще один момент, на который следует обратить внимание – допустимое расстояние между powerline адаптерами. Оно де должно превышать установленную норму, иначе никакие ухищрения не помогут вам добиться должного качества сигнала.

Источник

Инструкция по подавлению помех и наводок преобразоваелей частоты

Преобразователи частоты для асинхронных электродвигателей несмотря на свои положительные стороны имеют ряд недостатков — их применение связано с интенсивными электромагнитными помехами и наводками, которые создаются в устройствах, непосредственно связанных с ними по цепям питания или находящимися рядом и попадающими под излучение.

Думаю многие сталкивались с набеганием импульсов от энкодера двигателя на программируемом контроллере или счетчике импульсов или с ошибкой работы преобразователя частоты с обратной связью по энкодеру при длинных кабелях — все это проблемы, связанные с наводками и помехами. Да и другое оборудование начинает сбоить, например емкостные или индуктивные датчики приближения, реле с малыми токами втягивания катушек начинали ложно срабатывать. Все это проблемы электромагнитной совместимости оборудования.

Проблема электромагнитных помех (ЭМП) преобразователей частоты решается, если понять причину и способ их появления. Производители преобразователей частоты давно придумали ряд мер по созданию электромагнитной совместимости (ЭМС), которая в настроящее время стандартизована Международной электротехнической комиссией (МЭК).

ЭМС – это способность оборудования удовлетворительно функционировать в электромагнитной среде в отсутствие влияния излучаемых электромагнитных волн на работу другого оборудования.

Основным источником ЭМП инвертора, является ШИМ-модуляция IGBT-транзисторами выходного напряжения, создающие большие скачки перетока энергии в звене постоянного тока инвертора и как следствие во входных цепях, а также на выходе преобразователя частоты. ЭМП означают любую помеху нормальной работе оборудования, вызванную как избыточной энергией, передающейся по кабелю (наведенная помеха), так и влиянием электромагнитных волн (помеха от паразитного электромагнитного излучения). ЭМП можно классифицировать следующим образом:

Типы и пути распространения помех преобразователей частоты

Кондуктивный шум (распространяемый по проводам)

Распространяется по проводникам и влияет на работу периферийного оборудования, подключенного к общему источнику питания с преобразователем частоты. Схематически путь распространения показан на рисунке под цифрой (1). При заземлении через общую шину заземления кондуктивный шум передается по пути (2). Помехи также могут распространяться от двигателя и по экрану или сигнальному проводу датчика по пути (3).

Индуцированный шум (наведенный)

В случае прокладки контрольных цепей и иных проводников периферийного оборудования в непосредственной близости (в одном кабель-канале, трубе, галлерее, лотке, связке) с силовыми кабелями преобразователя частоты (как питающего так и моторного), в которых протекают токи шумов, в этих проводниках могут быть наведены помехи или «наводки». Путь их проникновения показан на рисунке как путь (4). Частоты наведенных помех лежат в диапазоне от 150 кГц до 30 МГц.

Излучаемый шум

Шум, возникающий в преобразователе частоты и излученный в виде электромагнитной волны в окружающую среду вдоль входных/выходных кабелей как от излучающей антенны также вносит помехи в работу периферийного оборудования, но правда на более высоких частотах (более 30 мГц). Это так называемый излучаемый шум, а пути его распространения показаны на рисунке (5). Кроме того, он может также распространяться через корпус двигателя и инвертора.

Отдельно хочется отметить эффект длинных линий, что усугубляет эффекты трансформации токов между проводами, эффекты конденсатора, обкладками которого могут стать провода.

Основные методы подавления шумов и наводок преобразователей частоты.

Меры по подавлению шумов и наводок в основном связаны с конкретным путем распространения помех и действия, связанные непосредственно с периферийным оборудованием, на которое влияют помехи частотных преобразователей .

Подавление помех связанных с конкретным путем распространения помех:

• Раздельная прокладка силовых кабелей (входных и выходных) и других цепей (например, сигналов управления, сигналов с датчиков и энкодера). Эта мера эффективна против излучения и наводок, увеличение расстояния между проводниками уменьшит эффект трансформации токов за счет индуктивностей и емкостного эффекта.
• Установка фильтра помех: моторный дроссель , синус-фильтр, LC-фильтр на входе, а также фильтрация цепей, в которые проникают наводки фильтрами с частотой среза выше пропускной способности цепей устройств. Эта мера эффективна для кондуктивных помех и излучения.
• Электрическое заземление преобразователя частоты и экранирование (установка металлических разделителей) между преобразователем частоты и периферийным оборудованием. Применение экранированных кабелей для силовых цепей или прокладка кабеля в металлической трубе. Эта мера эффективна для кондуктивных, наведенных помех и излучения.
• Применение экранированных кабелей или кабеля типа «витая пара» для сигналов управления. Эта мера эффективна для наведенных помех и излучения. Дополнительной мерой может быть применение ферритовых колец с сигнальными кабелями. Примечание: кабели типа МКЭШ, КУПЭВ итп показывают низкую эффективность по сравнению со специализированными кабелями с витыми парами с двойным экранированием (LAPP, Belden, Hulukabel), есть опыт применения подобных кабелей для связи с 5-и вольтовым энкодером с длиной кабеля более 60м, потому предлагаю обращаться к нам за консультацией по подбору подходящего кабеля.
• Осуществление правильного заземления, заземление должно быть произведено по кратчайшему пути а не через преобразователь частоты, независимого заземления инвертора и другого оборудования. Эта мера эффективна для наведенных помех.
• Снижение несущей частоты ШИМ-модуляции преобразователя частоты. Эта мера эффективна для кондуктивных, наведенных помех и излучения и является самой дешевой из мер борьбы.

Примеры мер связанных с периферийным оборудованием:

• Питание от источников, не связанных с преобразователем частоты, питание от другого фидера трансформатора, применение разделительного изолирующего трансформатора. Эта мера эффективна для кондуктивных помех.
• Повышение рабочего напряжения для оборудования — нагрузка токами сигнальных линий, подтягивание большими сопротивлениями свободных линий к полюсам источника питания. Выбор оборудования с большими токами срабатывания, если речь идет о контроллерах, счетчиках, реле.
• Разнесение оборудования на максимальное расстояние от инвертора, применение металлического корпуса для экранов. Эта мера эффективна для наведенных помех и излучения.

Устройства подавления шумов

Для подавления помех преобразователей частоты основными методами является фильтрация, для этого существует ряд готовых устройств — фильтров, которые можно классифицировать на 3 типа: емкостные фильтры, подключаемые параллельно силовым цепям, индуктивные, включаемые последовательно, и фильтры высокого подавления (LC-фильтры) для снижения радиопомех. В зависимости от желаемого результата, применяйте соответствующий фильтр.

Емкостный фильтр

Этот фильтр состоит из конденсаторов и уменьшает высокочастотные токи из сети, будучи подключенным между входными клеммами и клеммой заземления инвертора. Более удаленное подключение ухудшает эффект, поэтому соединительные проводники должны быть минимальной длины. Данный фильтр эффективен в диапазоне до нескольких мегагерц, т.е. в диапазоне АМ радиочастот.

Индуктивный фильтр

Это может быть нуль-фазный реактор, который представляет собой четыре витка силового кабеля (все три фазы в одном направлении) вокруг ферритового сердечника. Нуль-фазный импеданс при этом возрастает и высокочастотные токи уменьшаются. Хотя этот фильтр пригоден как для входной, так и для выходной сторон инвертора, он не может быть использован на выходе инвертора в случае с экранированным кабелем или при проводке кабеля в металлической трубе. В частности, такой фильтр пригоден для подавления помех, излучаемых кабелем и снижения токов утечки. Эффективен в диапазоне от АМ радиочастот до 10 МГц.
Установите фильтр как можно ближе к инвертору. При сечении кабеля 22 мм2 и более пропустите кабель через как минимум четыре ферритовых сердечника.

Еще один вариант — установка моторного дросселя, эффект еще более высокий, минус-это габариты устройства и цена.

LC-фильтр (высокого подавления)

Состоит из индуктивных (L) и емкостных (С) элементов. Подключите этот фильтр на входе инвертора. Имеет превосходные характеристики ослабления шумов инвертора в диапазоне от АМ радиочастот до 10МГц и менее. Разнесите входные и выходные цепи фильтра. Самым типичным представителем таких фильтров является синус-фильтр.

Эффективность мер по подавлению шумов (Пример оценки)

Встроенный в инвертор фильтр значительно снижает кондуктивные помехи, исходящие от преобразователя частоты. Если частотный преобразователь, содержащий фильтр, применяется совместно с внешним ЭМИ фильтром для соответствия ЭМС директивам, может быть достигнуто еще большее подавление помех до 40 дБмкВ в частотном диапазоне от 150 кГц до 1 МГц и около 30 дБмкВ в частотном диапазоне от 1 МГц до 10 МГц

Эффект снижения несущей частоты ШИМ показан на рисунке.

Эффект от экранирования моторного кабеля представлен ниже. Метод эффективен в случае излученных помех и малоэффективен в случае наводок.

Источник