рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

ПОНЯТИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

ПОНЯТИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ - раздел Философия, ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ Под Электромагнитной Совместимостью (Эмс) Понимают [1] Способ­ность П...

Под электромагнитной совместимостью (ЭМС) понимают [1] способ­ность приборов, устройств, технических систем, биологических объектов нормально функционировать в условиях воздействия на них электрических, магнитных и электромагнитных полей, су­ществующих в окружающей обстановке и не создавать недопус­тимые помехи другим объектам. Под электромагнитной совместимостью также понимают [2] нормальное функционирование передатчиков и приемников электромагнитной энергии.

Понятия «передатчик» и «приемник» в электроэнергетике имеют более ши­рокий смысл, чем, например, в средствах связи. Причем, к передат­чикам электромагнитной энергии наряду с телевизионными и ра­диовещательными устройствами относятся также электрические цепи и системы, которые непреднамеренно излучают в окружаю­щую среду влияющую электромагнитную энергию (так называе­мые источники помех), например, линии электропередачи, энергетические и электротехнические устройства, атмос­ферные разряды и т. д. Приемниками электромагнитной энергии наряду с радио– и телевизионными приемниками являются систе­мы автоматизации, измери­тельные, управляющие приборы и регуляторы, устройства обра­ботки информации, автомобильная микроэлектроника, биологические организмы и т.д. Тем самым современное понятие ЭМС выходит далеко за рам­ки классической защиты от радиопомех, однако по-прежнему включает их, являясь понятием более широким.

Электромагнитная совместимость ни в коем случае не являет­ся сама собой разумеющейся, так как окружающая среда характе­ризуется растущим электромагнитным загрязнением, и ее охрана требует все больших усилий. Поэтому взаимным интересам всех пользователей электромагнитного спектра служат широкие зна­ния о воздействии электромагнитных полей и волн на электро­магнитные системы и биологические организмы.

Электрические устройства могут одновременно действовать как приемники, так и как передатчики. При этом можно упомянуть промежуточную частоту супергетеродинных приемни­ков, частоту строчной развертки телевизионных приемников и компьютерных мониторов; электронные устройства управления и измерения; силовые кабели и линии связи и т.д. Поэтому говорят также об электромагнитной совместимости отдельных приборов и устройств. С этих позиций электрическое или электронное устройство считается совместимым, если оно в качестве передатчика является источником помех не выше допустимых, а в качестве приемника обладает достаточной помехоустойчивостью к посторонним или внутренним электромагнитных помехам.

1.2. Электромагнитные влияния,
помехоустойчивость, помехоподавление

Проблема электромагнитной совместимости возникает, как правило, прежде всего у прием­ников, если нарушается безупречный прием полезного сигнала, то есть, при случайно поступившей в приемник электромагнитной энергии кратковременно нарушаются его функциональные свойства или становится невозможным нормальное функ­ционирование системы автоматизации и других устройств. Тогда говорят о наличии электромагнитного влияния, которое определяет воздействие электрических, магнитных и электромагнитных полей на электрические цепи, приборы, системы или живые суще­ства.

Электромагнитные влияния могут появляться в виде обрати­мых или необратимых нарушений. Примерами обратимых нару­шений являются эпизодический появляющийся шум при теле­фонных разговорах, треск при включениях и отключениях быто­вых электроприборов и др. На практике обратимые электромагнитные влияния разделяют по их силе: на вли­яния, которые вызывают допустимые нарушения функций; и на вли­яния, которые ведут к недопустимым побочным воздействиям либо к чрезмерной перегрузке. Примерами необратимых нарушений слу­жат разрушение электронных компонентов на платах разрядами статического электричества или пробой изоляции при грозовых перенапряжениях, непреднамеренное срабатывание электричес­ки управляемых компонентов в системах автоматики и телемеханики, компьютерных устройствах и линиях связи и т.д.

Чтобы наглядно выразить возмущающий эффект от электромагнитных влияний (помех), для передат­чиков и приемников помех приняты обобщаю­щие понятия – «источник помех» (передатчик) и «поглотитель помех» (приемник). В ряде случает «поглотители помех» характеризуются как «чувствительные элементы".

Между источниками и поглотителями помех существует определенный «механизм связи". Для независимых источников и поглотителей помех (независимые системы) , как показано на рис.1.1, характерными являются внешние электромагнитные влияния, а модель внешнего электромагнитного влияния, в общем виде, определяется механизмом связи, представленного для удаленных независимых источников и поглотителей помех, как правило, в виде волнового сопротивления электромагнитного излучения.

 

 
 

 

 


Р и с. 1.1. Модель электромагнитного влияния между
независимыми «источником помех» и «поглотите­лем помех"

 

Если передатчик и при­емник являются частями одной и той же системы, как показано на рис.1.2, то они могут быть связаны межсистемными (рис.1.2,а) или внутрисистемными (рис.1.2,б) электромагнитными влияниями, которые называют также внутренними влияниями.

 
 

Блок I системы Блок II системы Система

а б

Р и с.1.2. Модели внутренних электромагнитных влияний:

а – межсистемное влияние; б – внутрисистемное влияние

 

Типичными примерами внутренних электромагнитных влияний являются пара­зитные обратные связи в многокаскадных усилителях; изменения сигналов в соседних проводниках электронных узлов; изменения тока в проводах системы электроснабжения и вызванные ими индуктив­ные падения напряжения; напряжения, индуктируемые при от­ключении катушек реле и контакторов; паразитные явле­ния в комплексных системах с несколькими передатчиками и приемниками.

При этом, в каналах передачи помех при внутренних влияниях механизмы связи проявляются, как правило, в виде: гальванической связи, если, например, два контура с током имеют общее электрическое сопротивление; емкостной связи, если два контура имеют проводники, находящиеся под разными потенциалами; магнитной связи, если переменное магнитное поле проводника с током индуцирует в контуре, подверженном помехе, напряжение, накладывающееся на полезный сигнал, а для высокочастотных помех, также в виде волнового сопротивления электромагнитного излучения.

Структурно механизм связи электромагнитных влияний показан на рис. 1.3.

 
 

 

 


Р и с.1.3. Механизмы связи электромагнитных влияний

 

В электронных и электрических системах большое значение с позиции электромагнитного влияния имеют также противофазные и синфазные помехи. Противофазные помехи в каналах передачи возникают между прямыми и обратными проводами электрических контуров или между зажимами подверженных помехам систем. Синфазные помехи в каналах передачи возникают при наличии источников мешающих напряжений, которые появляются между отдельными сигнальными проводниками и массой (землей) корпуса устройства или электроустановки, обладающей нулевым потенциалом.

Между передатчиком помехи и приемником энергия помехи может переноситься посредством связи через поле или излуче­ния. Так, электромагнитное влияние может возникнуть в токо­вом контуре, но затем распространиться в виде электромагнит­ного поля или излучения и, наконец, появиться в проводах других контуров как помеха. Например, это может иметь место при искрении щеток коллекторного двигателя, длинные подво­дящие провода которого действуют как антенны.

Если длина волны велика по отношению к размерам источ­ника помехи, электромагнитные влияния распространяются преимущественно за счет токов или посредством электрического или магнитного поля. Если порядки длин волн и размеров сравнимы, проявляется излучение. Граница между механизмами влияния подвижна, однако для многих имеющих место на прак­тике случаев она имеет место при длинах проводов порядка 10 м и, соответственно, при частоте 30 МГц. То есть, в электроэнергетической и радио­частотной областях от 1 Гц до 30 МГц электромагнитные поля (помехи) связаны с токам, а в УКВ-области и выше электромагнитных помехи связаны с излучением.

Ниже кратко представлены различные механизмы связи.

Гальваническая связь. Гальваническая или металлическая связь появляется тогда, когда два электрических контура имеют общее сопротивление Z (рис. 1.4).

 

 

Р и с. 1.4. Гальваническая связь двух контуров
через общее полное сопротивление

Ток в контуре 1 (источник помехи) создаёт на общем сопротивлении Z падение напряжения, которое накладывается на полезный сигнал. Эта простая эквивалентная схема может быть использована для решения таких проблем совместимости, как падения напряжения, связанные с токами, текущими по металлическим оболочкам кабелей, помехи через сеть питания и т.д.

Емкостная связь. Емкостная связь возникает между двумя контурами, проводники которых находятся под разными потенциалами (рис. 1.5).

 

а б

Р и с. 1.5. Пример электрической связи контуров 1 и 2 через
квазистатическое электрическое поле или паразитные ёмкости:

а – полевая модель; б – цепная модель

 

Пусть мешающий контур 1 представляет собой сеть 220 В, а подверженный помехе контур 2 – измерительную установку, в которой напряжение в несколько милливольт должно измеряться осциллографом. Между проводом, находящимся под потенциалом 220 В, и измерительными проводами, находящимися почти под потенциалом земли, существует электрическое поле (рис. 1.5, а), влияние которого может быть отражено в эквивалентной схеме введением паразитных емкостей Спар1 и Спар2 (рис. 1.5,б). Напряжение сети U1 вызывает токи смещения через ёмкости утечек, которые через общий массовый провод возвращаются к нулевому проводу сети. Ток через ёмкость Спар1 создаёт на внутренних сопротивлениях передатчика и приёмника в контуре 2 Zп и Zпр падение напряжения, которое накладывается на полезный сигнал как помеха.

Магнитная связь. Магнитная или индуктивная связь возникает между двумя или несколькими контурами с токами (рис. 1.6). Ток I вызывает переменное магнитное поле, которое индуктирует в контуре 2, подверженном помехе, напряжение, накладывающееся на полезный сигнал. Воздействие магнитного поля контура 1 на контур 2 в эквивалентной схеме соответствует взаимной индуктивности М или индуктируемой ЭДС.

 

а б

Р и с. 1.6. Пример магнитной связи контуров 1 и 2 с токами:

а – полевая модель; б – цепная модель

 

Представленные на рис. 1.5 и 1.6 механизмы влияния чётко отражают взаимную независимость квазистатических электрических или магнитных полей. С одной стороны влияние через электрическое поле не связано с присутствием магнитного поля, с другой стороны, без взаимодействия с электрическим влиянием может существовать магнитное влияние любой интенсивности.

Связь через электромагнитное излучение.Под связью через электромагнитное излучение следует понимать случай, когда подверженная помехе приёмная система находится в дальней зоне поля, производимого источником помех излучения (рис. 1.7).

Следовательно, электрическое и магнитное поля воздействуют одновременно и связаны через волновое сопротивление вакуума:

(Ом). (1.1)

Р и с. 1.7. Связь через излучение

 

Подверженная помехе система не должна непременно иметь штыревую антенну. С таким же успехом электромагнитное вли­яние может воздействовать и через рамочную антенну или пря­мо на электронную схему, не обладающую запроектированными свойствами антенны.

Важными в практике обеспечения ЭМС электрических и электронных устройств являются синфазные и противофазные помехи.

Синфазные напряжения помех (несимметричные, продольные) возникают между каждым проводом и землёй (Uc1, Uc2 на рис. 1.8) и воздействуют на изоляцию проводов относительно земли. Они вызываются главным образом уравнительными токами в контурах заземления, а также магнитными полями.

Противофазные напряжения помех (симметричные, поперечные) возникают между проводами двухпроводной линии (Ud на рис. 1.8).

Помехи большой амплитуды приводят к устранению, искажению или подмене полезных сигналов и, как следствие, к неправильной работе или повреждению устройств автоматики. Противофазные помехи возникают через гальванические или полевые связи, или преобразуются из синфазных помех в системах, несимметричных относительно земли.

На практике в большинстве случаев действуют много видов помех и одновременно по нескольким каналам связи, что существенно затрудняет достоверное описание помех.

 

Р и с. 1.8. Помехи при передаче сигналов:

CЗ – паразитные ёмкости относительно заземлённого корпуса; Q1 – источник противофазных помех; Q2 – источник синфазных помех; Zq, Zs – полные сопротивления источника и приёмника помех; iC1, iC2 и Uc1, Uc2 –токи и напряжения синфазных помех;
id и Ud –ток и напряжение противофазных помех

 

Условия, когда передатчики и приемники характеризуются как электромагнитно совместимые, существенно зависят от вида передатчика или приемника. Например, радио– и телевизионные передатчики, которые вместе с полезным сигналом отдают паразитную электромагнитную энергию в окружающую среду, считаются совместимыми, если значения напряженности производимого ими поля на опреде­ленном расстоянии не превосходят установленных предельных значений, т. е. если возможно безупречное функци­онирование находящегося на этом расстоянии приемника при приеме полезного сигнала в соот­ветствии с его паспортными данными. Приемники считаются совместимыми, если они в состоянии принимать при электромагнитном загрязнении свой полезный сигнал с удовлетворительным уровнем помех, а сами не излучают недопустимых помех.

Чем лучше понятен физический смысл различных механизмов связи, тем скорее могут быть найдены ее пути, вычислена сте­пень затухания вдоль них и тем дешевле обойдутся эффективные средства обеспечения помехоустойчивости.

Помехоустойчивость –свойство чувствительного элемента нормально работать при воздействии помехи.

Чувствительный к помехам элемент это электрическое устрой­ство (элемент, группа элементов, прибор, часть устройства), функционирование которого может быть нарушено воздейст­вием помехи.

Количественно помехоустойчивость рассматриваемого объекта задается в ви­де допустимого воздействия в форме амплитуды импульса на­пряжения, напряженности поля, граничной энергии, стандар­тизированного испытательного воздействия и т.д. Если при воздействии, превышающем предел помехоустойчивости, не происходит разрушения объекта, то наблюдается обратимое нарушение функционирования. После исчезновения помехи или после повторного включения рассматриваемое устройство может работать нормально, ему не требуется ремонт или замена группы элементов.

Критерии нормального функционирования, лежащие в осно­ве объективного определения помехоустойчивости, зависят от назначения объекта, и поэтому они всегда специфичны для разных объектов.

Типичные для проявления нарушений функционирования является случайная картина их появлений: моментов наступ­ления, продолжительности, формы проявления, степени по­вторяемости и интенсивности. Как и помехи, они точно не оп­ределены и непредсказуемы. Это объясняется, с одной сторо­ны, разнообразием механизмов появления помех, с другой сто­роны – статистическим характером помехоустойчивости боль­шинства средств автоматизации. Например, поступающие из се­ти помехи (перенапряжения, провалы напряжения) имеют аб­солютно случайный характер, так как зависят от коммутаций, аварий, разрядов атмосферного электричества. При отключении индуктивной нагрузки в цепях переменного тока перенапряже­ния зависят от момента коммутации и также являются слу­чайными величинами. Может происходить нарушение функцио­нирования и в результате случайного наложения нескольких влияющих величин, каждая из которых недостаточна для на­рушения. Например, интенсивность взаимного влияния в ли­ниях передачи данных по своей природе случайна.

Случайные нарушения функционирования могут быть вы­званы также неидеальными характеристиками элементов, например, вибрационными процессами в контактах, отражения­ми сигналов в соединительных линиях, дрейфом параметров элементов, периодическими нарушениями контактов и сое­динений, например, вследствие коррозии или загрязнения контактов или мостиков припоя, появления тонких трещин в проводящих платах, которые вызывают изменения переходных сопротивлений, зависящих от температуры и напряжения, а также дефектами математического обеспечения. Поэтому на практике определение причин повреждения, как и получе­ние надежной статистики повреждений, крайне затрудни­тельно.

В какой степени нарушение функционирования системы из-за электромагнитной несовместимости опасно или неопас­но, допустимо или недопустимо, зависит от конкретных об­стоятельств. В необходимых случаях при осуществлении авто­матизации в целях обеспечения безопасности эта ситуация поясняется в рамках анализа степени обеспечения безопас­ности. При этом основой оценок является степень риска в от­ношении объема и тяжести вызываемых повреждением воз­можных ограничений функционирования, воздействий на окружающую среду, иных вредных последствий, опасности и связанными с этим затратами. Грань между опасными и не­опасными нарушениями функционирования определяется в каждом конкретном случае установлением границы риска, как, например, показано на рис. 1.9.

 

 

Р и с.1.9. Соотношения нарушений функционирования и степени риска

 

Критерием здесь может быть взвешенное решение, принимаемое разработчиком или же службой надзора, законо­дательными органами в зависимости от обстоятельств пораже­ния, эксплуатации.

Помехоподавление применяется для характеристики за­щитного воздействия средств защиты от помех. Чаще всего оно указывается в зависимости от частоты. Помехоподавлением ха­рактеризуют, например логарифм lg отношения напряжений на входе U1 и выходе U2 фильтра (коэффициент затухания аф) или напряженностей поля в точках пространства перед экраном Но и за ним НВТ (коэффициент экранирования аэ):

аф = lg(U1/U2); (1.2)

аэ = lg(НоВТ). (1.3)

Коэффициент затухания фильтра, как правило, имеет поло­жительное значение. Отрицательные значения коэффициента за­тухания получаются при превышении напряжения на выходе из-за резонансных эффектов (отрицательный коэффициент за­тухания соответствует усилению помех).

Обычно Но соответствует напряженности поля, существую­щей в отсутствие экрана, при этом коэффициент экранирования аэ принимает, как пра­вило, положительные значения. Аналогичным является ослабление противофазной помехи по отношению к синфазной, которое показывает, насколько ослаб­ляются синфазные сигналы при их преобразовании в противо­фазные.

