ЭМС и безопасность установок: Часть 1

Aug 17, 2023

Примечание редактора. В этой статье слова «заземление», «заземленный» или «заземление» используются как взаимозаменяемые слова «земля», «заземленный» или «заземление».

Поскольку количество и разнообразие электронного оборудования, используемого в системах и установках, продолжает расти, ЭМС становится все более важной проблемой. Почти вся моя работа над системами и установками с 1990 года была связана с элементами оборудования, мешающими правильной работе других элементов на том же объекте.

В 1990 году электроприводы с регулируемой скоростью, использующие биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и силовые полевые транзисторы (PowerFET) для высокоскоростного переключения мощности, были совершенно новыми, как и частные системы мобильной радиосвязи, и обе они вызывали множество проблем с устаревшей электроникой. оборудование. С тех пор стандарты и правила ЭМС в большинстве стран значительно улучшили уровень выбросов и устойчивость оборудования, но в то же время электроприводы с регулируемой скоростью постоянно совершенствовались – за счет более быстрого переключения. Более быстрое переключение делает их более эффективными, меньшими по размеру и менее дорогостоящими, в результате чего они используются гораздо шире. К сожалению, более быстрое переключение приводит к увеличению уровня шума на более высоких частотах, что увеличивает вероятность создания помех другому оборудованию (см. Рисунок 1).

Соответствующие системы и установки не только наземные, поскольку все новые морские и подводные суда теперь используют исключительно технологии электропривода. У них все еще есть огромные судовые дизельные двигатели, но они приводят в действие огромные генераторы электроэнергии, а не напрямую связаны с гребными винтами. Электромобили уже доказали свою эффективность и, конечно же, развивающаяся отрасль, а полностью электрические самолеты находятся на стадии разработки.

Прямо сейчас происходит еще один большой технологический прорыв в импульсных преобразователях мощности: замена IGBT и PowerFET транзисторами с высокой подвижностью электронов (HEMT), обычно на основе нитрида галлия, GaN, и PowerFET из карбида кремния (SiC), которые могут переключаться эффективнее в десять раз. (или более) более высокие ставки, что еще больше уменьшает размер и стоимость.

Все это хорошие новости для повышения энергоэффективности, экономии на счетах за электроэнергию, а также для спасения планеты за счет сокращения выбросов CO2. Но это влечет за собой большие потери по ЭМС в виде более высоких уровней шума на более высоких частотах, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1: Наглядный пример спектров шума, создаваемых электроприводами с регулируемой скоростью и аналогичным оборудованием импульсного преобразователя мощности с номинальной мощностью около 100 кВт, имеющим различные технологии устройств переключения мощности.

Многие импульсные преобразователи большей мощности, такие как электроприводы с регулируемой скоростью, поставляются с инструкциями по установке, касающимися ЭМС, которые обычно довольно хороши. Однако мой опыт (и опыт других специалистов в области ЭМС) показывает, что продавцы конкурируют по цене, игнорируя требования ЭМС к установке новых систем электропривода, чтобы помочь заключить контракты с клиентами, которые не осознают рисков ЭМИ.

Никто не хочет инвестировать в строительство нового промышленного предприятия, научно-исследовательского центра, морской нефтегазовой платформы, железнодорожной системы, развлекательного комплекса, центра обработки данных, военного судна, круизного лайнера или чего-то еще только для того, чтобы обнаружить, что оно не может функционировать должным образом. из-за самогенерируемых электромагнитных помех! Финансовые потери могут быть весьма огромными, но даже они могут быть превзойдены затратами на модификацию установки, платформы, судна и т. д., чтобы заставить их функционировать по назначению.

Как и в случае со всеми другими проблемами ЭМС/ЭМП, гораздо более рентабельно и финансово менее рискованно спроектировать хорошую ЭМС с самого начала любого современного строительного проекта.

В 2000 году мы с Тимом Уильямсом написали книгу «ЭМС для систем и установок» [1]. Он описывает здания и объекты, но его материал легко расширить, чтобы охватить транспортные средства всех/любых типов: наземные, морские, подводные, воздушные (с неподвижным крылом или винтокрылыми летательными аппаратами), космические и т. д.

Помимо многих других вопросов, в этой книге рассматриваются проектирование и строительство различных видов (так называемых) систем/сетей «заземления/заземления», используемых в крупных системах и установках, в том числе: