Теоретические и экспериментальные исследования и решение задач электромагнитной совместимости гелиоэнергетических установок

В условиях обостряющейся проблемы загрязнения окружающей среды становится всё более актуальна разработка альтернативных источников электрической энергии. Наиболее перспективным из них является преобразование энергии солнца в электрическую энергию. Рассматриваемая в этой работе установка, называемая в дальнейшем гелиоэнергетической (ГЭУ) и призвана выполнять эту функцию.

Одним из принципиальных недостатков ГЭУ является то, что пики потребления энергии не совпадают с периодами, когда от установки можно отбирать максимальную мощность. Устранение этого недостатка возможно при использовании соответствующего накопителя энергии. Однако надёжные и дешёвые накопители энергии в настоящее время на рынке отсутствуют. Одним из вариантов решения проблемы является работа ГЭУ в режиме, параллельном сети. Этот режим позволяет наиболее оптимально осуществлять сглаживание разницы между энергией, вырабатываемой установкой и её локальным потреблением. Если энергии производится больше, чем это нужно для локального потребления, её избыток отдается в сеть, если же меньше — недостаток берётся из общей сети. Вышеупомянутый накопитель энергии заменяется мощностными резервами электростанции. Широкое применение ГЭУ привело бы к уменьшению изначальной потребности в электростанциях и, посредством этого, к снижению загрязнения окружающей среды за счёт уменьшения вредных выбросов.

Главным препятствием для массового применения ГЭУ является высокая стоимость солнечного генератора и, следовательно, высокая стоимость производимой электрической энергии. Разработками в направлении снижения стоимости ГЭУ сейчас активно занимаются учёные многих стран, в том числе в России, Германии, Австралии, Японии, и др. О серьёзной альтернативе в производстве электрической энергии можно говорить лишь тогда, когда суммарная мощность ГЭУ, например, в Германии достигла бы 1000МВт.

Предвидя будущие проблемы, исследовательская лаборатория Высшей профессиональной школы города Констанц (Германия) под руководством профессора доктора Бистрона, при участии автора, поставила перед собой задачу разработать ориентированный на будущее инвертор, который кроме чисто технических характеристик, отвечающих самым высоким современным требованиям, обладал бы при этом высокой электромагнитной совместимостью, как по полевым, так и по кондуктивным помехам.

С появлением, в последнее время, новых, мощных полупроводниковых ключей и их совершенствования, постоянно возрастает их роль и сфера применения в различных областях электроники. Особенное развитие получили импульсные преобразователи, применяемые, например, для управления электрическими двигателями, а также преобразователи, применяемые в ГЭУ и др.

Работающие в преобразователях современные электронные ключи, коммутирующие токи в сотни ампер с тактовой частотой в десятки килогерц вызывают скачки тока в тысячу ампер за микросекунду, создавая как электромагнитные (ЭМ) помехи, так и помехи по проводам, мешающие нормальной работе систем управления и подключенных к той же сети других электрических приборов и устройств.

Токи высоких частот, в свою очередь, вызывают падение напряжения на сопротивление сети. Таким образом, в сети возникают искажения формы напряжения, которые вызывают целый ряд нежелательных воздействий. Высокочастотные токи порождают дополнительные электрические потери, связанные с нагреванием сетевых трансформаторов и других устройств электроснабжения. Это приводит к тому, что их номинальная мощность не может быть реализована. В асинхронных двигателях, при определённых условиях, возникают повышенные потери, шумы и дополнительный износ, а иногда и разрушение конструкций. Кроме этого, появление в сети высших гармоник приводит к значительному снижению порогов срабатывания защитных устройств. Создаваемые инверторами высокие гармоники в сетевом напряжении, негативно влияют также на частотно-чувствительные устройства в коммуникационных системах. Счётчики электроэнергии реагируют на появление в сети высоких гармоник положительной ошибкой, особенно при слабой нагрузке. Имеется целый ряд исследований, доказывающих, что гармоники, начиная с 11-ой, вызывают возрастающую с частотой ошибку передачи в преобразователях тока. Проблемой также является усиление токов высокой частоты, посредством образования многочисленных параллельных и последовательных колебательных контуров. Высокочастотные составляющие в сетевом напряжении становятся серьезной проблемой и для бытовых электрических приборов, снижая их срок службы. На осциллограмме Рис. 1 показана форма напряжения сети электрического снабжения города Констанц. Картина довольно типичная для городов Германии. и, В.

400 200.

— 200. • -400 «-600 и.

10 20 40 / 50 60 80 / 90.

— мс.

Г, Гц.

100 200 300 400 500 600 700 800 900.

Рис. 1. Осциллограмма сетевого напряжения.

Как видно из этой осциллограммы, форма сетевого напряжения заметно искажена за счет напряжений высших гармоник, в основном 3 и 5, появление которых обусловлено несиносоидальностью токов, потребляемых от сети многочисленными потребителями.

Электромагнитная совместимость по определению, сформулированном в соответствующих документах Европейского Сообщества, есть «способность приборов, устройств и систем надёжно работать в электромагнитном окружении, при этом не создавая электромагнитных помех для других работающих в том же окружении приборов, устройств и систем «. Это определение распространяется на воздействия посредством естественных электромагнитных явлений (например, молния), а также на влияния, оказываемые на электрические и электронные приборы, устройства или системы, содержащие электронные компоненты.

Это определение не распространяется на воздействие электромагнитных явлений на биологические системы, то есть на людей, животных и растения.

Сейчас много говорится о так называемом «электрическом смоге» -вредных для здоровья человека и мешающих окружающим электромагнитных полях, генерируемых различными электронными устройствами. Проблемы электромагнитной совместимости рассматриваются часто с точки зрения защиты окружающей среды с использованием той же терминологии. С этих же позиций целесообразно рассматривать и вопрос о нежелательном воздействии, оказываемом электронными устройствами на сеть низкой частоты, рассматривая сеть как окружающую среду, как источник, из которого должны получать высококачественную энергию миллионы потребителей.

Новые Европейские нормы и призваны ужесточить существующие стандарты, регламентирующие граничные допустимые значения величин, характеризующих электромагнитную совместимость, которые вступили в законную силу с 1 января 1996 г. С этого момента ни одно электронное или другое устройство не может быть продано в странах Европейского Сообщества, если оно не отвечает установленным требованиям и специально не сертифицировано. Практически все немецкие фирмы, производящие преобразователи, вынуждены прилагать серьёзные усилия для приведения их продукции к Европейским стандартам, неся при этом крупные финансовые расходы. Для некоторых фирм, вступление в силу закона об электромагнитной совместимости станет непреодолимым препятствием и приведёт к банкротству.

Именно по этому сейчас очень важно предложить методы и приёмы, позволяющие уже на стадии моделирования, проектирования и конструирования предусмотреть, устранить или снизить уровень возможных помех, создаваемых преобразователями. Это позволит сэкономить в дальнейшем значительные средства. Одновременно с этим чрезвычайно важно предложить новые, приемлемые с технической и экономической стороны методы и технические средства, позволяющие снизить уровень помех уже существующих и производимых в настоящее 8 время устройств, в частности инверторов, которые позволят продолжать использовать парк оборудования, не создавая чрезмерных помех.

Целью представляемой работы и является исследование специфической проблематики с точки зрения ЭМС и решение вышеуказанных задач, с применением современных прикладных методов моделирования и расчётов электромагнитных полей и экранов, используя возможности и быстродействие современной вычислительной техники на примере преобразователя ГЭУ, работающего в городе Констанц.

5.8 Выводы.

1. Показано, что развитием элементной базы (мощных электронных ключей, ЮВТ и др.) появились новые возможности для активной компенсации помех в частотном диапазоне (2ч-100)кГц, в котором пассивная фильтрация не эффективна.

2. Произведена классификация активных компенсаторов по способу их включения на две основные группы — параллельные и последовательные и по способу получения информации о высокочастотных составляющих выходного тока на следующие варианты исполнения: а) автономный с обратной отрицательной связью по току б) автономный без обратной связи в) ведомый. Рассмотрены их преимущества и недостатки.

3. Разработана схема активного параллельного компенсатора применительно к инвертору для ГЭУ. Проведены экспериментальные исследования эффективности работы параллельного компенсатора, давшие хорошие результаты, (например, коэффициент компенсации кколт=10). При этом К.П.Д. компенсатора в любом случае получается не хуже, чем 0,9.

4. Разработана схема активного последовательного компенсатора применительно к инвертору для ГЭУ. Проведены экспериментальные исследования последовательного компенсатора на модели, состоящей из источника постоянного тока с внутренним сопротивлением =5 Ом, генератора переменного напряжения, имитирующего помеху и включенного последовательно с компенсатором. Результаты исследований показали высокую эффективность такого компенсатора и практически полностью совпали с расчетными.

1. Классифицированы помехи, создаваемые ГЭУ. Показано, что они подразделяются, в основном, на помехи ЭМ полей рассеяния и на кондуктивные помехи. Проанализированы частотные спектры помех создаваемых ГЭУ. Показано, что основным источником ЭМ помех является инвертор, использующий импульсный способ преобразования энергии. Основным источником помех полей рассеяния является дроссель инвертора, который и стал предметом подробного исследования.

2. На основе анализа литературных источников проанализированы аналитические и численные методы расчета ЭМ полей, оценены их преимущества и недостатки с учетом специфики поставленной задачи, расчетное исследование топографии магнитных полей рассеяния дросселя инвертора ГЭУ.

3. Сформулированы две задачи анализа магнитных полей рассеяния дросселя. Первая задача (стационарная или статическая) при расчете магнитных полей дросселя без экрана с сердечником из феррита. Вторая задача (квазистационарная) при расчете магнитных полей дросселя с экранами.

4. Установлено, что метод вторичных источников является наиболее подходящим для решения поставленных задач. Для решения первой задачи выбраны метод граничных интегральных уравнений и программа «LOMAN», реализующая метод. Для решения второй задачи выбран метод пространственных интегральных уравнений и программа «CLARK» .

5. Предложен алгоритм расчетного (с применением ЭВМ) эксперимента для исследования магнитных полей рассеяния дросселя с целью оптимизации отдельных размеров магнитопровода, зазоров, катушек и выбора магнитной проницаемости материала сердечника для снижения уровней значений напряженности МПРД.

6. Подробно исследована и оценена топография ЭМ поля рассеяния дросселя с некоторой базовой формой магнитопровода, которая явилась в дальнейшем подобной и производной для большинства, использованных для этих целей, форм магнитопроводов. При этом определялись наиболее «опасные» составляющие напряженности магнитного поля рассеяния и их градиенты, а также их топография. Затем рассчитывались и исследовались только эти составляющие и их градиенты при изменении некоторых размеров магнитопровода дросселя (зазоров и их числа, размеров катушек и магнитной проницаемости сердечника магнитопровода). Далее, было рассчитано и исследовано поведение в пространстве вышеупомянутых составляющих, ЭМ поля для других возможных форм магнитопровода, для которых базовая форма была бы производной.

7. На основе проведенных исследований, предложена оптимальная (с точки зрения магнитных полей рассеяния, и с учетом энергетических и технических факторов) форма магнитопровода дросселя для рассматриваемого класса инверторов и наконец, учитывая, что набор форм, используемых в практике магнитопроводов, для дросселей инверторов весьма ограничен, были проведены обобщения полученных результатов исследований.

8. Проведены расчеты и исследования влияния экранов на топографию магнитных полей рассеяния дросселей, как внутри (между дросселем и экраном), так снаружи экрана.

9. Произведены расчетные исследования эффективности экранирования дросселя с помощью проводящего ферромагнитного экрана. Показано, что при определенных условиях значения напряженностей магнитных полей рассеяния внутри экрана может увеличиваться.

10. Произведены расчетные исследования эффективности экранирования дросселя с помощью проводящего неферромагнитного экрана. Исследования показали, что что нет необходимости делать экран полностью замкнутым. Вполне достаточно вместо такого экрана применить проводящий виток (ленту, бандаж).

11. Для подтверждения достоверности расчетов выполняемых с помощью пакета программ «CLARK», был поставлен специально разработанный эксперимент. Сравнение результатов расчета магнитного поля экспериментальной модели с результатами измерений топографии магнитного поля на этой модели показали очень высокую степень их совпадения, не хуже (3 ч- 5)%.

12. Показано, что с развитеем элементной базы (мощных электронных ключей, IGBT и др.) появились новые возможности для активной компенсации помех в частотном диапазоне (2+100) кГц, в котором пассивная фильтрация не эффективна.

13. Разработана схема активного параллельного компенсатора применительно к инвертору для ГЭУ. Проведены экспериментальные исследования эффективности работы паралельного компенсатора, давшие хорошие результаты.

14. Разработана схема активного последовательного компенсатора применительно к инвертору для ГЭУ. Проведены экспериментальные исследования последовательного компенсатора на модели, состоящей из источника постоянного тока с внутренним сопротивлением rb= 5 Ом, генератора переменного напряжения, иммитирующего помеху и включенного последовательно с компенсатором. Результаты исследований показали высокую эффективность такого компенсатора и практически полностью совпали с расчетными.

1. Semikron Power Elektronics 99 «Datenbuch» Dr. Fritz Martin GmbH & Co. KG.

2. B.M. Кибакин. Основы теории расчета транзисторных низкочастотных усилителей мощности. Издательство «Радио и связь», 1988, Москва.

3. Н. Б. Полонский. Конструирование электромагнитных экранов для радиоэлектронной аппаратуры. М.: Советское радио, 1979. -215с.

4. С. М. Аполонский. Расчет электромагнитных экранирующих оболочек. JI.: Энергоиздат, 1982.-143 с.

5. К. А. Круг. Основы электротехники. М.: Государственное энергетическое издательство, 1952.-431с.

6. A.Kost. Numerische Methoden in der Berechnung elektromagnetischer Felder. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1994.

7. O.C. Zienkiewicz und J.Z. Taylor. The Finite Element Method. McGraw-Hill, London, 4. Auflage, 1991.

8. Тозони O.B. Метод вторичных источников в электротехнике. M., «Энергия», 1975.-296с.

9. Тозони О. В., Маергойз И. Д. Расчет трехмерных электромагнитных полей. М.: Технпса. 1974. -352с.

10. Курбатов П. А., Аринчин С. А. Числинный расчет электромагнитных полей. М.: Энергоатомиздат, 1984.-168с.

11. О. В. Гримальский. Метод граничных элементов для расчета квазистационарного электромагнитного поля, возбуждаемого телами с вырожденными гометрическими размерами. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05−09−05 «Теоретическая электротехника». Кострмской технологический университет, 1997.

12. Пятин Ю. М. Постоянные магниты. Справочник. М. Энергия, 1980. -488с.

13. Лейтес JI.B. «Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов.» М.:Энергия 1981 г. 392 стр

14. Волин M.JI. Паразитные процессы в радиоэлектронной аппаратуре. М.: «Радио и связь», 1981.-296с.

15. Комаров Е. В., Покровский А. Д., Сергеев В. Г., Шихин, А .Я. Испытание магнитных материалов и систем. М.: Энергоатомиздат, 1984.-376с.

16. Э. Хабигер. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике. М. Энергоатомиздат, 1995 г. 304с. Стандарты МЭК.

17. Адольф Й. Шваб Электромагнитная совместимость. Перевод с немецкого В. Д. Мазина и С. А. Спектора под редакцией М. Кужекина М.: «Энергоатомиздат», 1995. -480с, ил.

18. Неразрушающий контроль качества изделий электромагнитными методами. В. Г. Герасимов и др. -М.: Энергия.

19. Поливанов K.M. Теоретические основы электротехники, чЗ. М.: Энергия, 1969,352с.

20. В. Г. Герасимов, Л. Ю. Ефраимов. Применение комформных отображений для расчета трехмерных электромагнитных полей. 6-ой Международный симпозиум по теоретической электротехнике. Коттбус, 1991 г.-с.81−88.

21. Шимони К. Теоретическая электротехника. М.: «Мир», 1964.

22. Смайт В. Электростатика и электродинамика. М.: Изд-во иностр. лит., 1954.

23. Стреттон Дж. А. Теория электромагнетизма, М.:, Гостехиздат, 1953.

24. Тамм И. Е. Основы теории электричества. М.: «Наука», 1966.

25. Расчет электрических цепей и электромагнитных полей на ЭВМ. под ред. проф. Л. В. Данилова и проф. Е. С. Филиппова, М.: «Радио и связь», 1983.

26. Расчет сигналов накладного вихретокового преобразователя от дефектов с помощью конформного отображения. Тезисы докладов, XII Всесоюзная научно-техническая конференция «Неразрушающие физические методы контроля.» т. З-Свердловск:1990.-с.З-4.

27. Морозкина М. В. Исследование магнитных систем волновых линейных генераторов на основе теории цепей. 6-ой Международный симпозиум по теоретической электротехнике. Котгбус, 1991.-с122−128.

28. Кулон Ж.-Л., Сабоннадьер Ж.-К. САПР в электротехнике. Пер. с франц. — М.:Мир, 1988.-203с.

29. R. Laroussi, G.I. Costache. Finite-Element Method Applied to EMC Problems. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. vol.35, no2, Mayl993.

30. D.S. Diixon, M. Obaca, N.Schade. Finite-Element Analysis as an EMC Prediction Tool. IEEE Transaction on Electromagnetic Compatibiliti, vol.3 5, No2, May1993.

31. 40 Internationales wisseschaftliches Kolloqium. 18−21.09.1995. Band2 Vortragsreihen, Elektronische Medientechnik Modellierung/Berechnung elektromagnetischer Felder. Technische Universitet Ilmenau, Thuringen.

32. K.M. Gawrylczyk, F.H.Uhlmann. Adaptive Gitternetzgenerierung und Optimierung zur FEM auf der Basis von Tetraeder-Elementen.

33. H. Thiele, H. Uhlmann, O. Michelsson, G.Dahlmans. Einsatz von HTSL-SQUID zur zerstourungsfreien Werkstoffprufung Mittels Wirbelstrom.

34. W. Weigel, U.Ludtke. Berechnung parasiterer Wirbelstromverluste in Konstruktionsteilen von Induktionsoufen auf der Basis lokaler Datailuntersuchungen.

35. I. Bardi, О .biro, K.Preis. On the Computation of the Inductance of a Coil in a Nonlinear Magnetic Circuit from a Finite Element Field Solution.

36. A. Farschtschi, S.Drechsler.Dreidimensionale Wirbelstromberechnung mit der Finiten Netzwerk Methode.

37. W. Renhart, O. Biro, W.M.Rucker.Berechnung von Einflussen hochfrequenter elektromagnetisher Felder auf dielektrische und schwachleitende Korper mit der Methode der finiten Elemente.

38. G. Mader, F.H.Uhlmann. A 3D-BEM-Algorithm in parallel implementation for fast computation of coupling capacitances under EMC-contraints.

39. M. Mayr, I. Bardi, R. Hoschek, K.Preis.Neue grafische Konzepte fur FEM Pre-und Postprocessing.

40. V. Lunin, S.Kirsanov.Finite Element Predictions in Electromagnetic Testing Technique.

41. V. Lunin, A. Gaivoronsky, D.Gomonov. Inversion of surface magnetic flux leakage data for flaw reconstruction.

42. S. Kurz, J. Fetzer, G.Lehner. Die numerische Behandlung dreidimensionaler elektromechanischer Systeme mit Hilfe der BEM-FEM-Kopplung am Beispiel des elektrodynamischen Schwebens.

43. J. Kolesar, D. Kisel, P.Novak.An Aproximate Method for the Calculation of Skin Effeck Coefficients of Hollow Round Conductors.

44. M. Ziolkowski, H.Brauer. Visualizazion of Biomagnetic Fields Computed with Boundary Element Method.

45. Schwarz H.R. Methode der finiten Elemente, B.G.Teubner Stuttgart, 1991.

46. R. Jessler. Abschlu? bericht uber den Transfer des Solarwechselrichters (1.5kW). «Fachhochschule Konstanz». 1995. -30c.

47. K. Bystron, F. Prochaska, J. Schutz. Photovoltaikanlage. Beispiel Fachhochschule KonstanzPhotovoltaik Zeitschrift, 1995.

48. R. Jessler. Stromoberschwingungen in elektrischen Anlagen und Netzen. Fachochschule Konstanz, 1997.-55c.

49. В. П. Лунин, A.A. Кирюхин. Оценка эффективности экранирования дросселя гелиоэнергетической установки на конечно-элементной модели. Международная конференция «Электромеханика и электротехнологии», Ялта, 1996.

50. A.A. Кирюхин. Новые Европейские нормы, регламентирующие аспекты электромагнитой совместимости в инверторах. Третья межвузовская научно-методическая конференция «Компьютеризация учебного процесса по электротехническим дисциплинам», Астрахань 1995.

51. A.A. Кирюхин, A.A. Ульянов. Методы борьбы с сетевыми помехами, создаваемыми компьютерами. Четвертая международная научно-методическая конференция «Новые информационные технологии в преподавании электротехнических дисциплин», Астрахань. 1998.

52. Song-Yul Choe. Stromrichter als Aktive Filter zur Verminderung von Oberschwingungen im Versorgungnetz. Berlin, 1991.-119c.

53. Е. Ф. Зимин, Ю. А. Казанцев, В. А. Кузовкин. Электромагнитная совместимость информационных систем. Издательство МЭИ, 1995. -150с.

54. П. Л. Калантаров, Л. А. Цейтлин. Расчет индуктивностей. М.: Энергоатомиздат, 1986.-487с.

55. Ж. А. Мкртчян. Основы построения устройств электропитания ЭВМ. М.: Радио и связь, 1990.-207 с.

56. Э. В. Кузнецов. Электротехника электрические и магнитные цепи. М.: Издательство МЭИ, 1995.-223.

57. А. И. Ревякин. Защита от излучений. М.: Издательство МЭИ, 1975.-25с.

58. Elektromagnetic compatibility 1997. Zurich, 12th International Zurich Symposium and Technical Exhibiton on Electromagnetic Compartibility.

59. W. John. Methods and tools to support the design of components and systems under EMC-constraints.

60. S. Celozzi. FE-TD analysis of ferromagnetic shields against near field sources.

61. G.P.J.M.Maas, C.P.Stam. EMC modelling: from ic to system.

62. M. n Vogt. Electrical characterization of anisotropic transmission line systems with a hybrid FEMZBEM method.

63. J.A. Catiysse. Shielding Materies: Basic Shielding Theory.

64. EMC product standard including specific test methods for power drive systems. EEC vote on committee draft, 1995.