Благодаря надлежащим техническим мероприятиям при кон­струировании передатчиков (экранирование, ограничение спект­ра, направленные антенны), путей коммуникаций (экранирова­ние, фильтрация, топология проводников, световоды), приемни­ков (экранирование, фильтрация, схема) возможно практически во всех случаях достичь удовлетворительной электромагнитной совместимости. Однако по экономическим причинам, если это технически выполнимо, стремятся вначале к возможно более высокой совместимости передатчиков (первичные мероприятия), а совершенствованием многочисленных приемников занимаются лишь во вторую очередь (вторичные мероприятия). Типичными примерами первичных мероприятий служат уменьшение влия­ния сети выпрямителей путем локальной компенсации или филь­трации, экранирование микроволновых печей, соответствующая проводка кабелей, способы заземления и т.д. Час­то электромагнитная совместимость достигается лишь совместными мероприятиями, реали­зуемыми у всех компонентов.

1.3. Уровни электромагнитных помех

Для целенаправленного планирования мероприятий по обеспечению электромагнитной совместимости должны быть известны:

- электромагнитная обстановка, характеризующаяся амплитудными и частотными спектрами напряжений и токов источников помех, напряженностью поля;

- механизм связи и ее количественная оценка в виде коэффициентов затухания или передаточных функций;

- восприимчивость или чувствительность приемника помех, характеризующаяся пороговыми значениями помех в функции о частоты или времени.

Для количественной оценки электромагнитной совместимос­ти пользуются логарифмическими масштабами напряжений, то­ков, напряженностей электрического или магнитного поля, мощностей в относительных едини­цах, что позволяет наглядно представить соотношения величин, отличающихся на много порядков.

Различают два вида логариф­ма отношений – уровень и степень передачи.

Уровни определяют отношение величины, например, напря­жения Uх к постоянному базовому значению напряжения U0., которое часто задается в единицах: U0 = 1 мкВ и т.д..

Степень передачи определяется отношением входных и вы­ходных величин системы и служат характеристикой ее передаточных свойств. Она представляет собой логарифмы обратных значений коэффициентов передачи, например, коэффициентов затухания мощности, ослабления за счет экранирования, сниже­ния противофазной помехи по отношению к синфазной.

С применением десятичного логарифма log10 = lg определяют, например, следующие величины, дБ:

а) напряжение:

UдБ = 20 1g(Ux/U0), где U0 = 1 мкВ; (1.4)

б) ток:

IдБ = 20 1g(Ix/I0), где I0 = 1 мкА; (1.5)

в) напряженность электрического поля:

ЕдБ = 20 1g(Еx0), где Е0 = 1 мкВ/м; (1.6)

г) напряженность магнитного поля:

НдБ = 20 1g(Нx0), где Н0 = 1 мкА/м; (1.7)

д) мощность:

РдБ = 20 1g(Рx0), где Р0 = 1 нВт. (1.8)

Для напряжения, тока и напряженности поля нижеприведен­ные значения уровней соответствуют следующим отношениям:

3 дБ = ; 6 дБ = 2; 20 дБ = 10; 120 дБ = 106;

для мощности:

10 дБ =10.

Вышеуказанные уровни были определены с применением по­стоянной базовой величины и поэтому обобщенно называются абсолютными уровнями. Они характеризуют значения конкрет­ных величин. Чтобы подчеркнуть, что величина является базовой в ее обозначение, помимо дБ вводятся дополнительные индексы мкВ, мкА, например, дБмкВ, дБмкА и т.д.

Подобно тому, как при использовании десятичного логариф­ма lg были образованы отношения величин в децибелах (дБ) при помощи натурального логарифма ln можно образовать отношение величин в неперах (Hn):

1 Hn = е = (Ux/U0).

Между непером и децибелом существуют соотношения:

1n(Ux/U0), Hn = 201g(Ux/U0), Дб, (1.9)

или

1 Нn = 8,686 дБ; 1 дБ = 0,115Hn.

Так, для отношений величин в неперах и децибелах существуют следующие равенства:

10 : 1 = 2,3 Нn = 20 дБ,

100 : 1 = 4,6 Нn = 40 дБ,

1000 : 1 = 6,9 Нn = 60 дБ.

При помощи натурального логарифма можно образовать отношения величин, т.е. помех, в неперах (Hn):

UHn = 1n(Ux/U0); IHn = 1n(Ix/I0); РHn = 1n(Рx0).

При обоих представлениях определенный уровень повышает­ся на соответствующую одинаковую величину с каждым следую­щим порядком. Обозначения дБ или Нn указывают исключительно на вид использованной функции логарифма: десятичного lg или натурального ln.

В целом, в электромагнитной совместимости среди уровней помех раз­личают абсолютный и относительный уровни.

Абсолютный уровень определяется для ряда значений: уровень помех, пороговое значение помехи, уровень полезного сигнала, отнесенных к оп­ределенной базовой величине (например, мкВ). При этом, уровень помех это относительное значение помехи к уровню полезного сигнала (верхний предел допустимых уровней помех определяют установленные в стандартах предельные (допустимые) значения помех); пороговое значение помехи это наименьшее относительное зна­чение полезного сигнала, превышение которого в месте приема воспринимается как помеха; уровень полезного сигнала это относительное 100%-ное значение полезного сигнала.

Пример соотношений уровней полезного сигнала и помехи в зависимости от частоты приведен на рис. 1.10.

Относительный уровень определяется в виде интервала как разность уровней. При этом интервал помех это разность между уровнями полезного сигнала и порогового значения помехи, ис­числяемый так же, как логарифм отношения значения полезного сигнала и порогового значения помехи; интервал допустимых помех это разность между пороговым зна­чением помехи и значением помехи, исчисляемая так же, как логарифм отношения порогового и действующего значения по­мех.

 

 

Р и с.1.10. Пример отношений полезного сигнала
и помехи в зависимости от частоты f

 

Для аналоговых сигналов часто довольствуются интервалом помех, большим или равным 40 дБ (тогда погрешности остаются меньшими 1%), для радио и телевидения достаточными считают­ся значения между 30 и 60 дБ, для телефонии – приблизительно 10 дБ.

Точные значения интервала помех в отдельных случаях следует брать из соответствующих действующих норм.

В противоположность аналоговым системам обработки сигна­лов, в которых определение порогового значения помехи, в соот­ветствии с требованиями к качеству (помехоустойчивости) мо­жет, очевидно, являться предметом договоренности, цифровые системы отличаются тем, что их работа при значении помех ниже порогового, зависимого от принятой серии микросхем, вообще не нарушается, а выше порогового значения нарушается навер­няка.

При этом следует еще различать статическую и динамичес­кую помехоустойчивость. Если время действия помехи меньше времени срабатывания, то допустимы более высокие уровни по­мех, чем при статической нагрузке.

Для электрической сети из-за сильной связи ис­точников помех пытаются устанавливать так называемые уровни совместимости, которые с учетом суммарного воздействия нарушителей гарантируют достаточную электромагнитную совмести­мость в электроэнергетической системе, включая и электромагнитную совместимость по кондуктивным помехам, которая определяется как качество электроэнергии [3,4].

Так как максимальное значение сетевых помех может быть определено только статистическими методами оценки, а соблюдение абсолютной электромагнитной совместимости, руководствуясь этим максималь­ным уровнем, экономически было бы невыполнимо, уровень со­вместимости располагается в интервале между максимумами плотностей вероятности (рис. 1.11).

 

 

Р и с.1.11. Уровень совместимости для определенной по­мехи

 

Например, графически совме­стимости располагают так, чтобы этот интервал с определенной вероятностью (95%) не был превзойден и чтобы помехоустойчи­вость элемента сети или прибора принципиально была выше этого уровня.

1.4. ЭМС – номограмма

Распространение импульсных помех, их затухание вдоль пути распространения, а также их влияющее воздействие на различ­ные места подверженной помехе системы могут быть описаны непосредственно во временной или частотной областях. В час­тотной области при аналитическом решении часто пользуются так называемой ЭМС – номограммой (номограммой электромагнитной совместимости), т.е. графической реализацией преобразования Фурье.

ЭМС – номограмма служит для:

- графического определения огибающей (наихудший случай) плотности распределения амплитуд заданного импульса помехи стандартной формы (графическое преобразование «временная об­ласть – частотная область");

- синтеза формы импульса, эквивалентного помехе, из заданно­го спектра помехи (графическое обратное преобразование «час­тотная область – временная область");

- учета частотозависимых передаточных свойств путей связи, средств помехозащиты и т. п.

Переход из временной в частотную область. При помощи пре­образования Фурье для трапецеидального импульса, как показано на рис. 1.12, «физическая» плотность распределения амплитуд импульса оп­ределяется по выражению:

. (1.10)

При трапецеидальный импульс преображается в прямо­угольный, а при – в треугольный. Таким образом, трапецеи­дальный импульс включает большую часть встречающихся на практике мешающих импульсов.

Р и с.1.12. Трапецеидальный импульс

 

Последующий анализ основывается на аппроксимации огибаю­щей плотности распределения амплитудной плотности, например, трапеце­идального импульса тремя отрезками прямой (рис. 1.13).

Р и с.1.13. Огибающая «физической» плотности распределения
амплитуд трапе­цеидального импульса (линейная аппроксимация):

fн – нижняя; fв – верхняя сопрягающая частоты

 

Низкочастотный диапазон: . При низких частотах функ­ция синуса приблизительно равна своему аргументу, так что оги­бающая оказывается параллельной оси абсцисс и определяется выражением:

. (1.11)

Плотность распределения амплитуд гармоник, дБ, зависит ис­ключительно от площади импульса, а не от его формы, амплиту­ды или выбранной частоты, и определяется по выражению:

, (1.12)

где .

Среднечастотный диапазон: . Предположим, что числитель (наихудший случай) и частное ввиду того, что sinx = x тоже равно 1. Тогда получим:

. (1.13)

Плотность распределения амплитуд гармоник,дБ, пропорциональна 1/f и поэтому спадает прямолинейно с крутизной 20 дБ/декада:

. (1.14)

Высокочастотный диапазон . Предположим, что и (наихудший случай). Тогда получим:

(1.15)

или

. (1.16)

Плотность распределения амплитуд гармоник, дБ, пропорци­ональна 1/f2 и поэтому спадает прямолинейно с крутизной 40 дБ/декада и определяется по выражению:

. (1.17)

Для любых трапецеидальных и треугольных импульсов с пара­метрами Um, и огибающая плотности распределения амплитуд при помощи вышеприведенных уравнений может быть представлена в двойном логарифмическом масштабе, как показано на рис. 1.14.

Р и с.1.14. Амплитудные плотности прямоугольного,
трапецеидального и треу­гольного импульсов
(для последнего: fн =fв)

Со­прягающие частоты получаются путем приравнивания значений функции в точках пересечения отрезков прямых.

Первая сопрягающая частота определяется из выражения:

, (1.18)

где .

Вторая сопрягающая частота определяется из выражения:

, (1.19)

где .

Переход из частотной во временную область. Заданный спектр аппроксимируется тремя соответствующими отрезками прямой. При этом при графическом определении огибающей плотности распределения амплитуд весьма целесообразным является применение графиков с двойным логарифмическим масштабом с заранее изображен­ными пучками параллельных линий, идущих под уклоном 20 и 40 дБ, как, например, показано на рис. 1.15.

Р и с.1.15. ЭМС-номограмма:

 

– – – – линии с наклоном 20 дБ; линии с наклоном 40 дБ;

– ломаная линия – измеренная спектральная плотность -;

– сплошная линия – расчетная спектральная плотность -

Искомые характеристики: площади импульса, плотности амплитуд импульсаUm, крутизны фронта – , длительности импульса – , времени нарастания – получают с помощью функций преобразования.

Площадь импульсаопределяется (на основании формулы (1.12) по выражению:

,, (1.20)

Плотность амплитуд импульсаUm определяется (на основании – 1.14) по выражению:

, , В, (1.21)

где – уровень напряжения при нижней сопрягающей частоте.

Крутизна фронта – определяется (на основании – 1.17) по выражению:

, , В/с, (1.22)

где – уровень напряжения при верхней сопрягающей частоте. Для прямоугольных и треугольных импульсов справедливо равенство fв =fн .

Длительность импульса – определяется по выражению:

, (1.23)

а время нарастания – определяется по выражению:

, (1.24)

Обе величины зависят от сопрягающих частот.

Например, по рис. 1.16 можно определить параметры импульса спектра треугольного импульса, которые, в частности, составляют:

- площадь импульса,;

– плотность амплитуды импульса, В;

- крутизна фронта – , В/нс;

- длительность импульса – , мкс;

- время нарастания (от 0 до 100%) – , мкс.

1.5. Учет пути передачи помех или связи
между источником и приемником помех

Из теории систем следует, что преобразование Фурье выходной величины системы может быть получено перемножением преобразования Фурье входной вели­чины с амплитудно-фазовой характеристикой :

. (1.25)

Поэтому, если перемножить спектральную плотность источника помех с частотной характеристикой пути свя­зи и далее с частотной характеристикой подверженного помехе приемника, получим спектральную плотность помехи в приемнике :

. (1.26)

В логарифмическом масштабе умножение соответствует сло­жению. Поэтому, если суммировать кривую плотности распределения амплитуд входной помехи с амплитудно-частотной ха­рактеристикой тракта передачи, например, с кривой затухания фильтра, то получим график плотности распределения амплитуд помехи после фильтра, а после графического обратного преобра­зования также ее приблизительный временной ход. Таким обра­зом, с помощью измеренных спектров помех могут быть рассчи­таны требуемые помехозащитные фильтры, экраны, испытатель­ные импульсы для моделирования и т.д.

1.6. Экономические аспекты
электромагнитной совместимости

Электромагнитная совместимость (ЭМС) электромагнитных полей (помех) определяется как техническими характеристиками источника электромагнитных полей, так и степенью восприимчивости этих полей приемниками: техническими и биологическими.

Соблюдение допустимости внешних электромагнитных влияний на биологические приемники (людей), в первую очередь, определяется санитарно-гигиеническими нормами и требованиями защиты, в частности, от радиопомех. Допустимые излучения устанавливаются в результате компромисса, который должен учитывать как природу технических передатчиков, так и технические потребности работающих в данном частотном диапазоне приемников, например, радиосвязи и т.д.

Соблюдение электромагнитной совместимости при внутрен­них влияниях в большинстве случаев можно доверить изготови­телю или пользователю, которые, безусловно, заинтересованы в работоспособной системе.

Комплексные системы требуют уже на стадии планирования всестороннего учета аспектов электромагнитной совместимости, а также использования спо­собствующих электромагнитной совместимости компонентов и мероприятий.

Большие пер­воначальные затраты – Зп позволяют в дальнейшем избежать про­блем ЭМС, а также дополнительных расходов на исправление дефектов, вызывающих несовместимость на этапе ввода в эксп­луатацию. Напротив, малые начальные затраты с большой веро­ятностью ведут к большим расходам на исправление (издержки) – 3и.

Кривая полных затрат на ЭМС – З в зависимости от вероятности появления электромагнитных влияний WЭМВ, как показано на рис. 1.16, имеет минимум.

 

 

Р и с. 1.16. Кривые затрат Зп = f(WЭМВ) для своевременно
спланированных мероп­риятий по электромагнитной совместимости
и Зи = f(WЭМВ) для последующих расходов во время ввода
в эксплуатацию. Общие затраты на ЭМС – З = Зп + Зи

 

Стремление к минимальным затратам на ЭМС предполагает подробные знания о возникновении, распространении и проник­новении электромагнитных полей, которые позволяют забла­говременно распознать мало очевидные пути влияния этих полей и из­бежать чрезмерных затрат на защиту от помех.

1.7. Европейский рынок средств
электромагнитной совместимости

Объем реализации продукции [1] на западноевропейском рынке (страны европейского Содружества и Европейского Экономического Сообщества), связанной с электромагнитной совместимостью, в 1989 г. составил 380 миллионов долларов и увеличился к 1994 г. до 780 миллионов долларов (это сответствует еже­годному приросту в 15%) благодаря открытос­ти рынка и введению основных рекомендаций по электромаг­нитной совместимости в действие.

Процентное распределение объема тор­говли по отдельным странам и десяти важнейшим категориям продукции, а также по основным областям использования продукции представлено на рис. 1.17…1.19. В основном такие же распределения сохранятся и далее; лишь в авиации, космонавтике и военной области ожидается процентное снижение.

 

0 10 20 30 40 % Р и с.1.17. Распределение рынка товаров по странам Ев­ропы, связанных с электромагнитной совместимостью: 1 – ФРГ; 2 – Великобритания; 3 – Франция; 4 –Швейцария; 5 – Италия; 6 – страны Бенилюкса; 7 – скандинавские страны; 8 – остальные страны 0 10 20 30 40 % Р и с. 1.18. Распределение рынка по 10 важнейшим кате­гориям продукции: 1 – фильтры и другие помехозащитные средства; 2 – экранированные кабины и помещения; 3 – прово­дящие покрытия; 4 – испытательные приборы; 5 – градуировочные, калибровочные приборы; 6 – проводя­щие уплотнения; 7 – проводящие полимеры; 8 – соеди­нительные разъемы; 9 – служба, связанная с совмести­мостью; 10 – проводящие наполнители 0 10 20 30 40 % Р и с. 1.19. Распределение рынка по важнейшим отраслям: 1 – авиационно-космическая и военная техника, 2 – электронная и вычислительная техника; 3 – промышленность, медицина; 4 – автотранспорт, бытовая техника; 5 – гражданская связь

Территориальное распределение, как, например, показано на рис.1.17, является отображением уровня индустриального развития стран, одновремен­но и показателем развития работ в этих странах по нормированию электромагнитной совместимости.

Поставщиками продукции на западноевропейском рынке являются примерно 270 местных фирм – производителей, а также около 400 сбытовых обществ.

1.8. Цели и основное содержание работ в области электромагнитной совместимости

Комплексная цель рациональных работ по электромагнит­ной совместимости биологических существ (людей), технических устройств, систем, средств автоматизации состоит в том, чтобы устра­нить возможные недостатки, обусловленные электромагнитной несовместимостью, путем организован­ного применения технически реальных мер при оправданных затратах, достичь удовлетворительной совместимости, возмож­ности измерения степени совместимости и испытания на совместимость и тем самым гарантировать объективное сравнение вариантов.

Принципиальными мероприятиями по повышению электро­магнитной совместимости могут быть:

- подавление возникновения помех путем воздействия на источник помех;

- подавление или ослабление помех в тракте распространения;

- повышение помехозащищенности и устойчивости путем осуществления мероприятий, влияющих на усло­вия проникновения помехи и интенсивность воздействия про­никшей помехи;

- разделение во времени режимов появления помехи и функ­ционирования чувствительного элемента.

Практически используют эти возможности отдельно или комплексно.

Технически реализуемы различные мероприятия: схемные, конструкторские, соответствующее математическое обеспечение, экономические, а также организационные.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1. Что понимают под электромагнитной совместимостью (термины)?

2. Каковы виды моделей электромагнитного влияния?

3. Каковы механизмы связей в моделях электромагнитного влияния?

4. Чем характеризуется помехоустойчивость устройств к электромагнитным помехам?

5. Что характеризует понятие помехоподавления электромагнитных помех?

6. Чем определяются абсолютный и относительный уровни электромагнитной помехи?

7. Что отражают экономические аспекты электромагнитной совместимости?

2. НОРМИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

2.1. Нормы и рекомендации
по электромагнитной совместимости

Рассматривая электромагнитную совместимость как пока­затель качества продукции, необходимо на различных этапах ее создания соблюдать целый ряд рекомендаций и норм, охватывающих комплекс непрерывно совершенствующихся вопросов электро­магнитной совместимости [1].

В каждой стране существуют национальные комите­ты, институты и т.д., разрабатывающие национальные нормы по электромагнитной совместимости. Они обычно тесно связа­ны с такими международными организациями как: Междуна­родная конференция по большим энергетическим системам (СИГРЭ); Международная совещательная комиссия телеграф­ной и телефонной службы (CCITT); Международный союз по про­изводству и распределению электроэнергии (UNIPEDE); Международная элек­тротехническая комиссия (МЭК) с техни­ческим комитетом ТК 77; Европейский комитет по нор­мированию в области электротехники (CENELEC); Специаль­ный международный комитет по радиопомехам (СИСПР). Связь между организациями, занимающимися нормированием электромагнитной совместимости, и области их деятельности приведены на рис. 2.1.

Р и с. 2.1. Организации, занимающиеся нормированием
электромаг­нитной совместимости, и области их деятельности

 

Вопросами влияния потребителей на сети электроснабжения занимаются организации UNIPEDE и МЭК. МЭК рассматривает также различные электротехнические устройства и системы, сети электроснабжения, линии переда­чи данных. Технические комитеты CENELEC и СИСПР анализи­руют проблемы искрения, разрабатывают европейские и миро­вые рекомендации и нормы по электромагнитной совмести­мости. Основная те­матика CCITT это техника связи. СИГРЭ занимается проблемами техники связи, телемеха­ники, распределительных устройств, вторичной коммутации, биологического влияния высоких напряжений.

Целевыми объектами работ в области электро­магнитной совместимости, относящимися к электроэнергетике и технике автоматизации процессов, являются:

- терминология, т.е. точно сформулированные понятия и оп­ределения, необходимые для осмысленных разработок и исполь­зования норм;

- уровень электромагнитной совместимости и классификация окружающей обстановки по значениям помех, служащих в ка­честве основы при установлении требований по помехоустой­чивости промышленных средств и в качестве меры допустимо­го излучения помех;

- допустимые значения излучения помех и обратного дей­ствия, вызываемого приборами определенных классов;

- классы помехоустойчивости промышленных средств при определенных электромагнитных воздействиях;

- способы и устройства для измерения помех и иных парамет­ров, относящихся к электромагнитной совместимости;

- способы испытаний и устройства для тестирования;

- отображение в технической документации помех, помехо­защищенности и излучения помех промышленными средст­вами;

- указания по хранению, транспортировке и обращению с элект­ронными компонентами, деталями и приборами, например, в целях предотвращения их повреждений из-за разрядов стати­ческого электричества;

- правила оформления разработки и конструкции приборов с учетом их электромагнитной совместимости;

- инструкции по оснащению и сооружению устройств и зданий, обладающих электромагнитной совместимостью;

- программное содержание работ по электромагнитной совмес­тности, т.е. рекомендации по отдельным этапам работы на стадиях проектирования продукции или проработки проблем электромагнитной совместимости;

- параметры специальных деталей и материалов, используе­мых при разрешении проблем электромагнитной совместимости (разрядники, помехоподавляющие элементы, фильтры, экранные и непроницаемые для высоких частот материалы, проводящие лакокрасочные покрытия, материалы для полов и т.п.).

Особо следует отметить направления деятельности технического комитета ТК 77 МЭК «Электромагнит­ная совместимость электрооборудования, включая сети» по вопросам стандартиза­ции электромагнитной совместимости:

1. Общие вопросы: общее рассмотрение, определения, терминология.

2. Электромагнитная окружающая обстановка: описание окружающей электромагнитной обстановки, классифика­ция окружающей обстановки, уровни электромагнитной совместимости.

3. Допустимые значения: допустимые значения излу­чения помех, допустимые значения помехоустойчивости.

4. Способы испытаний и измерений: способы измере­ний, способы испытаний.

5. Рекомендации по оснащению устройств и защитные мероприятия: рекомендации по оснащению, защитные меро­приятия и устройства.

9. Разное.

Технический комитет ТК 77 МЭК также занимается общими аспектами электромагнитной совместимости. Главной его задачей является разработка базисных документов применительно к электрическим сетям, системам автоматизации и представляющим для них интерес приборам и устройствам, в которых необходимо учитывать специфические процессы, связанные с электромагнитной совместимостью.

2.2. Санитарно-гигиеническое нормирование электромагнитных полей

Национальные системы стандартов являются основой для реализации принципов электромагнитной безопасности. Как правило, системы стандартов включают в себя нормативы, ограничивающие уровни электрических полей (ЭП), магнитных полей (МП) и электромагнитных полей (ЭМП) различных частотных диапазонов путем введения предельно допустимых уровней воздействия (ПДУ) для различных условий облучения и различных контингентов.

В России система стандартов по электромагнитной безопасности складывается из Государственных стандартов (ГОСТ) и Санитарных правил инорм (СанПиН). Это взаимосвязанные документы, являющиеся обязательными для исполнения на всей территории России.

Государственные стандарты по нормированию допустимых уровней воздействия электромагнитных полей входят в группу Системы стандартовбезопасности труда – комплекс стандартов, содержащих требования, нормы и правила, направленных на обеспечение безопасности, сохранение здоровья и работоспособности человека в процессе труда. Они являются наиболее общими документами и содержат:

- требования по видам соответствующих опасных и вредных факторов;

- предельно допустимые значения параметров и характеристик;

- общие подходы к методам контроля нормируемых параметров и методы защиты работающих.

Государственные стандарты России в области электромагнитной безопасности по состоянию на 1 июня 1999 г.[5-7] приведены в табл. 2.1:

Таблица 2.1

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ

В М САЛТЫКОВ... А В САЛТЫКОВ... Н В САЙДОВА...

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: ПОНЯТИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Салтыков В.М.
С 16 Электромагнитная совместимость в электроэнергетике (источники электромагнитных полей и их влияние): учеб. пособ. / В.М. Салтыков, А.В. Салтыков, Н.В. Сайдова. Самара. Сам

Государственные стандарты РФ в области электромагнитной безопасности
Обозначение Наименование ГОСТ 12.1.002-84 Система стандартов безопасности труда. Электрические поля промышленной частоты.

Санитарные нормы и правила для условий профессионального облучения электромагнитными полями
Обозначение Наименование Примечание СанПиН 2.2.4/ 2.1.8.055-96 Санитарные правила и нормы. Электромагнитны

Санитарные нормы и правила для условий
непрофессионального облучения (население) Обозначение Наименование Примечание

Предельно допустимые уровни электромагнитного поля для потребительской продукции, являющейся источником ЭМП
Источник Диапазон Значение ПДУ Примечание Индукционные печи 20 – 22 кГц 500 В/м

Допустимые уровни воздействия электрического поля ЛЭП на население
ПДУ, Е, кВ/м Условия облучения 0,5 Внутри жилых зданий 1,0 На территории зоны

Допустимые уровни напряжённости магнитного и электрического полей
  Частота Напряжённость магнитного поля, А/м Частота Напряжённость электрического поля, В/м 50

Степени жесткости и нормируемые уровни испытаний при воздействии затухающим колебательным магнитным поле
  Степень жесткости Максимальная напряженность магнитного поля, А/м -

Степени жесткости испытаний в полосе частот от 150 кГц до 80 МГц
  Степень жесткости испытаний Испытательное напряжение дБ В

Степени жесткости испытаний на помехоустойчивость при воздействии длительных помех в полосе частот от 15 Гц до 150 кГц
  Степень жесткости испытаний Испытательное напряжение, В в полосе частот 15-150 Гц 150 Гц- 1,5 кГц

Нормы ПКЭ и допустимые погрешности их измерения
  ПКЭ, единица измерения Нормы ПКЭ Пределы допустимых погрешностей измерения нормально допустимые

Значение коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения
  Нечетные гармоники, не кратные 3, при Uном, кВ Нечетные гармоники, кратные 3* , при Uном, кВ

Характеристики временных перенапряжений
  ΔtперU , с до 1 до 20 до 60 kперU

Характеристики воздействия молнии на объекты
  Параметр Максимальный ток, Imax Крутизна тока

Приблизительные значения напряженностей магнитного поля промышленной частоты на энергетических и промышленных предприятиях
  Предприятие, устройство Место измерения Напряженность магнитного поля, А/м Электростанция

Уровни электрических и магнитных полей промышленной частоты 50 Гц от различных электроприборов
  Вид электроприбора, тип Мощность, Р, Вт Электрическое поле, Е, В/м Магнитное поле, В, н

Субъективные жалобы пользователей персонального компьютера и возможные причины их происхождения
  Субъективные жалобы Возможные причины Резь в глазах Визуальные эргономические параметры монитора, освещен

Биологическое воздействие сотовой радиотелефонной связи
Сотовая радиотелефония является сегодня одной из наиболее интенсивно развивающихся телекоммуникационных систем. В настоящее время во всем мире насчитывается более 200 миллионов абонентов, пользующи

Сотовой радиосвязи, действующих в России
  Наименование стандарта Диапазон рабочих частот БС Диапазон рабочих частот МРТ Максимальная излучаемая мощность БС

Значения допустимых напряжений статического электричества, приводящих к повреждению полупроводниковых элементов
  Тип полупроводникового элемента Повреждающее напряжение статического электричества, В МОП-транзисторы 8

Виды испытательных помех при испытаниях на внешнюю помехоустойчивость
  Вид испытательных помех Элемент прибора, на ко­торый воздействует испыта­тельная помеха Обусловлен­ные гальваническими

Рекомендации по обеспечению помехоустойчивости приборов в зависимости от вида помех и мест установки приборов
  Виды воздействующих (испытательных) помех Место использования прибора Обычные сети, жилые, административные помещения

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
  1. Хабигер Э. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике: Пер. с нем. / И.П. Кужекин; Под ред. Б.К. Максимова. – М.: Энергоатомиздат, 1995. 2.

В электроэнергетике
(источники электромагнитных полей и их влияние)     Редактор В.Ф. Елисеева Технический редактор В.Ф. Елисеева К

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги