2009-2010 SEM - CURS 10 1

COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA IN SISTEME

ELECTROMECANICE

�NOTIUNI INTRODUCTIVE

�ELEMENTELE UNEI PROBLEME CEM

�CONCEPTE DE BAZA IN CEM

�PERTURBATII ELECTROMAGNETICE IN SEM

2009-2010 SEM - CURS 10 2

NOTIUNI INTRODUCTIVE

•Interferentaelectromagnetica

actiunea unor fenomene electromagneticeasupra circuitelor electrice, aparatelor, sistemelor si fiintelor vii (VDE 0870).

•Compatibilitateaelectromagnetica

Capacitatea unui dispozitiv electric de a funcţiona satisfăcător în mediul sau electromagnetic fără ca acest mediu, care aparţine şi altor dispozitive, să fie inadmisibil perturbat.(VDE 0870).

•Imunitateaelectromagnetica

este aptitudinea unui aparat, echipament sausistem de a functiona la parametrii proiectati in prezenta perturbatiilor electromagnetice.

2009-2010 SEM - CURS 10 3

SURSADE

PERTURBATII(EMITATOR)

CANALDE

TRANSMITERE

SISTEMPERTURBAT(RECEPTOR)

A asiguracompatibilitatea

electromagnetica

a reduce perturbatiile sursei la valori admisibile

a dota aparatele, echipamentele si sistemele cu un grad de imunitate rezonabil

asigurand la instalarea aparatelor, echipamentelor si sistemelor, masurile necesare

ELEMENTELE UNEI PROBLEME CEM

2009-2010 SEM - CURS 10 4

INTERFERENŢE INTRASISTEM, de origine

internă.

ELEMENTUL

PERTURBATOR

(EMIŢĂTORUL)

ELEMENTUL PERTURBAT

(RECEPTORUL)

•NIVELUL APARIŢIEI PERTURBAŢIEI ÎN :

CLASIFICAREA PERTURBATIILOR ELECTROMAGNETICE

INTERFERENŢE INTERSISTEM, de origine externă.

ELEMENTUL

PERTURBATOR

(EMIŢĂTORUL)

ELEMENTUL

PERTURBAT

(RECEPTORUL)

2009-2010 SEM - CURS 10 5

•INTENSITATEA INTERFERENTEI

•interferente care produc reduceri de funcţionalitate, încă admisibile;•interferente care conduc la o funcţionare eronată, inadmisibilă.

•INTERFERENTE IREVERSIBILE, precum distrugerile unor componente

electronice de pe cablajele imprimate datorită încărcării electrostatice, sau

ale distrugerilor provocate aparatelor sau circuitelor electrice datorate supratensiunilor determinate de trăznet.

•INTERFERENTE REVERSIBILE, precum pierderea temporara a

inteligibilităţii la convorbirile telefonice, pocniturile care apar la comutarea

aparatelor electrocasnice; în practică, acestea se împart în:

2009-2010 SEM - CURS 10 6

SURSE DE INTERFERENTA

�NATURALE

�TERESTRE •Fulgere

•Radiatii

•Descarcari in gaze in atmosfera

�EXTRATERESTRE •Radiatia solara,

•Zgomotul galactic

•Raze cosmice

�ARTIFICIALE

�INTENTIONATE •Sisteme de telecomunicatii, sol-sol, sol-satelit

•Sisteme de transmisiuni de date interconectate

terestre si prin satelit

•Sisteme de transmisiuni radio , TV, PTT

•Sisteme de operare in domeniul militar

�NEINTENTIONATE •Sistemele energetice de producere si transport

energie electrica

•Sistemele industriale electrotehnice

•Sistemele de tractiune electrica

•Aparatura electrocasnica

2009-2010 SEM - CURS 10 7

SISTEME PERTURBATE

�sisteme de telecomunicatii, sol-sol, sol-satelit;

�sisteme de transmisiuni de date interconectate terestre si prin satelit;

�sisteme de transmisiuni radio , TV, PTT;

�sisteme de operare in domeniul militar;

�echipamente de tehnica medicala;

�sisteme de semnalizare si control ale traficului feroviar, fluvial, maritim, aerian, etc.

2009-2010 SEM - CURS 10 8

CANALE DE TRANSMITERE

�prin conductie

in camp

apropiat

prin inductie

electromagnetica

prin radiatie

electromagnetica

�prin radiatie

in camp

indepartat

prin inductie

electrostatica

2009-2010 SEM - CURS 10 9

CANALE DE TRANSMITERE A PERTURBATIILOR ELECTROMAGNETICE.

LeRe

Sursa de

interferenta

electromagnetica

A

B

C

CM

Interferenta in camp apropiat

Interferenta in camp indepartat

Interferenta conductiva datorata

portiunilor comune de circuit

Transportul

energiei prin

spatiu are loc

sub forma

undelor

electromagnetice

2009-2010 SEM - CURS 10 10

�conductorul de pamantare e parcurs de curent numai in caz de defect

�punere la pamant pentru pentru protectia oamenilor, animalelor si

bunurilor

PAMANTARE (PE):

�conductorul de referinta conduce curentul de lucru si reprezinta, cel mai

adesea, conductorul comun de intoarcere la sursa.

�conductorul de referinta comun al circuitelor electrice

MASA(N)

CONCEPTE DE BAZA IN COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA

2009-2010 SEM - CURS 10 11

CIRCUITE DE CURENTI TARI

R

S

TN, pământare

RB

RA

R

S

T

N

pământare

N

Statie de transformare

Sistem de conducte metalice ingropate

Priza de pământ

de adancime

Consumator trifazat

Consumator monofazat

Bara de

potentializare

Carcasa

N,

pământare

2009-2010 SEM - CURS 10 12

U1

Masa comună

RV

Ri

U2

Ri

UB

Ra

Ri

U1

U2

Conductor

de masă

CIRCUITE DE CURENTI SLABI

2009-2010 SEM - CURS 10 13

0V

0V

PUNCT DE MASA CENTRAL CU LEGATURI RADIALE

PUNCT DE MASA CENTRAL CU BARA COLECTOARE

2009-2010 SEM - CURS 10 14

CIRCUITE DE SEMNAL

ELECTRONICA DE PUTERE, RELEE

BLOCURI ELECTRONICE,

CELULE

PUNCT DE MASA CU GRUPAREA UNITATILOR FUNCTIONALE SIMILARE

2009-2010 SEM - CURS 10 15

SUBSISTEM I SUBSISTEM II SUBSISTEM III

PUNCT DE MASA SI MASA DISTRIBUITA

2009-2010 SEM - CURS 10 16

apar intre conductoarele de ducere si de intoarcere

ale circuitelor, respectiv intre bornele de intrare ale

sistemelor perturbate

PERTURBATIILE DE MOD

NORMAL :

�Curentii perturbatori de mod normal au, pe traseul de ducere si de intoarcere, aceeasi

directie ca si curentii produsi de semnalul util.

�Perturbatiile de mod normal apar, in majoritatea cazurilor, prin cuplaj magnetic.

ZR

I1

I2

Conductoractiv 1

Conductoractiv 2

UsursăZS

IMN

IMN

SR

RMNP

ZZ

ZUU

+=

2009-2010 SEM - CURS 10 17

isi au originea in sursele de perturbatii care apar pe

fiecare din conductoarele de semnal fata de masa de

referinta

PERTURBATIILE DE MOD

COMUN :

ZR

I1

I2

Conductoractiv 1

Conductoractiv 2

UsursăZS

IMN

IMC2

Masă de referinţă

Z2masăZ1masă

IMC

U1masă

U2masă

2009-2010 SEM - CURS 10 18

PERTURBATII IN SEM

2009-2010 SEM - CURS 10 19

SISTEME DE ACTIONARE ELECTRICA

Alimentare

Convertor de putere

Masina electrica

Sarcina

Interferente de mod normal si de mod comun

Armonici

Interferente radiative

2009-2010 SEM - CURS 10 20

MASINI DE CURENT CONTINUU

Pozitie comutatorului si tensiune intre doua lamele adiacente

2009-2010 SEM - CURS 10 21

Generarea arcului

Peria deschide o bobina initial scurtcircuitata

Arcul electric la comutator Analiza spectrala a radiatiei perturbatoare

2009-2010 SEM - CURS 10 22

Main Circuit Breaker Switches Thermal relay

Coil Relay contact

Thermal element

Auxiliary switch

�Inchiderea sau deschiderea contactelor

�Cablurile de alimentare

�Pamantare

MASINI DE INDUCTIEMASINI DE C.A. ALIMENTATE DE LA RETEA

2009-2010 SEM - CURS 10 23

MASINI DE C.A. ALIMENTATE PRIN CONVERTOARE DE PUTERE

�Motoarele alimentate prin convertoare de putere sunt de obicei mai “zgomotoase” decatcele alimentate direct de la retea

�Functionarea masinilor asincrone alimentateprin invertoare de putere este intotdeaunainsotita de interferente de inalta frecventadeterminate in particular de curentii paraziti de mod normal si mod comun.

Produse de armonici de frecventa ridicata

Generate de comutatia semiconductoarelor

�Pot afecta functionarea sistemelor de telecomunicatii saucablurile de semnal paralele cu cablurile de alimentare precum sidispozitivele de curenti slabi.

2009-2010 SEM - CURS 10 24

Capacitati paraziteintre spire

Miezulstatoric

Arborele masinii

Inelexterior

Inelinterior

Bila de rulment

Carcasa masinii

Capacitati parazitedatorita lagarelor

MASINA ELECTRICA

2009-2010 SEM - CURS 10 25

�Modelul de inalta frecventa al masinii de inductie

Zfp/2

Zfn

Zfp/2

Faza Neutru

Pamantare

Zfn

Neutru

Zfp

Pamantare

�Evaluare experimentala

2009-2010 SEM - CURS 10 26

�Evaluare teoretica

MAgnetic core AirAir

h hdg+2da

Dh

Coil conductor (N turns)

dw

Dc

Ds

Topologia bobinei si o sectiune transversala a unei crestaturi

C2

RL2

RP1

RL1L1

RC1C1

Rg

Cg

RP2

L2

RC2

Rg

Cg

Circuit echivalent de inalta frecventa al uneibobine

RL1, RL2 - rezistenta echivalenta in c.a.

Rp1, Rp2 – echivalentul pierderilor in fier

C1, C2 – capacitatea bobina-bobina

Cg – capacitatea bobina-carcasa

Rc1, Rc2, Rg – modeleaza fenomenele disipativedatorate curentilor capacitivi de inalta frecventa sipierderilor in dielectrici

2009-2010 SEM - CURS 10 27

Circuit echivalent de inalta frecventa al unei masinide inductie trifazate

Amplitudinea impedantei faza-faza

Amplitudinea impedantei faza-pamant

2009-2010 SEM - CURS 10 28

RP

RL

Cs

Cp

f n

p

Cp

Circuitul echivalent simplificat

pentru o faza a masinii

( )

++

+

+++

=

++

+

=

12

6

1

12

3

2

2

2

P

dp

sdp

P

d

psd

fp

P

dp

sd

d

fn

R

Ls

CCLssC

R

LsCCLs

Z

R

Ls

CCLs

sLZ

0.2950.1862.1755

0.5300.0961.65033

0.4650.4532.21030

0.8850.7751.79015

2.951.621.10015

7.3212.971.0007.5

3.693.460.7397.5

5.108.860.7974

5.287.960.6534

17.4928.120.2501.1

RP

[kΩΩΩΩ]

L

[mH]

CP

[nF]

P

[kW]

2009-2010 SEM - CURS 10 29

�Schema echivalenta de inalta frecventa a unei celule de convertor de putere

heatsink

RC

LC

VG1

VG2

RG2

RG1

CCECEL

R

Supply

Load

Cg2

LS2

LD2

LSD

LS1

LD1

RCE

CCE

LWC

REL

LEL

RC

LC

VG1

VG2

RG2

RG1

LCE

CEL

R

Supply

Load

RW1 LW1

RW2LW2

Cg1

2009-2010 SEM - CURS 10 30

Cg2

LS2

LD2

LSD

LS1

LD1

RCE

CCE

LWC

REL

LEL

Heatsink

RC

LC

LCE

CEL

RLoad

RW1LW1

RW2 LW2

Cg1IMN

IMN

�Curent de mod normal

Frequency [Hz]

U [dBµV]

2009-2010 SEM - CURS 10 31

Cg2

LS2

LD2

LSD

LS1

LD1

RCE

CCE

LWC

REL

LEL

Radiato

r

RC

LC

LCE

CEL

R

Load

RW1 LW1

RW2 LW2

Cg1

IMC1

RWp

LWp

IMC2

�Curent de mod comun

U [dBµV]

Frequency [Hz]

2009-2010 SEM - CURS 10 32

Ground

AC/DC

converter

DC/AC

converterConnectors Electrical

machine

Differential-mode current

Common-mode current

�Curenti de mod comun

�Curenti de mod normal

�Armonici

�Interferente radiative

2009-2010 SEM - CURS 10 330∆∆∆∆Vca

-Vdc

V’’ca

-Vdc

V’ca

-

Vcd

∆∆∆∆Vbc

-Vdc

V’’bc

0V’bc

Vdc

∆∆∆∆Vab

0V’’ab

-Vdc

V’ab

0∆∆∆∆Vc

-Vdc

/2V’’c

-Vdc

/2V’c

Vdc

∆∆∆∆Vb

Vdc

/2V’’b

-Vdc

/2V’b

0∆∆∆∆Va

Vdc

/2V’’a

Vdc

/2V’a

Transition 1→→→→2State 2 (1,1,0)State 1 (1,0,0)

V1(1,0,0)

V6(1,0,1)

V7(1,1,1)

V5(0,0,1)

V4(0,1,1)

V3(0,1,0)

V0(0,0,0)

V2(1,1,0)

Voltage inverter

2009-2010 SEM - CURS 10 34

Connectors

Electrical

machine

windings

Grounding connector

Connectors

Electrical

machine

windings

Curenti de mod normal

Grounding connector

Curenti de mod comun

2009-2010 SEM - CURS 10 35

�Evaluarea experimentala a curentilor de mod normal si mod comun in sisteme de actionarecu masini de inductie

Caile curentilor de mod comun

2009-2010 SEM - CURS 10 36

�Mdul de aranjare a senzorilor de curent pe partea de curent continuu

�Modul de aranjare a senzorilor de curent pentru partea de curent alternativ

2009-2010 SEM - CURS 10 37

3IDM at AC side 3ICM at AC side

2ICM at DC side

2009-2010 SEM - CURS 10 38

CURENTI DE LAGAR SI POTENTIALUL DE ARBORE

�La functionarea sub 50hz, potentialul arborelui si curentii de lagar au 3 surse de baza:

�Inductie electromagnetica: datorata disimetriilor din circuitul rotoric sial campului in intrefier.

�Cuplaje electrostatice: posibile acumulari de sarcini datorate surselorinterne.

�Uplaje electrostatice externe: datorate diferitelor surse externe(frecarea intre curele, de exemplu)

Nesimetrii

Excentricitati rotorice

Flux homopolar

Flux axial diferit de zero Potential de arbore

2009-2010 SEM - CURS 10 39

�Masini alimentate prin convertoare

�Pe langa cele prezentate anterior exista si surse datorate formeitensiunii/curentului de alimentare

2009-2010 SEM - CURS 10 40

Potentialul de arbore

Curentide lagar

Curenti de descarcare

electrostatica

Datoratidisimetriilor sauexcentricitatilor

Datoraticomutatiei

2009-2010 SEM - CURS 10 41

Caile de curenti de inalta frecventa

2009-2010 SEM - CURS 10 42

Probleme legate de curentii de lagar

Cratere in calea de rostogolire a bilelor

Deteriorarea caii de rulare a bilelor

2009-2010 SEM - CURS 10 43

ARMONICI

2009-2010 SEM - CURS 10 44

2009-2010 SEM - CURS 10 45

A B C

N

π/18

π/3Faza 2 Faza 1 Faza 3Faza 3Faza 1Faza 2

x

Schema de conexiuni a uneimasini de inductie

Distributia solenatiei

Masini electrice

Armonici de spatiu ale solenatiei

16,sin2

sin6

),(

16,sin2

sin6

),(

3

1

3

1

−−−−====

++++

====ΘΘΘΘ

++++====

−−−−

====ΘΘΘΘ

∑∑∑∑

∑∑∑∑

====

====

kxtp

INxt

kxtp

INxt

pb p

cb

s

ass

pb p

cb

s

ass

ννννττττ

νπνπνπνπωωωω

ππππ

ττττ

ττττνννν

πνπνπνπν

ννννττττ

νπνπνπνπωωωω

ππππ

ττττ

ττττνννν

πνπνπνπν

νννν

νννν

2009-2010 SEM - CURS 10 46

Solenatia rotorica

(((( )))){{{{ }}}}∑∑∑∑ ∑∑∑∑====

∞∞∞∞

====

++++±±±±

====ΘΘΘΘ

rZ

k r

rpts

Z

It

1 1

max,sinsin

1),(

γγγγνννν

νννν

νννν ννννγγγγωωωωγαγαγαγαπγπγπγπγ

γγγγππππαααα m

Frecventele armonicelor induse in curentul statoric

fsp

Zf r

stator

±−= 11 )(γ

61339

55468

4171.56

34855

26984

14242

6371

Frequency

[Hz]

Harmonic

order

(γγγγ)

0 400 800 1200 1600 f[Hz]-250

-200

-150

-100

-50

0

[dB]

50Hz

637Hz

1424Hz

Spectrul curentului statoric

2009-2010 SEM - CURS 10 47

Convertoare

Y Y

Y Y

∆ Y

YY

∆

YY

∆

Y

∆∆

Redresoare necomandate

2009-2010 SEM - CURS 10 48

Redresoare comandate

2009-2010 SEM - CURS 10 49

Redresoare cu IGBT

2009-2010 SEM - CURS 10 50

Utilizarea unei bobine de netezire

2009-2010 SEM - CURS 10 51

0

20

40

60

80

100

120

140

1 2 3 4

THD5th harmonic7th harmonic11th harmonic

13th harmonic

17th harmonic

19th harmonic

1 –high impedance line inductor

2 şi 3– low impedance line inductor

4– without line inductor

2009-2010 SEM - CURS 10 52

Filtre pasive de atenuare a armonicilor

Pe un singur brat

Pe mai multe brate

2009-2010 SEM - CURS 10 53

Filtre active

2009-2010 SEM - CURS 10 54

Sisteme de tractiune electrica

Vehicule autonome Vehicule neautonome

Instalatii fixe Vehiculul insusiVehiculul insusi

�Substatii

�Fideri

�Calea de rulare

INTERFERENte

ConductiveRadiative Capacitive Inductive

2009-2010 SEM - CURS 10 55

2009-2010 SEM - CURS 10 56

Campuri electromagnetice asociate sistemelor de transport

Perturbatii ale echipamentelor din apropiere

Influente asupralucratorilor, vatmanilor, calatorilor

�Washington Metro subway: 10000...100000µT at floor level in the centre of the passengers areas, field due to RF suppression coils carrying currents up to 600 A.

�Local and long distance electrified trains in Finland: 0.3...290µT for passengers, 10...6000µT for workers, and magnetic field level over a frequency range of 10Hz to 2 kHz.

�25 Hz AC electrified system, USA: 0.3...1.8µT for workers,10µT for passengers

2009-2010 SEM - CURS 10 57

Valoarea media si maxima a campului magnetic (µT) masurate in 10 tipuri de sistemede transport

2009-2010 SEM - CURS 10 58

Cuplare capacitiva

�Cuplare statica, atunci cand componentele unui sistem de tractiune de inalta tensiuneproduc un camp electrostatic

CLE

,0

CLC

,0

Catenaryd

d3

d1

bc

bc

d2

Low voltage electric line

CLC

,LE

fc

LCLE

rb

cbd

cbd

UU2ln2

)(

)(ln

22

22

−+

++

=

CatenaryLow voltage electric line

b= 6.5m; c= 6m; rfc = 6mm; Ucatenar = 25 KVd = 10m

ULVEL = 1.56 KV

2009-2010 SEM - CURS 10 59

Cuplare inductiva

TEM longitudinala

El

ULC

IS

ILC

ILE = 0

lLS

LLE

LLC

RS

RLE

RLC

Equivalent circuit for EMI analysis in AC traction systems

Catenary

Low voltage electric line

Railway track

Earth

catenarylMkIE ω=

2009-2010 SEM - CURS 10 60

TEM transversala

P

r

ed

x

h

Iνννν, magnitude of the νth harmonic of the current

BP

Third rail

Railway tracks22

22

0dh

edhlfIE

+

++=Ψ=

)(lnννννν µω

2009-2010 SEM - CURS 10 61

Automotive

2009-2010 SEM - CURS 10 62