Microsoft PowerPoint - CEM SFD - 3 [Compatibility Mode]

Universitatea din PitetiAnul universitar 2013-2014Facultatea de Electronic Comunicaii i CalculatoareSpecializarea Sisteme de conversia a energiei

CALITATEA ENERGIEI

ARMONICI - FILTRE

Masterand: Titular de lucrare:prof.ing. Leonard Cristian DOBRESCU Sef lucrari Mariana IORGULESCU

CUPRINS1. SURSE DE PERTURBAII51.1. Surse de perturbaii de joas frecven51.1.1. Perturbaii permanente (ntreinute, continue) prin conducie la joas frecven61.1.1.1. Flickerul61.1.1.2. Variaii de frecven ale reelei electrice61.1.1.3. Armonice71.1.1.4. Interarmonice81.1.2. Perturbaii tranzitorii prin conducie la joas frecven91.1.2.1. Fluctuaii de tensiune91.1.2.2. Goluri de tensiune91.1.2.3. Supratensiuni lente101.1.2.4. Supratensiuni sinusoidale amortizate111.1.2.5. Trsnetul111.1.2.6. Curenii tranzitorii121.1.3. Perturbaii permanente (ntreinute, continue) prin radiaiede joas frecven121.1.3.1. Cmpul de dispersie al transformatoarelor121.1.3.2. Cuptoarele de inducie131.1.3.3. Radiaiile liniilor aeriene de transport a energiei electrice131.1.3.4. Curenii de scurgere (de fug) la pmnt141.1.4. Perturbaii tranzitorii prin radiaie de joas frecven141.1.4.1. Scurtcircuite141.1.4.2. Conectarea (anclanarea) liniilor electrice aeriene de nalt tensiune151.1.4.3. Flash electronic produs de aparate foto151.1.4.4. Trsnetul151.2. Perturbaii de nalt frecven151.2.1. Perturbaii permanente (ntreinute) de nalt frecven, prin conductive161.2.1.1. Zgomotul de comutaie al motoarelor cu colector161.2.1.2. Convertizoarele statice161.2.2. Perturbaii tranzitorii de nalt frecven, prin conducie161.2.2.1. Deconectarea bobinelor171.2.2.2. Descrcrile electrostatice171.2.3. Perturbaii permanente (ntreinute), de nalt frecven, prin radiaie191.2.3.1. Mainile de tip ISM191.2.3.2. Emitoarele de comunicaii201.2.4. Perturbaii tranzitorii de nalt frecven, prin radiaie201.2.4.1. Descrcrile electrostatice201.2.4.2. Arcurile electrice201.2.4.3. Impulsul electromagnetic nuclear (NEMP)212. METODE I MIJLOACE ANTIPERTURBATIVE LA CUPLAJELE PRIN CONDUCIE222.1. Generaliti222.2. Filtre222.2.1. Structura filtrelor CEM222.2.2. Frecvena de rezonan a filtrelor252.2.3. Dielectrici i materiale magnetice cu pierderi262.2.3.1. Dielectrici cu pierderi262.2.3.2. Materiale fero i feromagnetice cu pierderi282.3. Tipuri de filtre292.3.1. Filtru trece-jos292.3.2. Filtru trece-sus292.3.2.1. Filtru trece-band302.3.2.2. Filtru taie-band302.3.3. Filtre de armonice n electroenergetic302.3.3.1. Msuri pentru limitarea regimului deformant312.3.3.2. Filtre de intrare322.3.3.2.1. Reducerea armonicilor de curent prin introducerea reactanelor de linie322.3.4. Tipuri de filtre de armonice362.3.4.1. Filtre pasive362.3.4.2. Filtre active372.3.4.3.Filtre mixte sau hibride392.3.5. Limitatoare de supratensiuni392.3.5.1. Diode n avalan402.3.5.2. Varistoare402.3.5.3. Eclatoare412.3.5.4. Scheme hibride432.3.6. Simetrizoare i rejecia de mod comun432.3.7. Izolarea galvanic442.3.7.1. Transformatoare de separare442.3.7.2. Transformatoare de izolare442.3.7.2.1. Filtrele passive452.3.7.2.2. Elemente de baz462.3.7.2.3. Compensarea puterii reactive492.3.7.2.4. Instalaii combinate pentru compensare i filtrare492.3.7.2.5. Experiene simple512.3.7.3. Optocuploare i cabluri din fibr optic563. CALCULUL BATERIILOR DE CONDENSATOARE.583.1. Metodele de concepere ale filtrului armonic583.2. Selectarea frecvenei pentru acordarea filtrului583.3. Calculul de dimensionare a bobinei de compensare a filtrului603.4. Evaluarea comportamentului filtrului la funcionarea n sarcin nominal613.4.1. Calculul comportamentului n cazul funcionrii n regim armonic623.4.2. Evaluarea comportamentului n cazul funcionrii n regim maxim633.4.3. Evaluarea bateriei de condensatoare comparnd cu valori standardizate633.5. Evaluarea comportamentului filtrului la frecvena armonic64

Figuri

Figura 1. 1Clasificarea surselor de interferene electromagnetice dup spectrul de frecvene.5Figura 1. 2 Exemplu de variaie a tensiunii n cazul unui flicker.6Figura 1. 3 Curenii armonici de rang 3 n cele trei faze ale sistemului trifazat.8Figura 1. 4 Forme reale i idealizate ale unor goluri de tensiune10Figura 1. 5 Supratensiuni la anclanarea unei baterii de condensatoare n reea.10Figura 1. 6 Supratensiune produs de topirea fuzibilului, tip fir, a unei sigurane fuzibile.11Figura 1. 7 Unda sinusoidal amortizat11Figura 1. 8 Unda de tensiune normalizat care se utilizeaz pentru studiul fenomenului de trsnet.11Figura 1. 9 Reducerea cmpului de dispersie la un transformator de alimentare13Figura 1. 10 Repartiia celor trei faze pentru cabluri de for unipolare, n cazul14Figura 1. 11 Evacuarea curentului de mod comun lCM, la asiu (mas).16Figura 1. 12 Schema echivalent - bobin comandat printr-un contactor uscat.17Figura 1. 13 Variaia tensiunii n cazul unei salve de impulsuri produse la deschiderea contactelor unui contactor.17Figura 1. 14 Schema electric echivalent a unui corp uman ncrcat electrostatic i valori tipice pentru momentul descrcrii electrostatice19Figura 1. 15 Unda de current de descrcare19Figura 1. 16 Clasificarea emitoarelor de comunicaii (LORAN=LOng Range Navigation).20

Figura 2. 1 Pierderea de inserie i funcia de transfer a unui filtru.23Figura 2. 2 Scheme de filtre elementare i atenurile reale corespunztoare24Figura 2. 3 Montarea filtrului ntr-un circuit cu impedan mic24Figura 2. 4. Montarea filtrului ntr-un circuit cu impedan mare24Figura 2. 5 Filtru aval si amonte25Figura 2. 6 Cazul unui filtru reciproc, dar ireversibil.25Figura 2.7 Efecte de rezonanta26Figura 2. 8 Schema echivalent a unui condensator cu pierderi.27Figura 2. 9 Schema electric echivalent a unei bobine cu pierderi28Figura 2. 10 Modul de legare n serie la un cablu coaxial a unui filtru trece-sus29Figura 2. 11 Modul de definire a factorului de form al unui filtru trece-band.30Figura 2. 12. Montarea unui filtru de armonice pentru limitarea curentului deformant:31Figura 2. 13 Modul de realizare a unui filtru refulant36Figura 2. 14 Filtre absorbante37Figura 2. 15 Filtre absorbante pentru eliminarea simultan a dou sau trei armonice37Figura 2. 16 Filtru de armonici activ38Figura 2. 17 Limitarea supratensiunilor cu ajutorul unui divizor de tensiune39Figura 2. 18 Comportarea unei diode n avalan la impulsuri de supratensiuni.40Figura 2. 19 Schema electric echivalent simplificat a unui varistor41Figura 2. 20 Varistor limitare impulsurile de supratensiuni rapide, respectiv lente.41Figura 2. 21 Caracteristica de tensiune la funcionarea eclatorului42Figura 2. 22 Comportarea unui eclator la impulsuri de supratensiuni42Figura 2. 23 Conectarea n serie cu un eclator a unui varistor43Figura 2. 24 Conectarea n paralel a unui eclator hard cu un varistor soft.43Figura 2. 25 Protecia n cascad, la supratensiuni.43Figura 2. 26 Rejecia de mod comun.44Figura 2. 27 Separarea galvanic44Figura 2. 28. Ecran montat ntre nfurrile transformatorului de separare i pus la pmnt.44Figura 2. 29 Transformator de izolare triunghi- stea45Figura 2. 30 Filtru de armonici pasiv tip paralel45Figura 2. 31 Filtre pasive serie i paralel46Figura 2. 32 Apariia armonicilor la receptor i propagarea lor n sens invers, spre sursa de alimentare47Figura 2. 33 Puterea reactiv pe fundamental Figura 2. 34 Puterea pe armonici51Figura 2. 35 Tensiunea i curentul electric la o lamp cu incandescen de 200 W53Figura 2. 36 Combinaie de circuite de filtre55Figura 2. 37 Circuit refulant contra pierderii semnalului audio56Figura 2. 38 Modul de funcionare a unui optocuplor56Figura 2. 39 Transmisie prin fibr optic57

Figura 3. 1. Exemplu de configuraie filtru pentru joas tensiune59

TABELE

Tabel 133Tabel 2 Efectul reactanei de linie asupra armonicilor34Tabel 364

1. SURSE DE PERTURBAII

Sursele de perturbaii (surse de interferene electromagnetice) se gsesc n tot spectrul electromagnetic i pot fi de origine natural (cosmos, atmosfer, zgomot termic etc.) sau create de om (man made).Exist mai multe moduri de clasificare a surselor de perturbaii.Electronitii prefer clasificarea surselor de perturbaii dup spectrul de frecven, astfel: surse de band ngust; surse de band larg.n Figura 1. 1Clasificarea surselor de interferene electromagnetice dup spectrul de frecvene. se prezint, schematic, clasificarea surselor de perturbaii dup spectrul de frecvene.

Figura 1. 1Clasificarea surselor de interferene electromagnetice dup spectrul de frecvene.Inginerii de cureni tari clasific sursele de perturbaii electromagnetice dup trei criterii pe care le combin ntre ele, adic:

dup nivelul de frecven: Perturbaii de joas frecven; Perturbaii de nalt frecven.

dup suportul de propagare Perturbaii conduse; Perturbaii radiante.

dup durat (natura temporal): Perturbaii permanente; Perturbaii tranzitorii.

Combinarea celor trei criterii permite o mai bun cunoatere a msurilor antiperurbative care trebuie adoptate.

1.1. Surse de perturbaii de joas frecven

Prin perturbaii de joas frecven se neleg toate tipurile de parazii a cror gam de frecven este inferioar la 1 MHz. Frecvena de 1 MHz nu este o limit absolut, ci este o limit convenional sub care fenomenele electrice se comport ntr-un mod suficient de intuitiv, ele putnd s fie analizate pornindu- se de la scheme electrice echivalente simple i cunoscute, formate din rezistene, inductiviti proprii i mutuale i capaciti.Limita de 1 MHz se justific prin faptul c pn la aceast frecven cuplajele prin radiaie sunt nc foarte slabe, izolaiile se comport nc foarte bine, lungimea cablurilor de mas nu se apropie de valoarea critic i echipotenialitatea de poziie reprezint obiectivul fundamental spre care se tinde. De asemenea, pentru conductoarele de lungime obinuit, curentul care le strbate poate fi considerat constant.Peste limita de 1 MHz totul se complic n mod progresiv. Conductoarele devin antene eficace, cmpurile devin puternic perturbatoare, cablurile ncep s intre n rezonan, etc.Pentru conductoarele cu lungimi de cteva sute de metri trebuie s se reduc limita convenional a frecvenei joase. Spre exemplu, pentru un conductor cu lungimea de 100 m, limita pn la care se consider joasa frecven este de 100 kHz deoarece peste aceast valoare, conversia mod comun/ mod normal nu mai are sens fizic.

1.1.1. Perturbaii permanente (ntreinute, continue) prin conducie la joas frecven

Prin definiie o perturbaie la joas frecven are o durat lung (de cteva zeci de microsecunde). Caracteristic pentru o perturbaie de joas frecven este faptul c ea poate fi msurat cu mijloace convenionale. ntr-adevr se msoar uor o diferen de potenial sau un curent de joas frecven care are o abatere de cca. 0,2 %.Prin perturbaii ntreinute se nelege ansamblul de parazii a crui durat depete 1 secund, spre deosebire de fenomenele tranzitorii, sub form de impuls, care se manifest ntr-un interval de timp foarte scurt i cu pauze relativ lungi ntre dou apariii succesive. Toate perturbaiile ntreinute prin conducie la joas frecven afecteaz reeaua de alimentare cu energie electric i echipamentele electronice de joas tensiune.Cteva perturbaii ntreinute, prin conducie, la joas tensiune, vor fi prezentate n continuare:

1.1.1.1. Flickerul

Acesta este un fenomen de scdere uoar, dar frecvent, a tensiunii reelelor electrice de alimentare a unor consumatori datorit unor scurtcircuite (tieri rapide) ale curentului provocate de funcionarea normal sau n avarie a altor consumatori nvecinai.

Figura 1. 2 Exemplu de variaie a tensiunii n cazul unui flicker.n industrie, sursele fenomenului de flicker sunt, n general, pornirile marilor motoare electrice, pornirea cuptoarelor electrice cu rezistoare i cuptoarelor de inducie, funcionarea cuptoarelor cu arc electric n faza de topire, sudarea cu arc electric, funcionarea laminoarelor, a pompelor i compresoarelor cu piston etc. n Figura 1. 2 Exemplu de variaie a tensiunii n cazul unui flicker. este prezentat variaia tensiunii reelei de joas tensiune n cazul unui flicker. Flickerul poate fi i aleator, dar n general este periodic. Efectele fenomenului de flicker asupra receptoarelor sunt urmtoarele:Variaia vizibil a fluxului luminos emis de lmpile de iluminat, fenomen ce se produce, n special, n domeniul frecvenelor de 1 20 Hz i care determin o senzaie de jen fiziologic a ochiulu omenesc care conduce la oboseal, scderea randamentului muncii, creterea riscului de eroare n procesele productive, etc.); Deformarea imaginii la televizoare; Deranjamente n funcionarea echipamentelor electronice. n studiile i proiectele care vizeaz racordarea ntr-un nod al reelei electrice a unor receptoare perturbatoare (generatoare de flicker) trebuie s se determine probabilitatea apariiei fenomenului de flicker i s se prevad msuri i mijloace tehnice pentru eliminarea sau limitarea acestui fenomen, astfel nct s nu afecteze buna funcionare a celorlalte receptoare (consumatori) racordate n acel nod sau n nodurile vecine.

1.1.1.2. Variaii de frecven ale reelei electrice

Originea acestui fenomen este producerea energiei electrice de ctre un grup electrogen a crui frecven de antrenare (dat de viteza de rotaie a mainii primare) nu este perfect constant. Cele mai multe cazuri le reprezint grupurile electrogene ale cror sarcin este variabil. Motoarele diesel obinuite, care antreneaz grupurile electrogene, sunt mai puin stabile n frecven ca turbinele cu gaz sau cu abur.Normativele prevd c toate echipamentele electronice trebuie s suporte variaii de frecven depe o durat de 10 minute.Echipamentele electronice moderne alimentate de la surse de alimentare tip chopper sunt insensibile la variaii de frecven.ntr-o reea electric puternic i buclat, puterea electric este practic, infinit. La o astfel de reea frecvena instantanee are ntotdeauna o abate mai mic de 1 % i n mod curent, aceast abatere este mai mic de 0,1%.

1.1.1.3. Armonice

Orice sarcin neliniar consum un curent nesinusoidal care este compus dintr- un curent fundamental (la frecvena de 50 Hz n Europa) i din mai muli cureni armonici avnd frecvene, multipli ntregi ai frecvenei curentului fundamental.Sunt luate n considerare pn la 40 de armonici (armonica de rang 40 are frecvena de 2 kHz).ntr-un sistem electroenergetic, sursele de armonici pot fi grupate n:Surse interne, reprezentnd neliniaritile anumitor parametrii electrici, ai elementelor sistemului electroenergetic, cum ar fi: fenomenul corona n cazul liniilor electrice de nalt tensiune i saturaia circuitelor magnetice ale transformatoarelor i mainilor electrice.Surse externe, cauzate de neliniaritile impedanelor unor receptoare sau consumatori electrici ca: atelierele de sudur electric, transportul electrificat, cuptoarele cu arc electric, electronica de putere, instalaiile de electroliza cuprului, calculatoarele electronice, televizoarele, lmpile fluorescente etc.Pentru consumatorii de mic putere, efectul armonicelor de curent asupra formei sinusoidale a tensiunii este neglijabil, dar pentru marii consumatori, efectul de distorsiune a undei de tensiune poate deveni foarte important. Distorsiunea undei de tensiune se exprim n procente i este deranjant pentru celelalte echipamente electrice din zon.Distorsiunea undei de tensiune este proporional cu curenii armonici (care reprezint sursa de perturbaii) i cu impedana reelei (cuplajul galvanic), care secomport ca o impedan comun a sursei i a receptoarelor.Distorsiunea tensiunii n reelele de nalt tensiune este slab (sub 1%). Ea, ns, nu mai poate fi neglijat n aval de transformatoarele MT/JT. Efectul distorsiunii de tensiune este nclzirea suplimentar a marilor motoare electrice la care, de exemplu, o distorsiune de (3 4)%) poate crea serioase probleme.n cazul unor sli echipate cu calculatoare electronice, o distorsiune de tensiune de 5% poate fi considerat normal, deoarece toate echipamentele electronice sunt astfel construite nct s suporte un factor global de distorsiune de 8%.Armonicele pare de curent sunt slabe i sunt, n principal, generate de sarcinile care consum o component continu a curentului. Trebuie avut n vedere c prezena unei componente continue a curentului produce saturarea rapid a fierului transformatoarelor. Circuitul magnetic al unui transformator de putere clasic ajunge la saturaie pentru un curent continuu de valoare mult mai mic dect cea a curentului alternativ nominal. Un transformator saturat de un curent continuu genereaz o mulime de armonice pare.Cea mai mare parte a sarcinilor neliniare nu genereaz dect armonice impare.Sarcinile trifazate echilibrate i alimentate fr conductor neutru nu genereaz armonica de ordinul 3 i nici armonice multipli de 3.Curenii armonici de ordinul 3 i multipli de 3 pun o problem special :Chiar i n cazul echilibrului sarcinilor monofazate pe cele 3 faze ale reelei trifazate de distribuie, curenii armonici de rangul 3 se adun n conductorul neutru.Se poate spune c curenii armonici de rang 3 se comport ca i componentele homopolare de curent. n aceast situaie, valoarea curentului prin conductorul neutru poate s depeasc valoarea curentului din faze.Frecvena curenilor armonici de rang 3 fiind de 3x50Hz=150 Hz, ei produc n conductorul neutru o nclzire suplimentar (datorit efectului pelicular), care poate deveni periculoas. De aceea, la proiectarea instalaiilor electrice ale birourilor, slilor de calculatoare i a iluminatului fluorescent trebuie s se prevad pentru conductorul neutru o seciune adecvat trecerii acestor cureni homopolari, fr s se produc efecte nedorite.n Figura 1. 3 Curenii armonici de rang 3 n cele trei faze ale sistemului trifazat., se prezint modul n care curenii armonici de rang 3 ai celor trei faze se comport n conductorul neutru ca nite cureni homopolari (se adun).

Figura 1. 3 Curenii armonici de rang 3 n cele trei faze ale sistemului trifazat.

Observaii: curentul armonic de rang 3 oscileaz de 3 ori mai repede dect curentul fundamental; armonicele de rangul 3 sunt n faz; armonicele de rang 3 se adun n conductorul neutru ca i componentele de secven homopolar; n conductorul neutru, curentul armonic de rang 3 devine, astfel, mai mare ca valoarea efectiv a curentului de faz; curentul armonic de rang 3 nclzete cablurile de alimentare.

Un alt tip de problem care poate s apar n reelele electrice de distribuie datorit prezenei curenilor armonici este legat de existena bateriilor de condensatoare pentru compensarea circulaiei de putere reactiv i mbuntirea factorului de putere n ntreprinderi.Bateria de condensatoare cu un pronunat caracter capacitiv este legat n paralel cu transformatorul de MT/JT care alimenteaz cu energie electric ntreprinderea. Ansamblul transformator-baterie de condensatoare formeaz un circuit oscilant paralel de tip L - C, care are o impedan foarte mare la frecvena de rezonan. Dac un curent armonic este generat la frecvena de rezonan a circuitului oscilant L - C paralel, se produce o distorsiune de tensiune deosebit de periculoas. Pentru a se evita acest fenomen exist dou soluii: fie se mrete sau se micoreaz numrul de condensatoare ale bateriei (cu riscul de a se realiza o compensare imperfect), fie se adaug o bobin n serie cu bateria de condensatoare realizndu-se un filtru refulant.

1.1.1.4. Interarmonice

Un curent interarmonic este un curent a crui frecven nu este multiplu ntreg al frecvenei reelei electrice. Se disting dou tipuri de interarmonice:interarmonice adevrate, care sunt generate la frecvene discrete;interarmonice cu frecvene n spectru continuu.Interarmonicele adevrate sunt create de anumite convertizoare de frecvene statice (convertizoare ciclice cunoscute sub denumirea de cicloconvertoare i utilizate pentru antrenarea motoarelor electrice la viteze reduse). Unele motoare asincrone cu rotorul cu poli apareni (proemineni) produc interarmonice de frecvene multipli ai frecvenei de rotaie.Pe termen lung, interarmonicele pot conduce la nclziri excesive ale instalaiilor i echipamentelor electrice, dar nu perturb n mod periculos echipamentele electronice.Riscul principal al interarmonicelor este de a perturba sistemele de telecomand centralizate, n banda de frecvene de 110 Hz 2 kHz. n acest caz, nivelul de interarmonici, n general tolerat la 0,5 % din Un, trebuie s fie redus la mai puin de 0,1 % din Un.

1.1.2. Perturbaii tranzitorii prin conducie la joas frecven Perturbaiile tranzitorii de joas frecven sunt mult mai puin deranjante dect perturbaiile ntreinute (continue) de aceeai amplitudine.

1.1.2.1. Fluctuaii de tensiune

O fluctuaie de tensiune este o variaie rapid a tensiunii de alimentare, cuprins n plaja normal de variaie a acesteia (6% 10%) Un, n timpul funcionrii normale a reelei electrice de alimentare (distribuie).Fluctuaiile de tensiune sunt produse de variaiile de sarcin: porniri de motoare electrice mari, cuptoare cu arc electric, reglajul de tensiune cu ploturi la transformatoare etc. Ele nu sunt permanente, dar au, adesea, amplitudini mai mari ca ale flicker-ului.Perturbaiile produse de fluctuaiile de tensiune sunt, n general, slabe.Ele pot, uneori, afecta buna funcionare a echipamentelor electronice sensibile, cum ar fi: regulatoarele de putere de mare precizie, calculatoarele din generaiile mai vechi i tuburile fluorescente de mare randament.Un echipament electronic modern poate suporta fluctuaii de tensiune de 8% Un.

1.1.2.2. Goluri de tensiune

Un gol de tensiune reprezint scderea brusc a amplitudinii sau a valorii efective a tensiunii ntr-un anumit nod al reelei electrice pn la o valoare ce poate atinge 20% din Un i care dureaz mai puin de 3 secunde. Limita minim de 0,2 Un s-a ales n funcie de pragul de sensibilitate al aparatelor de msur, iar limita maxim de timp, de 3 secunde, ia n considerare performanele echipamentelor electrice care asigur revenirea tensiunii la valoarea normal.Cauzele golurilor de tensiune sunt fie diferite defecte care apar n instalaiile sistemului electroenergetic (De exemplu: vnt puternic, furtuni, defecte pe liniile electrice sau n sistemele vecine etc.), fie conectri directe n reea a unor agregate care necesit cureni mari de pornire.Golurile de tensiune pot aprea oricnd i oriunde n reelele electrice, ele fiind inevitabile i aleatoare. Aceasta impune ca studiul lor s se fac pe baze statistice. Orice gol de tensiune este un proces tranzitoriu n timp, ntre momentul apariiei sale i momentul revenirii tensiunii la valoarea sa nominal. Golurile de tensiune nu afecteaz ntotdeauna toate cele trei faze ale sistemului trifazat. De aceea, exist goluri de tensiune simetrice i nesimetrice (mono- sau bifazate).Deoarece cauzele apariiei golurilor de tensiune sunt multiple, i alura curbei tensiunii n timp difer de la un gol la altul. De aceea, pentru simplificarea studierii golurilor de tensiune s-au conceput cteva forme idealizate ale acestora, ale cror expresii matematice sunt simple i cunoscute. Astfel de forme idealizate, mai des ntlnite, sunt date n Figura 1. 4 Forme reale i idealizate ale unor goluri de tensiuneForme reale i idealizate ale unor goluri de tensiune:gol de tensiune dreptunghiular, real;idealizat;gol de tensiune exponenial, real;idealizat.

Figura 1. 4 Forme reale i idealizate ale unor goluri de tensiune

Consecina cea mai grav a unui gol de tensiune poate fi pierderea alimentrii cu energie electric a consumatorilor racordai la linia electric n care acesta apare. De aceea, distribuitorii de energie electric fac eforturi pentru a limita nivelul de scdere a tensiunii golurilor de tensiune i pentru a reduce riscurile de ntreruperi prin buclarea reeaua de medie tensiune.

1.1.2.3. Supratensiuni lente

Supratensiunile care afecteaz reeaua de alimentare se manifest ca perturbaii de mod normal (diferenial) la bornele consumatorilor. Cauzele apariiei acestor supratensiuni sunt multiple, dintre acestea vom exemplifica urmtoarele:Anclanarea unei baterii de condensatoare la reeaua de alimentare. n momentul anclanrii se formeaz un circuit L C paralel care are o frecven de rezonan, joas. Tensiunea tranzitorie are, dup anclanare, o valoare de vrf de peste dou ori mai mare fa de valoarea de vrf a tensiunii reelei. De exemplu, la un circuit monofazat de 230 V, tensiunea de vrf atinge peste 500 V, dar are energia de doar cteva sute de joule.

Figura 1. 5 Supratensiuni la anclanarea unei baterii de condensatoare n reea.Topirea fuzibilului unei sigurane. La o siguran fuzibil, n cazul unui scurtcircuit net, fuzibilul se topete ntr-o milisecund, cnd curentul atinge civa kA.Supratensiunea care urmeaz ntreruperii fuzibilului depete, adesea, 1000 V. Aceast supratensiune, avnd o energie de cteva sute de joule poate distruge un echipament electronic sensibil montat n paralel pe aceeai bar. Astfel, dei curentul a fost ntrerupt, un echipament s-a distrus.

Figura 1. 6 Supratensiune produs de topirea fuzibilului, tip fir, a unei sigurane fuzibile.

1.1.2.4. Supratensiuni sinusoidale amortizate

Orice manevr n reeaua electric de MT (nchiderea sau deschiderea ntreruptoarelor, contactoarelor, disjunctoarelor) produce ceea ce se numeteoc de manevr i care perturb linia printr-un impuls de tensiune cu front abrupt, ca n Figura 1. 7 Unda sinusoidal amortizat.

Figura 1. 7 Unda sinusoidal amortizat

Acest fenomen este asemntor celui de anclanare a unei baterii de condensatoare, dar cu o frecven de rezonan superioar i cu mai puin energie. Riscul de distrugere de echipamente este foarte redus, mult mai redus ca cel datorit supratensiunilor lente.

1.1.2.5. Trsnetul

Trsnetul este o descrcare electric de mare energie ntre nor i pmnt.Fenomenul, privit din unghi de vedere electric, se manifest ca un generator de curent perfect. Amplitudinea medie a curentului de trsnet este de cca 25 kA, dar pentru calcule de protecie, n 95% din cazuri se ia n considerare un curent de 100 kA, iar pentru o i mai mare siguran, n 99% din cazuri se consider un curent de trsnet de 200 kA.

Figura 1. 8 Unda de tensiune normalizat care se utilizeaz pentru studiul fenomenului de trsnet.

Pentru un coeficient de ncredere de 95%, panta curentului de trsnet se adopt de l / t= 160 kA/s, iar pentru un coeficient de ncredere de 99%, se alege. l / t = 300 kA/s.Fenomenul de trsnet rmne ca fenomen perturbativ de joas frecven deoarece, frecvena sa este inferioar megahertz-ilor.Frecvena zilelor de furtun, pe an, ntr-un anumit loc, permite s se determine nivelul isokeraunic, care unete prin curbe de nivel, toate zonele de pe pmnt cu aceeai frecven a furtunilor.

1.1.2.6. Curenii tranzitorii

Conectarea sarcinilor genereaz un impuls scurt de curent cu caracter de perturbaie de mod normal, care afecteaz uor i tranzitoriu, tensiunea de alimentare. Astfel, conectarea unui simplu tub fluorescent cu balast genereaz un impuls de curent de peste 10 A la vrf.Mai periculos este, ns, impulsul de mod comun care nsoete conectarea. Un astfel de proces tranzitoriu, chiar dac are o amplitudine redus (vrful de civa amperi) este perturbativ pentru c frontul su este foarte abrupt i se tie c toate perturbaiile de mod comun care au frontul abrupt se cupleaz n mod eficient cu conductoarele circuitelor vecine. De aceea, pentru a evita astfel de perturbaii este bine s se pstreze o distan mai mare de 30 cm ntre conductoarele de semnal i conductoarele de alimentare de la reea.

1.1.3. Perturbaii permanente (ntreinute, continue) prin radiaiede joas frecven

La joas frecven numai cmpul magnetic poate crea probleme, dar numai n vecintatea imediat a victimei. Ecranarea cmpului magnetic la joas frecven fiind foarte dificil (sub 10 kHz), reducerea cuplajului magnetic este singura soluie practic de protecie.Msurarea perturbaiilor ntreinute n cmp magnetic este simpl i uor reproductibil. Pentru aceasta este nevoie doar de o bucl nchis de circuit i de un osciloscop.

1.1.3.1. Cmpul de dispersie al transformatoarelor

Transformatoarele de for funcioneaz, n cele mai multe situaii, n apropiere de zona de saturaie magnetic a fierului. Valoarea de vrf a induciei magnetice n fier depete 1,5 T, iar n unele cazuri (la transformatoarele care funcioneaz n regim intermitent) poate s ating 2 T. La un astfel de nivel al induciei magnetice, fierul este saturat, iar intensitatea cmpului magnetic poate depi 100 A/m n apropierea transformatorului.Consecina cea mai frecvent a unui astfel de cmp magnetic este deformarea imaginii tuburilor catodice (jocul imaginii, ondularea imaginii cu frecvena de baleiaj, modificarea culorilor imaginii etc.,). Trebuie precizat c tuburilor catodice neecranate suport intensiti ale cmpului magnetic de valori n jurul a 1 A/m, la joas frecven.Alte consecine ale prezenei unui astfel de cmp magnetic intens sunt: o inducie de zgomot n capetele magnetice de citire (magnetofoane, derulatoare de band, cititoare de diskete) i inducii n buclele de cupla.Cmpul magnetic de joas frecven radiat de un transformator i, n general , de sursele localizate, descrete foarte rapid cu distana dup o lege a lui 1 / D3. Spre exemplu n cazul unui transformator de sector care are la distana de 25 cm de el, o intensitate a cmpului magnetic de dispersie de 3A/m, la distana de 1 m cmpul magnetic va avea o intensitate de 0,05 A/m. Un cmp att de slab nu va putea perturba nici un circuit electronic. Rezult c cea mai simpl i mai eficient metod de protecie este aceea de a deprta echipamentele electrice i electronice sensibile de sursa de perturbaii magnetice. n aceast idee, niciodat nu trebuie instalat un tub catodic la o distan mai mic de 5 m de un transformator de for dintr-un post de transformare.i n cazul curenilor slabi, transformatoarele de alimentare genereaz cmpuri magnetice de dispersie la joas frecven (frecvena reelei de alimentare de 50 Hz sau de 60 Hz). n acest caz, o soluie de protecie a circuitelor electrice i electronice vecine este de a blinda (ecrana) cmpul de dispersie printr-o centur din cupru care s placheze nfurrile transformatorului la exterior ca n Figura 1. 9 Reducerea cmpului de dispersie la un transformator de alimentare. Prin aceasta se realizeaz o reducere a cmpului radiant de dispersie de pn la 10 ori.

Figura 1. 9 Reducerea cmpului de dispersie la un transformator de alimentare

Dac pentru transformatorul de alimentare al circuitelor (schemelor) electronice se folosete o construcie toroidala miezului feromagnetic, cmpul de dispersie rmne ntre bobinaje, interiorul torului.Cmpul magnetic de dispersie la un transformator cu miez feromagnetic toroidal este foarte slab, dar capacitatea nfurrii primarefa de cea secundar este mult mai mare ca a unui transformator obnuit (de cca 10 ori).

1.1.3.2. Cuptoarele de inducie

O surs localizat foarte intens de cmp magnetic o reprezint inductorul cuptoarelor de inducie industriale de mare putere. Aceste cuptoare se utilizeaz pentru topirea i meninerea n stare cald a metalelor feroase i neferoase n vederea turnrii n forme sau pentru tratamente termice de suprafa ale oelurilor. Frecvena curentului prin bobina inductoare este cuprins ntre frecvena industrial i cteva zeci de kilohertzi, iar puterea lor variaz ntre 10 kW i civa megawatt;Descreterea intensitii cmpului magnetic se face ca i la transformatoare, dup curba corespunztoare legii 1/D3, deci foarte rapid cu distana fa de inductor.Efectele cmpului magnetic de dispersie sunt cele cunoscute: perturbaii vizuale ale tuburilor catodice, modificarea culorii imaginilor TV etc. Ecranarea sursei fiind imposibil, iar cea a victimei fiind, i ea, dificil, cea mai bun soluie de evitare a efectelor cmpului magnetic este deprtarea victimei de sursa de perturbaii.Trebuie precizat c cuptoarele moderne utilizeaz pentru reglaj semiconductoare de mare putere care genereaz perturbaii prin conducie.

1.1.3.3. Radiaiile liniilor aeriene de transport a energiei electrice

Liniile de alimentare a traciunii electrice, precum i liniile electrice aeriene de nalt tensiune reprezint antene lungi i eficace de cmp magnetic. Bucla radiant este suprafaa cuprins ntre conductoarele de dus i de ntors. O linie aerian de medie tensiune de 20 kV suport, n mod constant, un curent de 500 A; o linie de 110 kV suport peste 1000 A, iar o linie de 400 kV suport n jur de 2000 A. n industrie, ns, unele bare de joas tensiune suport cureni superiori la 10 kA.n toate cazurile, cmpul radiant al unei linii lungi echilibrate descrete cu distana dup o lege de forma 1 / D2. Aceast descretere, dei rapid, este totui mai lent ca cea corespunztoare unei surse de cmp localizat.Efectul acestui cmp radiant, n afar de a deforma imaginile tuburilor catodice este de a induce tensiuni perturbatoare n buclele circuitelor electrice vecine i de a perturba liniile aeriene de comunicaii. Acest ultim efect este deranjant pentru liniile telefonice.i n acest caz, soluia cea mai eficient este de a distana posibilele victime de linia perturbatoare. Sub o linie de 220 kV sau de 400 kV, cmpul magnetic la sol atinge 10 A/m sau chiar mai mult. Pentru a nu se depi 1 A/m este necesar o deprtare de cteva sute de metri.Pentru distribuia energiei electrice n industrie unde se utilizeaz cabluri unipolare la frecven joas (50 Hz), montarea alturat a 2,3 sau chiar 4 cabluri reduce suprafaa buclelor i deci i radiaia magnetic. Este bine, ns, s se grupeze cablurile 3 cte 3 faze i nu s se grupeze cablurile pe faze, ca n Figura 1. 10 Repartiia celor trei faze pentru cabluri de for unipolare, n cazul

Figura 1. 10 Repartiia celor trei faze pentru cabluri de for unipolare, n cazulgruprii cablurilor.

Cazul a) din Figura 1. 10 Repartiia celor trei faze pentru cabluri de for unipolare, n cazul, trebuie evitat pentru c n caz de scurtcircuit, apar fore electrodinamice care ndeprteaz cablurile parcurse de cureni de acelai sens.

1.1.3.4. Curenii de scurgere (de fug) la pmnt

n jurul unui conductor care este legat la pmnt (conductori de tip PE i PEN) i este parcurs de un curent de fug la pmnt se genereaz un cmp magnetic care descrete cu distana dup o lege de forma 1 / D.Din acest motiv, ndeprtarea cilor de cabluri nu este, adeseori, eficient. n acest caz o soluie mai eficient este de a se aduga un transformatorde izolare care s alimenteze separat echipamentele generatoarede cureni de fug (cureni homopolari sau armonice de rang 3; 9 etc.) ndeprtnd astfel victimele prin mrirea distanei ntre ele i sursele de perturbaii.O alt problem grav a curenilor de fug este aceea c ei pot declana proteciile difereniale sensibile. De aceea nu trebuie niciodat protejat alimentarea sistemelor informatice prin protecii difereniale sensibile.

1.1.4. Perturbaii tranzitorii prin radiaie de joas frecven

Cmpurile tranzitorii de joas frecven nu sunt perturbatoare dect dac sunt de foarte mare amplitudine. Ca i n cazul tuturor impulsurilor i n acest caz riscul esenial este de a perturba funcionarea echipamentelor electronice mai puin cunoscute sau prost cablate.

1.1.4.1. Scurtcircuite

Scurtcircuitele pe liniile electrice se manifest prin urmtoarele etape:prin conducie, tensiunea liniei cade la zero cel puin pe durata necesar eliminrii defectului;prezena curentul de scurtcircuit genereaz un cmp magnetic tranzitoriu de valoare mult mai mare dect cea a cmpului nominal;intrarea n funciune a ntreruptoarelor poate crea impulsuri cu front abrupt (cazul ntreruptoarelor de la nalt tensiune) sau supratensiuni energetice (cazul topirii fuzibilului cu fir al unei sigurane).Pentru o reea electric, un scurtcircuit genereaz un curent de 5 pn la 50 de ori mai mare dect curentul nominal. n reelele de joas tensiune, curentul de scurtcircuit nu depete, ns, valoarea de 25 In, iar un factor de 15 reprezint un caz tipic realist.Cmpul magnetic radiant pe durata scurtcircuitului nu este, probabil, deranjant dect pentru echipamentele electronice sensibile la care timpul de rspuns este inferior ctorva milisecunde la joas tensiune, respectiv cteva sute de milisecunde la medie tensiune, adic corespunztor timpului de intervenie a proteciei reelei electrice.

1.1.4.2. Conectarea (anclanarea) liniilor electrice aeriene de nalt tensiune

O linie lung, n gol, determin apariia la extremitatea n gol, a unei supratensiuni care poate atinge valoarea dubl a tensiunii liniei (efectul Ferrantti).n cazul unei linii defecte, la reanclanare, ntre conductorul de dus i ntors circul un curent oscilatoriu, durata fiecrei treceri a curentului fiind funcie numai de distana pn la defect i avnd valoarea ntre 10 si cteva milisecunde. Efectul unui astfel de curent este apariia, prin inducie, a unei tensiuni electromotoare n toate buclele de mas vecine liniei defecte.Pentru o linie de 20 kV vecin, tensiunea electromotoare de indus poate depi 1 kV, la vrf.

1.1.4.3. Flash electronic produs de aparate foto

Cmpul magnetic radiant produs de flash-ul unui aparat foto provoac, prin inducie, o tensiune electromotoare indus n buclele de cablaj ale echipamentelor electronice. Astfel, la distana de 2 m de un flash cmpul magnetic produs reprezint un impuls magnetic sinusoidal amortizat de intensitate de 0,1 A/m, la vrf i o frecven de cteva sute de kilohertzi.Exist dou soluii de protecie a victimelor:S nu se fotografieze cu flash echipamentele lectronice neautorizate CEM;S se reduc suprafeele buclelor de mas.

1.1.4.4. Trsnetul

Pe lng fenomenul de conducie descris anterior, canalul ionizat al trsnetului se comport ca un conductor lung care conduce cureni de fug la pmnt de zeci de kA, ntr- un timp mai scurt dect o microsecund, ntre dou reamorsri. Cmpul magnetic radiant descrete cu distana dup legea 1/D.Acest fenomen induce tensiuni electromotoare parazite, de ordinul kilovolilor, n buclele de mas ale instalaiilor electrice i electronice. Aceste tensiuni induse pot distruge componentele de interfa ale acestor instalaii. Astfel de distrugeri s-au observat i la o distan de 1 km fa de locul de impact al trsnetului.

1.2. Perturbaii de nalt frecven

Prin perturbaii de nalt frecven se neleg toate tipurile de parazii al cror spectru semnificativ de frecvene se ntinde dincolo de frecvena de 1 MHz.La aceste frecvene ale perturbailor electromagnetice izolaiile galvanice devin ineficiente, lungimile conductorilor de mas sunt critice i toate conductoarele devin antene eficace (chiar i conductoarele scurte pot intra n rezonan). Aici predomin perturbaiile de mod comun, fapt ce permite o nelegere mai facil a fenomenelor.Perturbaiile de nalt frecven sunt dificil de msurat. Este interesant, n acest sens, evoluia pragului de sensibilitate a msurrilor la nalt frecven, odat cu dezvoltarea tehnicilor de msurare. Astfel, n anii 1970 se considera c perturbaiile industriale la nalt frecven sunt semnificative pn la frecvena de 30 MHz. n anii 1980, odat cu apariia osciloscoapelor de peste 100 MHz, s-a generalizat ideea c perturbaiile industriale sunt semnificative din punct de vedere al CEM pn la 100 MHz. (Este de remarcat faptul c n 1981, cu ajutorul unui osciloscop de 350 MHz, s-a msurat timpul de amorsare a arcului electric, inferior unei nanosecunde). n prezent se consider c pentru perturbaiile de nalt frecven, limita de 7 GHz este suficient pentru problemele CEM.Fenomenele produse la nalt frecven sunt importante, foarte frecvente, severe i puin intuitive. De aceea studierea lor este foarte dificil.

1.2.1. Perturbaii permanente (ntreinute) de nalt frecven, prin conductive

Fenomenele de conducie se complic mult dincolo de pragul de 1 MHz. Dac se detecteaz nfurtoarea unui semnal de nalt frecven ntreinut, acest semnal se vede ca un semnal continuu.

1.2.1.1. Zgomotul de comutaie al motoarelor cu colector

Motoarele cu colector genereaz scntei la colector n timpul funcionrii. O scnteie se comport ca un ntreruptor foarte rapid. Conductorii de alimentare devin suportul curenilor de nalt frecven, cu un front de cretere de ordinul ctorva zeci de nanosecunde, uneori chiar mai puin. Efectul acestor perturbaii de nalt frecven, de mod comun, este de a perturba direct sistemele de reglare precum i conductoarele vecine.Soluia cea mai bun de protecie este de a filtra fiecare conductor n raport cu masa. La motoarele cu colector utilizate n echipamentele i aparatele electrocasnice este suficient, pentru aceasta, s se amplaseze un condensator de antiparazitare cu capacitatea de civa nanofarazi ntre fiecare perie colectoare i statorul (masa) motorului.

1.2.1.2. Convertizoarele statice

Toate convertizoarele statice genereaz cureni de mod comun de nalt frecven, cu care se nchid ntre partea de alimentare i partea de ieire a convertizoarelor, ca n Figura 1. 11 Evacuarea curentului de mod comun lCM, la asiu (mas).

Figura 1. 11 Evacuarea curentului de mod comun lCM, la asiu (mas).

Curenii de mod comun sunt formai din impulsuri sinusoidale amortizate de valoare cuprins ntre civa miliamperi i cteva sute de miliamperi. Frecvena lor proprie este de 5 50 MHz;Efectul acestor cureni este bruiajul echipamentelor electronice sensibile (camere video, monitoare de mare rezoluie, skanere, receptoare optice, etajele de frecven intermediar a radioreceptoarelor, aparatele de ecografie medical etc.).Soluia de eliminare a acestor bruiaje este de a filtra toate conductoarele convertizorului prin filtre de nalt frecven, care s aib, toate, aceeai referin de potenial sau acelai plan de mas.

1.2.2. Perturbaii tranzitorii de nalt frecven, prin conducie

Frontul de durat foarte scurt (sub 10 ns) nu se propag prea departe n conductoare pentru c radiaia n mod comun este amortizat. n mod normal (diferenial), se produce o degradarea rapid a frecvenelor foarte nalte, care se transform n cldur. Rezult c cuplajele prin conducie la nalt frecven sunt, n mod esenial, locale. Impulsurile de nalt frecven, prin conducie, sunt, n mod particular, foarte grave pentru electronica numeric. Un semnal de civa voli, chiar dac dureaz cteva nanosecunde, este comparabil cu un semnal real.

1.2.2.1. Deconectarea bobinelor

Acest fenomen este, practic, inevitabil deoarece n sistemul electroenergetic exist foarte multe sarcini inductive: relee, contactoare, bobina, electrovalve, motoare, transformatoare, etc.Fenomenul se desfoar astfel:Cnd o sarcin inductiv este alimentat cu energie electric, energia reactiv inductiv este stocat n bobinaj.Dac un contactor ntrerupe curentul de alimentare, energia reactiv inductiv din bobinaj ncarc capacitile condensatoarelor n serie formate ntre spirele bobinei, care apoi se descarc brusc. Apare o supratensiune important la bornele bobinei, care, practic, se manifest ntre contactele contactorului.

Figura 1. 12 Schema echivalent - bobin comandat printr-un contactor uscat.

Creterea tensiunii este lent, iar frecvena de rezonan a circuitului oscilant L C este cuprins ntre civa kilohertzi i sute de kilohertzi.Teoretic, tensiunea care apare la bornele bobinei, practic, la bornele contactorului, este de ordinul kilovolilor. La aceast valoare a tensiunii, ntre contactele care se deschid se amorseaz un arc electric. Apariia arcului electric genereaz un front rapid i abrupt de cmp magnetic ntr-un timp de ordinul nanosecundelor, care se acumuleaz n bobin sub form de energie reactiv inductiv.Tensiunea ntre contacte cade, dar cnd arcul se stinge, tensiunea crete din nou i se produce o nou amorsare a arcului electric.Fenomenele se succed de un numr mare de ori i astfel, se genereaz o salv de impulsuri pe o durat de cca o milisecund pn cnd contactele se ndeprteaz suficient de mult unul de cellalt nct, tensiunea rezidual s nu mai fie suficient de mare ca s reionizeze spaiul de arc i astfel, arcul s nu se mai poat reaprinde. n figura 3.13 se prezint variaia tensiunii ntr-o salv de impulsuri la bornele contactelor care se deschid.Acest fenomen este normalizat de CEI prin norma 1000-4-4.Efectul salvei de impulsuri perturb puternic circuitele numerice fr un plan de mas sau prost conectate la mas. Pentru a limita acest efect este suficient s se plaseze un limitator de supratensiuni n paralel cu bobina. (varistor, diod Zener, diod supresoare etc.).

Figura 1. 13 Variaia tensiunii n cazul unei salve de impulsuri produse la deschiderea contactelor unui contactor.

1.2.2.2. Descrcrile electrostatice

Fenomenele electrostatice sunt cunoscute nc din antichitate. Cauzele electrizrii, adic a deplasrii sarcinilor electrice spre un corp izolat de pmnt, sunt multiple i anume:prin frecare (triboelectricitate);prin contact (transfer direct de sarcini electrice);prin influen (prin cmp electric);prin ionizare (emisii de ioni la tensiune nalt);prin baloelectricitate (agitaie de particule ntr-un gaz);prin clivaj sau prin fragmentare (cnd se sfrm zahrul ntr-un mojar);prin congelare;prin efect termo- sau fotoelectric etc.

Singur triboelectricitatea, adic frecarea unui obiect izolant nelegat la pmnt, este suficient pentru a explica cea mai mare parte a fenomenelor de descrcare electrostatic (DES) care apar n mediile industriale. Aceste fenomene sunt, practic, inevitabile.n cazul corpului uman, capacitatea acestuia fa de mediul nconjurtor este de cca 200pF.n cteva secunde, o persoan care se deplaseaz se ncarc, astfel la civa kilovoli. Tensiunea maxim la care se poate ncrca o persoan este de cca 20 kV. Aceast tensiune depinde, ns, de umiditatea relativ a aerului, de natura solului i de materialul nclmintei. Diferena de potenial a corpului uman fa de pmntfluctueaz n funcie de sarcina electric total colectat, adic:

[V](1. 1)fluctueaz n funcie de sarcina electric total colectat, adic:Energia electrostatic acumulat de corpul uman se poate determina cu relaia:

(1. 2)n cazul corpului uman, aceast energie eliberat la o DES este de ordinul milijoule, deci este neglijabil, dar ea poate provoca dezastre n cazul componentelor electronice miniaturale.Din punct de vedere al ncrcrii electrostatice, corpul uman se modeleaz printr-o schem electric ce conine trei parametri: capacitatea n raport cu pmntul, rezistena corpului uman i diferena de potenial fa de pmnt n stare ncrcat electrostatic. n medie, aceti parametri au urmtoarele valori medii naintea unei descrcri: C=200 pF; R=1 k; U=10 kV.

1

Figura 1. 14 Schema electric echivalent a unui corp uman ncrcat electrostatic i valori tipice pentru momentul descrcrii electrostatice

n momentul descrcrii electrostatice, DES, se produce un curent electric de descrcare de cca 10 A, ntr-un interval de timp de descrcare de 200 ns. Frontul curentului de descrcare este, ns, foarte abrupt i se desfoar n cca 1 ns, mai ales atunci cnd persoana ine n mn un obiect metalic (o cheie) prin intermediul creia are loc descrcarea electrostatic. n Error! Reference source not found. se prezint forma undei de curent de descrcare a corpului uman prin intermediul unui obiect metalic.

Figura 1. 15 Unda de current de descrcareO persoan ncrcat electrostatic se poate descrca complet prin atingerea unui corp conductor chiar dac acesta este izolat de pmnt. Astfel este posibil distrugerea, prin atingere, a unui card.Fenomenul este reciproc, adic o persoan descrcat, prin atingerea unui card ncrcat, dar izolat, se poate ncrca electrostatic genernd o DES care descarc cardul.Protecia mpotriva DES este, n primul rnd, o problem de concepie a instalaiilor industriale. Msurile care trebuie luate sunt: ecranrile conductoarelor i ale cardurilor, filtraje etc.Riscul DES se poate limita i meninnd n ncperi o umiditate relativ n jurul a 50%.Acest lucru este posibil n slile de informatic, n slile de testri i verificri (control), n laboratoarele de electronic etc.

1.2.3. Perturbaii permanente (ntreinute), de nalt frecven, prin radiaie

Toate perturbaiile radiante sfresc, dup cuplaj, sub forma de perturbaii prin conducie.

1.2.3.1. Mainile de tip ISM

Un ISM este un aparat Industrial, tiinific sau Medical. n industria modern se utilizeaz astfel de echipamente, care emit radiaii electromagnetice de putere pentru a ceda cldur n materialele care trebuie prelucrate. Este vorba de instalaii cu jet de plasm, maini de sudat plasticul, de uscare a lemnului, de polimerizare a rinilor, de deshidratare a legumelor etc.Toate aceste maini au puteri de emisie de peste 1 kW, depind uneori 100 kW. Frecvena lor de funcionare este cuprins ntre 1MHz 3 GHz i numeroase ISM-uri utilizeaz frecvene autorizate de 13,56 MHz sau 27,12 MHz. Aceste aparate trebuie s fie ecranate pentru a limita cmpul radiativ.

1.2.3.2. Emitoarele de comunicaii

Aceste instalaii produc energie electromagnetic n mod intenionat pe care o radiaz n mod controlat, n mediul nconjurtor n scopul transmiterii sau culegerii de informaii.

Emitoare de telecomunicaiiEmitoare comercialeRadio TVRadio telefoaneAutoPoliieAmatoriIndustrieRadio releeComunicaii satelitComunicaii testereNavigaieAerianNavalRadio farLORANRadarAerianNavalAutoSupraveghere spaiu

Figura 1. 16 Clasificarea emitoarelor de comunicaii (LORAN=LOng Range Navigation).

Puterile de emisie permise pentru diferite frecvene de emisie sunt stabilite n funcie de zona geografic, de timpii de emisie i directivitatea radiaiei n nelegere cu Uniunea Internaional de Telecomunicaii (ITU) i cu organismele naionale pentru managementul spectrului electromagnetic.Emisiile emitoarelor de comunicaii sunt, de regul, n band ngust i constau dintr-o frecven purttoare, benzile laterale i armonici de ordin superior, inevitabile.Cmpul electric radiant al unui emitor de comunicaii se poate estima printr-o relaie simpl, independent de frecven, i anume:

(1. 3)unde: E cmpul electric P puterea radiant a emitorului, n [W];G ctigul numeric de putere al antenei (G=1,5);D distana ntre anten i punctul de msur, n [m].

1.2.4. Perturbaii tranzitorii de nalt frecven, prin radiaie

1.2.4.1. Descrcrile electrostatice

Simultan cu curentul de descrcare la pmnt, un echipament electronic trebuie s suporte i un cmp electromagnetic intens de cca 8 A/m i 3 kV/m (cmp msurat la distana de 25 cm de punctul de descrcare)Metoda de protecie fa de un astfel de cmp perturbator este aceeai ca i n cazul perturbaiilor prin conducie i anume: un ecran bine echipotenializat, n jurul echipamentelor electronice.

1.2.4.2. Arcurile electrice

Amorsarea unui arc electric ntre pantograf i linia de contact n cazul traciunii electrice reprezint o surs de perturbaii tranzitorii de nalt frecven care perturb recepia radio i TV local.

Alte surse de perturbaii tranzitorii de nalt frecven sunt: efectul corona al liniilor aeriene de nalt tensiune, posturile de sudur electric i tuburile catodice.

1.2.4.3. Impulsul electromagnetic nuclear (NEMP)

Eliberarea brusc a energiei nucleare printr-o explozie este nsoit de un impuls intens de radiaie, format din fotoni (radiaie Roentgen de nalt energie n domeniul MeV), care se propag n toate direciile cu viteza luminii.Dac explozia are loc la mare nlime (peste 400 km) fa de Pmnt, fotonii care vin spre pmnt ciocnesc atomii din straturile dense ale atmosferei terestre i prin efect Compton, elibereaz electroni Compton, care, meninndu-i direcia, datorit ionizrilor prin ciocnire, produc un mare numr de electroni secundari.Electronii formeaz un dipol electric tranzitoriu mpreun cu ioni pozitivi rmai;n acelai timp, datorit micrii sarcinilor electrice n cmpul magnetic al Pmntului, sub aciunea forei Lorentz,

(1. 4)se formeaz i un dipol magnetic tranzitoriu. Apare, astfel, un cmp electromagnetic tranzitoriu, care reprezint impulsul electromagnetic nuclear, NEMP (Nuclear Electro-Magnetic Puls). Valoarea maxim a intensitii cmpului electric este de cca 50 kV/m, iar cea a intensitii cmpului magnetic se determin conform relaiei:

(1. 5) Unda de impuls NEMP este asemntoare undei standard a trsnetului, avnd frontul de und abrupt, cu durata de cca 5 ns i durata semi- amplitudinii de cca 200 ns. Efecte similare apar i la explozii nucleare n apropierea solului, dar aici predomin efectele termice i mecanice. Caracteristica principal a NEMP este c are aciune ntr-un spaiu larg care poate s acopere un continent ntreg. Cele mai afectate sunt sistemele electrice de mare ntindere cum sunt sistemele electroenergetice naionale sau internaionale, precum i reelele telefonice, n care, prin cuplajul distribuit pe ntreaga lungime a conductoarelor i prin formarea undelor progresive se acumuleaz energii enorme care distrug instalaiile i echipamentele.

2. METODE I MIJLOACE ANTIPERTURBATIVE LA CUPLAJELE PRIN CONDUCIE

2.1. Generaliti

Cele mai multe probleme de CEM pot fi rezolvate utiliznd metode i mijloace antiperturbative pentru cuplajele prin conducie, deoarece este mult mai uor, pentru un echipament dat, s i se adauge componente de protecie pe conductoarele de alimentare sau de semnal dect s i se construiasc sau s i se modifice un blindaj.Metoda principal de protecie const n posibilitatea de a combina ntre ele trei mijloace antiperturbaive, i anume: filtre, limitatoare de supratensiuni i simetrizoare, care realizeaz separarea galvanic. n toate situaiile, aceste mijloace antiperturbative se amplaseaz pe o linie electric (de putere sau cablu de semnal) pentru a proteja circuitele din aval.Toate aceste mijloace de protecie au performane i limite de utilizare relativ uor de msurat, fapt ce permite o bun cunoatere a comportrii lor n timpul funcionrii.

2.2. Filtre

Se vor prezenta numai filtre utilizate n scopul CEM. Un filtru de CEM este compus din condensatoare, bobine i / sau rezistoare. Acesta este un dispozitiv liniar atta timp ct inductivitile sale nu sunt saturate. n cazul unei tensiuni mari se va observa o uoar cretere a capacitii condensatoarelor.Un filtru de CEM funcioneaz eliminnd prile inutile ale spectrului de frecvene din semnalele electrice.

2.2.1. Structura filtrelor CEM

Modul obinuit de clasificare a filtrelor evideniaz patru tipuri de filtre: Trece-jos Trece-sus Trece-band Taie-bandAceste filtre sunt compuse din inductiviti (bobine), condensatoare i uneori, din rezistoare.Dac un filtru suport pierderi mici (n rezistenele sau n miezurile sale feromagnetice), el funcioneaz, n principal, prin dezadaptarea de impedan, adic prin reflexie i poart, n energetic, numele de filtru refulant.Dac filtrul suport pierderi mari, el funcioneaz prin absorbie i, n energetic, se numete filtru absorbant.Un filtru se caracterizeaz prin pierderea sa de inserie, numit eficacitatea filtrului.Aceasta reprezint, prin definiie, raportul dintre nivelul semnalului rezidual msurat dup montarea filtrului fa de nivelul semnalului msurat fr filtru. Pierderea de inserie a unui filtru depinde de impedanele circuitelor amonte i aval de locul de montare a sa.Nu trebuie confundat pierderea de inserie a unui filtru cu funcia de transfer care reprezint amplitudinea semnalului la ieire raportat la amplitudinea semnalului la intrare.n Figura 2. 1 Pierderea de inserie i funcia de transfer a unui filtru. se prezint diferena dintre pierderea de inserie (eficacitatea filtrului) i funcia de transfer a unui filtru.

a) b) Figura 2. 1 Pierderea de inserie i funcia de transfer a unui filtru.

Corespunztor pierderii de inserie a unui filtru se definete factorul de atenuare de inserie al filtrului,aFi, ca logaritmul raportului dintre tensiunile perturbatoare pe impedana receptorului, fr i cu filtru, adic:

(2. 1)Componentele pasive ale filtrelor formeaz, mpreun cu impedanele surselor i ale receptoarelor, divizoare de tensiune al cror raport de divizare, dependent de frecven, se definete ca fiind atenuarea real a filtrelor.

(2. 2)

(2. 3)

(2. 4)

Figura 2. 2 Scheme de filtre elementare i atenurile reale corespunztoare

Figura 2. 3 Montarea filtrului ntr-un circuit cu impedan mic

Un filtru trebuie s aib o impedan mult diferit de impedanele circuitului n care el se monteaz. Valorile impedanelor amonte i aval de locul de montare sunt eseniale pentru alegerea filtrului. Astfel, un filtru instalat ntr-un circuit cu impedan mic trebuie s aib o impedan mare. De aceea, la nalt frecven pentru o impedan a circuitului mai mic dect 10 , filtrul se va monta cu bobina spre amonte, ca n Figura 2. 3 Montarea filtrului ntr-un circuit cu impedan mic

Figura 2. 4. Montarea filtrului ntr-un circuit cu impedan marePentru un circuit cu impedan mare, filtrul trebuie s aib o impedan mic. Pentru un circuit care, la nalt frecven are o impedan mai mare dect 100 , filtrul trebuie montat cu condensatorul spre amonte, ca n Figura 2. 4. Montarea filtrului ntr-un circuit cu impedan mare.Un filtru pasiv este reciproc atta timp ct rmne liniar. Aceasta nseamn c pentru impedane amonte i aval date, pierderea de inserie este aceeai att de la intrare ctre ieire, ct i de la ieire ctre intrare.Observaie: Ca s fie liniar, un filtru trebuie s i conserve impedana nesaturat. Filtru liniar pasiv i reciproc are aceeai atenuare n ambele sensuri (Figura 2. 5 Filtru aval si amonte).

Figura 2. 5 Filtru aval si amonteUn filtru este ntotdeauna reciproc, dar nu este reversibil dect dac are o structur simetric sau dac impedanele amonte i aval sunt egale.Observaie:Un filtru este reversibil dac are aceeai atenuare i dac este montat invers.

Figura 2. 6 Cazul unui filtru reciproc, dar ireversibil.2.2.2. Frecvena de rezonan a filtrelor

Prezena componentelor de tip reactiv (bobine i condensatoare) n structura unui filtru creeaz un sistem oscilant care, n apropierea frecvenei proprii de rezonan, poate s produc o atenuare negativ, adic o amplificare de inserie.Se pot produce fenomene de rezonan i prin combinarea reactanelor proprii ale emitoarelor i receptoarelor cu componentele reactive ale filtrului.Fiecare component reactiv a filtrului are, n parte, o frecven proprie, individual, datorit prezenei unor elemente reactive parazite.

Figura 2.7 Efecte de rezonanta

Figura 2.7 Efecte de rezonantaError! Reference source not found. ale componentelor reactive ale unui filtru produse de mrimile parazite: modul de manifestare a mrimilor parazite; variaia real a impedanelor corespunztoare:-impedana longitudinal;- impedana transversal.

2.2.3. Dielectrici i materiale magnetice cu pierderi

Att rezonanele filtrelor, ct i rezonanele proprii ale componentelor lor reactive se pot atenua utiliznd dielectrici i materiale magnetice cu pierderi .Acestea pot fi obinute fie prin combinarea unor materiale diferite, fie prin proprietile intrinseci ale unor materiale, care prezint permitiviti complexe (n cazul dielectricilor) i permeabiliti complexe (n cazul materialelor fero i ferimagnetice).

2.2.3.1. Dielectrici cu pierderi

Datorit oscilaiilor periodice ale ionilor i dipolilor din structura materialelor electroizolante solicitate la tensiune alternativ, acestea prezint, pe lng conductivitatea rezidual care apare n curent continuu i pierderi de putere activ suplimentare cunoscute sub numele de pierderi de polarizare i care pot depi, ca valoare, de cteva ori pierderile produse de conductivitatea rezidual.Pentru a defini proprietile dependente de frecven a dielectricilor cu pierderi se introduce noiunea de permitivitatea complex:

(2. 5) respectiv, permitivitatea complex relativ (dup divizarea cu 0 ):

(2. 6)Partea real a relaiei corespunde permitivitii relative obinuite, care reprezint msura creterii capacitii n prezena unui dielectric, adic:

(2. 7)unde:Co - capacitatea geometric fr dielectric.Partea imaginar reprezint rezistena de pierderi n curent alternativ:respectiv conductana de pierderi:

(2. 8)

(2. 9)Condensatoarele cu pierderi se pot reprezenta printr-o schem echivalent obinut prin conectarea n paralel a unui condensator ideal cu un rezistor cu pierderi, ca n Figura 2. 8 Schema echivalent a unui condensator cu pierderi.

Figura 2. 8 Schema echivalent a unui condensator cu pierderi.n domeniul frecven se poate scrie relaia:

YU GjU

(2. 10)Se definete factorul de pierderi ca fiind raportul:

(2. 11)Cu ajutorul factorului de pierderi se calculeaz pierderile de putere activ n dielectric, adic:

(2. 12)Inversul factorului de pierderi se numete factor de calitate, Q. La dielectricii cu pierderi, Q = 1; adic curenii activi i reactivi au valori comparabile.

2.2.3.2. Materiale fero i feromagnetice cu pierderi

La aceste materiale, pierderile active n cmpul magnetic sunt produse de curenii turbionari, de fenomenul de histerez magnetic i de vscozitatea magnetic. Pierderile n miezul feromagnetic pot depi cu mult pierderile n nfurrile bobinelor filtrelor.Proprietile, dependente de frecven, ale unui material magnetic cu pierderi se exprim prin permeabilitatea complex:

(2. 13)sau, dac se divide expresia de mai sus cu 0, avem permeabilitatea complex relativ, adic:

(2. 14)Partea real a permeabilitii complexe relative reprezint tocmai permeabilitatea relativ obinuit i este o msur a creterii efective de inductivitate n prezena materialului magnetic, adic:

28

(2. 15)Partea imaginar este o msur a rezistenei corespunztoare pierderilor n fier,

adic :

(2. 16)

unde:L0 este inductivitatea geometric a bobinei n aer.Bobinele cu pierderi se pot reprezenta printr-o schem echivalent care are n paralel cu o bobin ideal, un rezistor corespunztor pierderilor n fier, ca n Figura 2. 9 Schema electric echivalent a unei bobine cu pierderi

Figura 2. 9 Schema electric echivalent a unei bobine cu pierderi(Lp - inductivitatea ideal;RFe - rezistena echivalent pierderilor n fier).

n domeniul frecven se scrie expresia curentului:

I()=IR+IL=U()Y() (2. 17)

Sau

(2. 18)Cu ajutorul factorului de pierderi se calculeaz pierderile active produse n materialul magnetic:

(2. 19)i n acest caz, inversul factorului depierderi se numete factor de calitate, Q, care, la materialele magnetice cu pierderi, are valoarea de aproximativ 1, fapt ce arat c curenii activi i cei reactivi sunt comparabili ca valoare.

2.3. Tipuri de filtre

2.3.1. Filtru trece-jos

Este cel mai utilizat tip de filtru n CEM. Cel mai simplu filtru trece-jos este format dintr-un condensator conectat ntre conductorul de semnal i mas. Eficacitatea lui, este, ns, mediocr, n primul rnd datorit prezenei inductivitii parazite n serie cu condensatorul.O mbuntire a eficacitii unui condensator se realizeaz montnd, n amonte de acesta, o rezisten i obinnd astfel un filtru R-C. Toate intrrile analogice trebuie s fie filtrate la nalt frecven printr-un filtru pasiv trece-jos de tip R-C (cel puin) a crui frecven de tiere i impedan sunt alese n funcie de banda de trecere i de impedana sursei.Toate ieirile analogice spre exterior trebuie, de asemenea, s fie filtrate de un filtru trece-jos format dintr-un circuit de tip L-C. Alegerea impedanei unui astfel de filtru trebuie s se fac n funcie de curentul furnizat i de impedana circuitului comandat.

2.3.2. Filtru trece-sus

Acest tip de filtru poate fi eficient pentru cablurile coaxiale de nalt frecven.Astfel, n cazul transmiterii unui semnal unic de nalt frecven (cea mai mic frecven fiind superioar la 10 kHz), filtrul trece-sus conserv informaia util i elimin perturbaiile de joas frecven pe care cablul nu este capabil s le taie. Un astfel de filtru n serie cu un cablu coaxial este mai ieftin dect un sistem de separare galvanic.n figura 4.12 se prezint modul de legare a unui filtru trece-sus la captul unui cablu coaxial.

Figura 2. 10 Modul de legare n serie la un cablu coaxial a unui filtru trece-susTrebuie evitat transmiterea de semnale de joas frecven prin cabluri coaxiale. Pentru transmiterea semnalelor de joas frecven este de preferat utilizarea conductoarelor bifilare sau a cablurilor trifilare.

2.3.2.1. Filtru trece-band

Acest tip de filtru este utilizat, n principal, n recepia radioelectric sau la transmisiunile cu cureni purttori.Un filtru trece-band de recepie se va amplasa direct la intrare, adic n amonte de circuitul activ. Un filtru trece-band de emisie radio va fi amplasat, ntotdeauna, la ieire, n aval de circuitele de putere. Toate filtrele trece-band trebuie s aib, n plus, o band de trecere ct mai slab, suficient doar pentru a transmite numai semnalul util.Se definete factorul de form al unui filtru trece-band raportnd banda sa de trecere la 60 dB fa de bandade la 3 dB.Cu ct un filtru este mai selectiv, cu att factorul de form este mai slab, adic se afl n vecintatea lui 1.

Figura 2. 11 Modul de definire a factorului de form al unui filtru trece-band.

2.3.2.2. Filtru taie-band

Un filtru taie-band servete la eliminarea unei frecvene parazite. Singurele tipuri de filtre taie-band utilizate n mod curent n CEM sunt filtrele de foarte joas frecven n mod diferenial (mod normal) i numite filtrele de armonice.Sunt compuse, n sistemul trifazat, din trei circuite L-C serie instalate direct ntre faze. Ele scurtcircuiteaz, n general, armonicele de rang 5 i de rang 7. Aceste filtre sunt utilizate cu succes n domeniul curenilor tari.

2.3.3. Filtre de armonice n electroenergetic

Regimurile deformante (nesinusoidale) ale sistemelor electroenergetice produc o serie de efecte nedorite care afecteaz buna funcionare a echipamentelor energetice. n principal, aceste efecte sunt: creterea pierderilor de putere n materialele conductoare dielectrice i magnetice din componena echipamentelor electrice; apariia supratensiunilor i supracurenilor de rezonan armonic n reelele electrice; creterea solicitrilor de durat a bateriilor de condensatoare; creterea pierderilor tehnologice n reelele electrice de transport i de distribuie; apariia de pierderi suplimentare, de cupluri parazite i micorarea randamentelor mainilor electrice asincrone i sincrone; accentuarea fenomenului de saturaie i apariia unor pierderi suplimentare n transformatoare; perturbaii n funcionarea convertoarelor, punilor redresoare i a tehnicii de calcul; producerea unor declanri intempestive ale circuitelor de protecie; micorarea sensibilitii i degradarea clasei de precizie a contoarelor de inducie i a altor instrumente de msur.

2.3.3.1. Msuri pentru limitarea regimului deformant

Aceste msuri urmresc: reducerea curenilor armonici produi de anumii consumatori neliniari; modificarea rspunsului n frecven a sistemului n nodurile n care sunt racordai consumatorii neliniari, prin realizarea unor scheme electrice de alimentare speciale; limitarea circulaiei curenilor armonici prin utilizarea unor instalaii specializate n reducerea sau chiar eliminarea acestor cureni. Dintre aceste instalaii cele mai eficiente sunt filtrele de armonice.Filtrele de armonice sunt filtre de tip taie-band, formate din baterii de condensatoare montate n serie cu o bobin i aduse la rezonan pe frecvena anumitor armonice care urmeaz a fi diminuate sau chiar eliminate.Un filtru acordat pe frecvena unei armonice constituie un scurtcircuit trifazat pentru curentul armonic respectiv, n punctul n care este montat filtrul. Deoarece filtrul realizeaz n punctul n care este montat, un potenial nul, el anuleaz i armonica de tensiune generat de curentul armonic respectiv.Filtrele de armonice se monteaz n paralel cu consumatorul deformant, ca n figura 4.14.

a) b)Figura 2. 12. Montarea unui filtru de armonice pentru limitarea curentului deformant:

a). montarea n paralel a filtrului de armonice cu consumatorul deformant;b). schema electric echivalent.La rezonan, pentru armonica de rang k, filtrul trebuie s satisfac relaia:

(2. 20)unde: L inductivitatea bobinei, determinat pentru frecvena fundamentalei; C capacitatea condensatorului (bateriei de condensatoare). = 2f1 - pulsaia undei de curent la frecvena, f1, a fundamentalei.n practic, intereseaz cum se comport un filtru acordat pe frecvena armonicei de rang k fa de o alt armonic, de rang m, adic pentru o und de curent armonic de frecven mai mic sau mai mare dect frecvena armonicei de rang k.Fa de armonica de rang m, un filtru rezonant pe armonica de rang k va avea:

(2. 21)Adic:

(2. 22)unde: A un numr diferit de zero.Exprimnd capacitatea filtrului n funcie de inductivitatea sa i introducnd-o n relaia de mai sus, avem:

(2. 23)i, dup nlocuire:

(2. 24)Analiznd aceast expresie se constat urmtoarele:Pentru m < k, rezult A < 0 , adic pentru armonice de rang mai mic, care au frecvene mai reduse dect frecvena pe care a fost acordat filtrul, acesta se comport ca un condensator (are caracter capacitiv);Pentru m > k, rezult A > 0, adic pentru armonica de rang mai mare, care au frecvene mai mari dect frecvena pe care a fost acordat filtrul, el se comport ca o bobin (are caracter inductiv).Rezult c orice filtru rezonant pe o anumit frecven va amplifica armonicele de frecven mai mici i va absorbi, parial, armonicele de frecvene mai mari dect frecvena pe care a fost acordat.Cum fundamentala are rangul 1, adic are frecvena cea mai mic, orice filtru se va comporta ca un condensator fa de fundamental, adic va produce putere reactiv inductiv contribuind la compensarea necesarului de putere reactiv a consumatorului deformant.Filtrul va descrca reeaua de alimentare de o parte din puterea reactiv cu care ar fi trebuit s se ncarce reducnd, astfel, pierderile de putere i de tensiune pe reeaua de alimentare i mrind tensiunea la bornele consumatorului.Totodat, filtrul va crete i valoarea factorului de putere al consumatorului. Altfel spus, orice filtru va juca, fa de fundamental, rolul unei baterii de condensatoare pentru compensarea necesarului de putere reactiv a consumatorului. De aceea, cnd se monteaz un filtru de armonice ntr-un nod de consum din sistemul electroenergetic, trebuie s se fac o corelare a capacitii sale de a debita putere reactiv cu celelalte msuri adoptate n acel nod pentru mbuntirea factorului de putere.

2.3.3.2. Filtre de intrare

Pentru reducerea coninutului de armonici, n cazul unui CS dat, exist dou modaliti:1. nserierea unor inductiviti pe intrarea convertotului, numite inductiviti (reactane) de linie sau de reea;2. utilizarea filtrelor de armonici.

2.3.3.2.1. Reducerea armonicilor de curent prin introducerea reactanelor de linie

n general, reactanele pentru reducerea distorsiunii armonice a curentului sunt nseriate pe partea de curent alternativ a acionrilor cu vitez variabil, n vecintatea reelei de alimentare,aa cum este artat n figura 3a. Exist ns i posibilitatea nserierii reactanelor cu sarcina (Figura 2. 13 Sistem de acionare electric cu reactane).

Figura 2. 13 Sistem de acionare electric cu reactaneConfiguraii tipice ale unui pentru reducerea distorsiunii armonice a curentuluiSimpla adugare a unor inductiviti, n serie pe partea de curent alternativ, poate reduce semnificativ distorsiunea curentului.Aceste bobine permit trecerea componentei fundamentale i prezint o reactan important fa de armonicile superioare, producnd atenuarea acestora. O msur a inductivitii introduse este mrimea adimensional numit impedan efectiv (notat cu le sau xe) i definit prin relaia:

(2. 25)Mrimile care definesc impedana efectiv sunt: 1 - pulsaia corespunztoare frecvenei fundamentale; L inductivitatea introdus pe faz;I1 valoarea efectiv a fundamentalei curentului;Uf - valoarea efectiv a tensiunii de faz, presupus nedeformat.Este clar c, prin valoarea efectiv a fundamentalei curentului, impedana efectiv ine seama de reactana total a liniei i nu numai de inductivitatea de linie.Valorile uzuale ale impedanei echivalente sunt de 3% - 5%.Se menioneaz, de asemenea, c factorul total de distorsiune a curentului corespunztor redresoarelor necomandate din componena convertoarelor statice de tensiune i frecven (CSTF) este dependent att de inductana efectiv, ct i de ponderea sa n totalul sarcinii n PCC, crescnd odat cu aceasta (tab. 2). Se consider c restul sarcinii, pn la 100%, este constituit din curent nedeformat.

Tabel 1Ponderea sarciniin PCC [%]102030405060708090100

THDile= 3%[%] le=3%4.491318222731354044

[%] le=5%3.571114182125283235

Tabel 1 Valorile de referin ale THDi n funcie de ponderea curentului deformat n PCC pentru dou valori ale impedanei efective.

Spectrele de armonici i valorile factorului de distorsiune armonic obinute pentru cteva valori ale reactanei echivalente montate la intrarea unui redresor trifazat n punte necomandat i o pondere a sarcinii n PCC de 100% sunt reprezentate n Tabel 1i Figura 2. 13 Sistem de acionare electric cu reactane.

Tabel 2 Efectul reactanei de linie asupra armonicilor

Armonica de curent i factorul de distorsiune armonicImpedana echivalent

0.5%3%5%

I50.8 I10.4 I10.32 I1

I70.6 I10.16 I10.12 I1

I110.18 I10.073 I10.058 I1

I130.1 I10.049 I10.039 I1

I170.073 I10.03 I10.022 I1

I190.06 I10.022 I10.008 I1

THDI1.0250.4410.35

Figura 2. 14 Spectrul de armonici al curentului pentru trei valori ale reactanei echivalentembuntirea formei de und a curentului prin inserarea unei reactane de reea este ilustrat de figura 5.

Figura 2. 15 Forma de und a curentului absorbit Forma de und a curentului absorbit din reea de un redresor trifazat n punte necomandat pentru dou valori ale reactanei echivalentePentru un redresor necomandat din componena convertorului static indirect de tensiune i frecven, prezena condensatorului din circuitul intermediar determin unele particularitati. Astfel, la curent de sarcin constant, THDi nu variaz monoton n funcie de valoarea inductanei de reea (fig. 5) i are dou puncte de extrem local, unul de maxim i unul de minim.

Figura 2. 16 Variaia THDiVariaia THDi n funcie de valoarea inductanei de reea pentru un CSTF indirectPentru valori ale inductanei de reea mai mari de 3.5mH, THDi tinde asimptotic ctre valoarea corespunztoare undei dreptunghiulare, respectiv 31.08%. Influena deosebit a valorii inductanei de reea este ilustrat i de formele de und ale curentului la intrarea redresorului (Figura 2. 17 Formele de und ale curentului de faz).

Figura 2. 17 Formele de und ale curentului de fazFormele de und ale curentului de faz, pentru valori extreme ale inductivitii de reea: a) valoare mic; b) valoare mare

Este interesant, i are implicaii practice deosebite, faptul c apropierea de valoarea minim absolut a THDi 31.08%, se produce la valori ale inductivitii de reea mai mari sau egale cu 4mH, iar valoarea corespunztoare punctului de minim (circa 35%) se obine cu o inductivitate de patru ori mai mic (Figura 2. 16 Variaia THDi).

Figura 2. 18Forma de und a curentului de faz n punctul de minim local al lui THDi(a) i n punctul de maxim local al lui THDi (b)

Avantajele utilizrii reactanelor de reea sunt legate n special de preul redus i mbuntirea gradului de protecie a convertoarelor statice din structura sistemului.ns, reducerea distorsiunii armonice este moderat, uneori insuficient i trebuie s se in seama de cderea de tensiune i nclzirea provocate, mai ales la valori mari ale reactanei.

2.3.4. Tipuri de filtre de armonice

Filtrele de armonice sunt de trei tipuri:1. filtre pasive;2. filtre active;3. filtre mixte (hibride)

2.3.4.1. Filtre pasive

Aceste filtre sunt compuse din elemente pasive de circuit (condensatoare i bobine) care prezint un factor de atenuare mic pentru anumite intervale de frecvene numite benzi de trecere i un factor de atenuare foarte mare pentru celelalte intervale de frecvene, numite benzi de tiere. Filtrele pot fi realizate din una sau mai multe seciuni de filtrare, legate n serie.Dup principiul de funcionare, aceste filtre pot fi grupate n dou categorii:a. filtre refuante;b. filtre absorbante

Filtrele refulante se utilizeaz pentru protejarea anumitor consumatori de la medie tensiune sau de la joas tensiune, care au, deja, instalat o baterie de condensatoare pentru compensarea necesarului de putere reactiv i mbuntirea factorului de putere.Un filtru refulant se obine, n general, legnd n serie cu bateria de condensatoare utilizat pentru compensarea necesarului de putere reactiv, o bobin fr miez de fier (n aer), de reactanXb, astfel aleas nct reactana total a circuitului serie realizat,X = Xb - Xc , s aib caracter capacitiv pentru frecvena fundamental, iar pentru frecvenele mai mari dect cea fundamental, reactana total, X, s aib caracter inductiv. n (Figura 2. 19 Modul de realizare a unui filtru refulant) se prezint modul de realizare a unui filtru refulant.

Figura 2. 19 Modul de realizare a unui filtru refulantConsumatorul , Zk,prevzut cu baterie de condensatoare pentru compensarea necesarului de putere reactiv;Realizarea filtrului refulant prin montarea, n serie cu bateria de condensatoare, aunei bobine.Filtrele absorbante sunt construite din condensatoare legate n serie cu bobine, elementele filtrului calculndu-se astfel nct s se realizeze o rezonan serie pentru una sau mai multe armonice de rang superior. Pentru armonicele respective, aceste filtre au o impedan foarte mic, astfel nct scurtcircuiteaz curenii armonici corespunztori. reelele electrice. n Figura 2. 21 Filtre absorbante se prezint un filtru absorbant pentru armonicele de rang 5 i 7.

Figura 2. 20 Filtre absorbante pentru eliminarea simultan a dou sau trei armoniceFigura 2. 21 Filtre absorbanteSEEmontate n paralel cu consumatorul deformant i cu bateria de condensatoare pentru compensarea necesarului de putere reactiv. Filtrele sunt acordate pe Xcompensare armonicele de rang 5 i, respectiv de rang 7.Filtrele absorbante se monteaz, de obicei, independent de bateria de condensatoare pentru compensarea necesarului de putere reactiv.Dimensionarea filtrelor absorbante sa face, uzual, ncepnd de la armonica de rangul cel mai mic (n mod obinuit, armonica de rang 5).Pentru filtrarea simultan a dou sau trei armonice se construiesc filtre absorbante de ordin II i de ordin III, ca n Figura 2. 20 Filtre absorbante pentru eliminarea simultan a dou sau trei armonicefiltru de ordin II; b) filtru de ordin III.Diminuarea regimului deformant i compensarea necesarului de putere reactiv sunt strns dependente pentru un consumator dat. De aceea, dimensionarea filtrelor trebuie fcut pornindu-se de la stabilirea necesarului de putere reactiv pentru compensare, Qk, care trebuie instalat n bateria de condensatoare de compensare. Aceast putere reactiv poate fi mprit n dou: o parte s fie instalat n filtre i cealalt parte n bateria de condensatoare, dar exist i posibilitatea ca ntreaga putere s se instaleze numai n filtre.

2.3.4.2. Filtre active

Filtrele active funcioneaz diferit de filtrele pasive, filtrarea armonicelor realizndu-se n timp, nu n frecven. Aceste filtre se cunosc sub denumirea APLC (Active Power Line Conditioners) sau AHC (Active Harmonic Conditioners). Principiul lor de funcionare const n injectarea n sistemul electroenergetic a unor unde armonice de curent de valoare egal, dar de semn contrar celor existente.Din punct de vedere constructiv, filtrele active au n componena lor un condensator i o bobin (elemente de nmagazinare a energiei electromagnetice), un convertor static de frecven i un filtru de adaptare la regimul de funcionare.Filtrele active se amplaseaz n serie sau n paralel cu sursa de perturbaii armonice fie lng consumatorii deformani, fie la furnizorul de energie electric. Eficiena filtrrii se mrete dac se utilizeaz simultan filtre n serie i n paralel.Soluiile prezentate pn aici sunt destinate numai pentru anumite armonici: transformatorul de izolare numai pentru armonicile de rang multiplu de trei i filtrele pasive numai pentru frecvena armonic pentru care au fost proiectate. n unele instalaii spectrul curentului armonic este greu de precizat. Pentru multe instalaii alimentnd sisteme informatice, echipamentele pot fi diferit configurate i pot fi mutate astfel nct coninutul armonic se va modifica continuu. O soluie convenabil este un filtru activ sau un condiioner activ.Dup cum se arat n Figura 2. 22 Filtru de armonici activ, filtrul activ este un echipament de tip unt.

Figura 2. 22 Filtru de armonici activUn transformator de curent msoar coninutul armonic al curentului de sarcin i comand o surs de curent s genereze o copie exact a curentului care va fi injectat n perioada urmtoare. Curentul armonic este generat de filtrul activ i numai curentul fundamental este absorbit din reeaua de alimentare. n practic, amplitudinile curenilor armonici sunt reduse cu 90 % i, deoarece impedana sursei de alimentare la frecvenele armonice este redus, distorsiunea tensiunii este redus.

Concluzii

Sunt necesare eforturi i costuri relativ reduse pentru a limita armonicile dominante mpreun cu compensarea puterii reactive, deoarece aceasta este necesar n orice caz i cele mai multe instalaii de compensare sunt prevzute cu bobine pentru dezacordare. n cele mai multe cazuri, reglarea unui asemenea circuit la o frecven de rezonan care ar putea corespunde unei armonici din reea este evitat deliberat. Cea mai mare eficien se obine dac se dimensioneaz la rezonan - curentul armonic este redus cel mai mult i riscul suprancrcrii instalaiei de compensare nu este att de mare pe ct este n general considerat.Bineneles, este necesar s se ia o oarecare rezerv la instalarea echipamentului. Aceasta nu ridic probleme, deoarece rezult un efect de curire mai bun i o reducere a pierderilor, cu un cost suplimentar foarte redus.Filtrele active sunt mult mai scumpe i intesc deseori n afara scopului sau determin, dei prezint o eficien mai ridicat a unui echipament, rezultate slabe n general. Aceasta este determinat de faptul c datorit structurii de cost, sunt utilizate mai mult centralizat dect descentralizat.Curenii armonici determin mai multe probleme n reeaua electric dect puterea reactiv, nct este de prevzut c ntreprinderile de electricitate vor lua n considerare pierderile datorit armonicelor la fel ca cele datorate puterii reactive fundamentale - nu are sens s se ia n considerare numai puterea reactiv pe fundamental i nu i armonicile.n nici un caz, instalarea echipamentelor de filtrare, cu excepia filtrelor instalate odat cu sarcina sau chiar n interiorul acestuia, nu poate fi utilizat ca argument convingtor pentru a reduce seciunea conductorului neutru sau s nu se ia n consideraie armonicile la dimensionarea cablurilor sau a altor echipamente.Meninerea impedanei sistemului la valoare redus este mai important atunci cnd exist filtru dect n cazul n care acesta lipsete. n caz contrar, efectul filtrului ar putea fi duntor.

2.3.4.3.Filtre mixte sau hibride

Aceste filtre se realizeaz prin asocierea filtrelor active cu filtre pasive, n special de tip absorbant. Prin adoptarea unei astfel de soluii tehnice se reuete eliminarea din reeaua electric a armonicelor care au efecte importante, i anume; armonicele de rang 3, 5 i 7 i de asemenea se produce o puternic atenuare a celorlalte armonice.i din punct de vedere economic, filtrele mixte sunt mai ieftine dect filtrele active care, n prezent, au preuri foarte mari.

2.3.5. Limitatoare de supratensiuni

Aceste dispozitive, cunoscute i sub numele de descrctoare de supratensiuniau rolul de a proteja echipamentele electrice i electronice agresate prin conducie de ctre supratensiuni de mare energie (adic de relativ lung durat i mare amplitudine).Limitatoarele de supratensiuni sunt protecii de tip paralel, adic sunt montate n paralel cu echipamentul pe care l protejeaz. Ele trebuie s aib o constituie robust pentru a permite s fie parcurse de cureni electrici de valori foarte mari n intervale de timp relativ mari, uneori de ordinul milisecundelor.Principalele caracteristici ale acestor dispozitive sunt, n general, urmtoarele: tensiunea de amorsare, tensiunea rezidual dup o perturbaie, timpul de rspuns, curentul de scurgere (de fug) la tensiune nominal, capacitatea parazit proprie, robusteea la perturbaiile energetice i, nu n ultimul rnd, preul de cost.Din punct de vedere electric, limitatoarele de supratensiuni reprezint rezistoare puternic neliniare, care n domeniul tensiunilor de lucru au valori foarte mari, astfel nct pot fi considerate, practic, c nu exist n schemele electrice, iar n timpul manifestrii supratensiunilor rezistena lor scade rapid pn la valori foarte mici. Limitatoarele de supratensiuni formeaz mpreun cu impedana sursei de perturbaii un divizor de tensiune cu raport de divizor neliniar care reduce supratensiunile la valori sub rigiditatea dielectric a izolaiei echipamentului care trebuie protejat. n Figura 2. 23 Limitarea supratensiunilor cu ajutorul unui divizor de tensiune se prezint modul de lucru al unui limitator de supratensiuni.

Figura 2. 23 Limitarea supratensiunilor cu ajutorul unui divizor de tensiuneLimitarea supratensiunilor cu ajutorul unui divizor de tensiune, care are latura de joas tensiune, neliniar.Tensiunea pe rezistorul neliniar, RV , este:

(2. 26)Exist trei tipuri importante de limitatoare de supratensiuni:

diode n avalan; varistoare; eclatoare.

Acestea diferntre ele att ca structur constructiv, ct i ca parametrii (caracteristici). Aceste tipuri vor fi analizate n continuare.

2.3.5.1. Diode n avalan

Acestea sunt diode cu siliciu n avalan de tip Zener cu jonciuni pn de suprafa mare pentru curenii de blocare foarte mari. Ele prezint un timp de amorsare foarte mic de sub 1 ns, dar care, n practic, crete la valori de ordinul nano secundelor din cauza inductivitilor conexiunilor. Au capaciti de valori mari (pn la 15000 pF), fapt ce exclude posibilitatea utilizrii lor la sistemele de nalt frecven.Diodele n avalan sunt n mod obinuit, elemente unipolare, dar prin conectarea cte dou n serie opoziia se obine o caracteristic simetric. n figura 4.19 se prezint modul de montare i comportarea unei diode n avalan la o supratensiune rapid, respectiv la o supratensiune lent.Diodele n avalan sunt uor de montat pe circuitele imprimate din electronic. Ele protejeaz liniile de semnal sau sunt utilizate ca protecii secundare n aval de eclatoare.Pentru protecia semnalelor rapide, capacitatea lor mare impune adugare n schem a unei diode de redresare de mic capacitate polarizat invers.

Figura 2. 24 Comportarea unei diode n avalan la impulsuri de supratensiuni.

2.3.5.2. Varistoare

Varistoarele sunt rezistoare neliniare puternic dependente de tensiune, realizate din oxizi metalici (n principal din ZnO) i sunt cunoscute sub indicativele VDR (Voltage Dependent Resistors) sau MOV (metal Oxid Varistors). Ele au o caracteristic curent-tensiune care se poate aproxima, n domeniul de funcionare, prin relaia:

(2. 27)unde K este un factor care ine seama de geometria pastilei ceramice care formeaz varistorul (diametrul discului i grosimea sa), iar > 25 este un exponent dependent de materialul din care este constituit varistorul.Variaia n funcie de tensiune a rezistenei varistorului se determin din relaia:

(2. 28)

Schema electric echivalent a unui varistor ia n considerare att inductivitile parazite ale conexiunilor, ct i capacitatea parazit a discurilor, ca n Figura 2. 25 Schema electric echivalent simplificat a unui varistor

Figura 2. 25 Schema electric echivalent simplificat a unui varistor cu considerarea inductivitii parazite, Lp , a terminalelor i capacitii parazite, Cp a discurilor

Figura 2. 25 Schema electric echivalent simplificat a unui varistorCapacitatea parazit, Cp , la , r = 1200 este cuprins ntre 100 pF i cteva zeci de mii de pF. Datorit capacitii proprii de valoare mare varistoarele nu pot fi utilizate la sistemele de nalt frecven. Pentru protecia la supratensiuni, ns, capacitatea mare a varistoarelor reprezint un avantaj.

Figura 2. 26 Varistor limitare impulsurile de supratensiuni rapide, respectiv lente.n Figura 2. 26 Varistor limitare impulsurile de supratensiuni rapide, respectiv lente.se prezint modul n care un varistor limiteaz impulsurile de supratensiuni rapide, respectiv lente.Principalul dezavantaj al utilizrii varistoarelor este acela c ele mbtrnesc n funcie de numrul i de energia impulsurilor de supratensiuni pe care le limiteaz. Spre exemplu: un varistor poate rezista la 1 impuls de 100 J sau la 100 de impulsuri de 30 J, dup care se distruge prin explozie.Cnd un varistor mbtrnete se comport tot mai mult ca o rezisten liniar sfrind prin a lua foc datorit curentului mare care l parcurge.Majoritatea varistoarelor sunt realizate din ZnO, dar exist i varistoare din carbur de siliciu (SiC) utilizate la protecia de medie i nalt tensiune. Carbura de siliciu prezint avantajul unei clduri masice mai ridicate, dar nu are o comportare att de ferm ca ZnO la tierea supratensiunilor.

2.3.5.3. Eclatoare

Eclatoarele au un domeniu foarte larg de utilizare. Ele protejeaz att echipamentele i instalaiile sistemului electroenergetic mpotriva loviturilor directe de trsnet, ct i reelele de cureni slabi (la tensiuni de amorsare de peste 80 V).Eclatoarele sunt considerate descrctoare hard, deoarece comportarea lor n funcie de tensiune este asemntoare cu cea a unui comutator.Tensiunea de amorsare a eclatorului depete cu mult tensiunea de amorsare static.Observaie: prin tensiune de amorsare static se nelege tensiunea msurat la o vitez de cretere a tensiune de 100 V/s. Dup un timp de la apariia supratensiunii, eclatorul amorseaz i rezistena sa se reduce cu aproximativ zece ordine de mrime, iar tensiunea scade la U = (70 130) V, corespunztoare tensiunii de meninere a descrcrii luminescente. Dac, ns, sursa de perturbaii are o impedan intern suficient de mic, tensiunea scade n