Реферат Курсовая Конспект
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(Но/НВТ). (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(Еx/Е0), где Е0 = 1 мкВ/м; (1.6)
г) напряженность магнитного поля:
НдБ = 20 1g(Нx/Н0), где Н0 = 1 мкА/м; (1.7)
д) мощность:
РдБ = 20 1g(Рx/Р0), 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(Рx/Р0).
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 импульса – Um, крутизны фронта – , длительности импульса – , времени нарастания – получают с помощью функций преобразования.
Площадь импульса – определяется (на основании формулы (1.12) по выражению:
,, (1.20)
Плотность амплитуд импульса – Um 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:
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
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов