Электромагнитная совместимость в электроэнергетике шифр по учебному плану ОПД. Ф. 09
Литература 1. Шваб А. Электромагнитная совместимость. – М. : Энергоатомиздат, 1995. – 480 с. 2. Хабигер Э. Электромагнитная совместимость. Основы её обеспечения в технике – М. : Энергоатомиздат, 1995. – 304 с. 3. Болдырев В. Г. , Бочаров В. В. , Булеков В. П. , Резников С. Б. Электротехническая совместимость электрооборудования автономных систем. – М. : Энергоатомиздат, 1995. – 352 с. 4. Буга Н. Н. , Конторович В. Я. , Носов В. И. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств. – М. : Радио и связь, 1993. – 240 с.
Раздел 1. Общие вопросы ЭМС Основные понятия ЭМС – электромагнитная совместимость. ЭМС – это способность приборов, устройств технических систем, биологических объектов нормально функционировать в условиях воздействия на них электромагнитных полей, существующих в окружающей обстановке, и не создавать недопустимые помехи другим объектам. Немецкий стандарт VDE 0870 определяет ЭМС, как “способность электротехнического устройства удовлетворительно функционировать в его электромагнитном окружении, к которому принадлежат также и другие устройства, не влияя на это окружение недопустимым образом”. Для нормальной работы электромеханического реле, требуется электромагнитная энергия порядка 1 м. Дж, а для нормальной работы интегральной микросхемы требуется электромагнитная энергия порядка 10 -4 м. Дж. Электрическое устройство считается совместимым, если оно в качестве передатчика является источником помех не выше допустимых, а в качестве приёмника обладает допустимой чувствительностью к посторонним влияниям, т. е. достаточной помехоустойчивостью.
Проблема ЭМС возникает, прежде всего, у приёмников, если нарушается безупречный приём полезного сигнала, при воздействии помехи. Например, случайно поступившей электромагнитной энергией нарушено или сделано совсем невозможным нормальное функционирование системы автоматизации. В этих случаях говорят о наличии электромагнитных влияний. VDE 0870 определяет электромагнитное влияние как “воздействие электромагнитных величин на электрические цепи, приборы, системы, живые существа”. Электромагнитные влияния могут проявляться в виде обратимых или необратимых нарушений. Обратимые нарушения: шум при телефонных переговорах, треск при различных коммутациях в электрической сети. Необратимые нарушения: разрушения электронных компонентов на платах разрядами статического электричества, пробой изоляции при грозовых перенапряжениях, возникновение аварийных ситуаций из-за неправильного сформированных управляющих воздействий в системах автоматики. На практике обратимые влияния различают по их силе на влияния, вызывающие допустимые нарушения функций и влияния, которые ведут к недопустимым побочным воздействиям, либо к чрезмерной перегрузке.
С точки зрения ЭМС все технические устройства подразделяют на источники помех (передатчики) и чувствительные элементы (приёмники). Между ними существует некоторый механизм связи, иначе путь или канал передачи помех. Существуют межсистемные и внутрисистемные влияния. Межсистемные – это когда источник помех и приёмник помех принадлежат разным техническим системам. Внутрисистемные – это когда источник помех и приемник помех принадлежат одной технической системе. Передатчики считаются совместимыми, если они работают только на отведённой для них частоте, т. е. не создают высших гармоник, и если излучаемые ими электромагнитные поля на значительном удалении затухают настолько, что находящийся там и работающий на той же частоте передатчик может быть воспринят без помех. Передатчики, которые передают паразитную электромагнитную энергию в окружающую среду, считаются совместимыми, если значения напряженности производимого им поля на опредёленном расстоянии не превосходят установленных предельных значений, т. е. если возможно безупречное функционирование находящегося на этом расстоянии приёмника в соответствии с паспортными данными.
Приёмники считаются совместимыми, если они в состоянии принимать при электромагнитном загрязнении свой полезный сигнал с удовлетворительным уровнем помех, а сами не излучают недопустимых помех. Мероприятия по обеспечению высокой совместимости передатчиков называют первичными мероприятиями (экранирование, ограничение спектра передаваемых сигналов, применение антенн с узкой диаграммой направленности). Уменьшение или ограничение уровня помех со стороны передатчика называется помехоподавлением. Мероприятия о обеспечению высокой совместимости приёмников называют вторичными мероприятиями (экранирование, фильтрация, схемотехнические методы). Уменьшение или ограничение уровня помех со стороны приёмника называется помехозащитной. Экономические аспекты ЭМС Финансовые затраты на техническое обеспечение ЭМС можно разделить на две составляющие: - первоначальные затраты (затраты на стадии планирования, проектирования, технологической подготовки производства и изготовления устройства или системы) (Зп). - расходы на исправление дефектов, вызывающих несовместимость на этапе ввода в эксплуатацию (Зи).
Кривая полных затрат на ЭМС в зависимости от вероятности появления электромагнитных влияний WЭМВ имеет минимум (Зmin). Стремление к минимальным затратам на ЭМС предполагает подробные знания о возникновении, распространении и проникновении электромагнитных влияний, которые позволяют распознать малоочевидные пути этих влияний и избежать чрезмерных затрат на защиту от помех и на бесполезные мероприятия.
Понятие об электромагнитной обстановке на объектах электроэнергетики Электромагнитные помехи – случайные электромагнитные воздействия отдельных элементов друг на друга или сторонней системы на рассматриваемую через паразитные или функциональные связи. Электромагнитная обстановка – совокупность электромагнитных явлений, существующих в рассматриваемом пространстве. Она описывается характеристиками источников помех и параметрами их воздействия, особенностями установленного оборудования, реализованными и нереализованными мероприятиями по повышению ЭМС, а также неэлектрическими характеристиками окружающей среды (например, влажность, температура, наличие поблизости материалов с трибоэлектрическими свойствами и т. д. ). Источник помех – причина появления помех, т. е. прибор или физическая величина, количественно характеризующаяся величиной ЭДС помехи, либо потоком, либо зарядом помехи, либо другой физической величиной. Помеха – электромагнитная величина, способная вызвать в электрическом устройстве нежелательный эффект (например, разрушение, старение и т. д. ).
Она определяется разностью: x. S(t) = x(t) – x. N(t), где x(t) – сигнал, поступающий на вход устройства; x. N(t) – полезный сигнал, содержащийся в величине x(t). Помеха x. S(t), которая во времени суммируется с полезным сигналом, поступающим на вход устройства, называется аддитивной. Существуют мультипликативные помехи, которые умножаются на сигнал. Испытательная помеха – электромагнитная величина, имитирующая реальную помеху и служащая для испытания устройств на помехоустойчивость. Механизм связи – физический механизм воздействия источника помехи на чувствительный элемент, или механизм передачи энергии электромагнитных процессов от источника к чувствительному элементу. Чувствительный к помехам элемент – это устройство (элемент, прибор, часть устройства), функционирование которого может быть нарушено воздействием помехи. Помехоустойчивость – свойство чувствительного элемента нормально работать при воздействии помехи. Она количественно задаётся допустимым значением амплитуды импульса (напряжение, напряжённость поля, энергия, мощность и др. ).
Краткая характеристика естественных и искусственных источников помех Естественные явлениями. – обусловленные Искусственные – образованные технологических устройствах. природными электромагнитными процессами в Наиболее важными из естественных источников помех являются разряды атмосферного электричества при локальной грозовой деятельности, а также возможные разряды статического электричества между телами, получившими заряды разных полярностей. Все другие естественные источники геологического, солнечного и космического происхождения и вызванные ими помехи в виде атмосферных шумов, геомагнитных полей, солнечного и космического излучения играют слабую роль для объектов электроэнергии. В качестве искусственных источников электромагнитных помех рассматривают все процессы при нормальных рабочих и аварийных режимах приборов, машин, электроэнергетических установок, устройств информационной техники, находящихся вблизи средств автоматизации. К ним же относится электромагнитный импульс, возникающий при ядерных взрывах.
Электромагнитные помехи, генерируемые различными источниками, воздействуют на приборы, линии сигналов или данных, на системы электропитания и заземления устройств автоматизации отдельно или комбинированно при случайном наложении во времени. Внутрь прибора они могут попасть по проводам или полевым путём, через антенны. Противофазные и синфазные сигналы и помехи Пусть имеется двухпроводная система с учётом влияния земли, предназначенная для передачи информации. Фактически такая система состоит из трёх проводников.
Существуют несимметричные и симметричные двухпроводные системы для передачи данных. В несимметричных систему опорного потенциала связывают с обратным проводником, в симметричных – со средней точкой между прямым и обратным проводниками. Противофазным напряжением в симметричной или несимметричной системе называется напряжение между прямым и обратным проводниками. uпф(t) = u 1(t) – u 2(t). Противофазным током в несимметричной двухпроводной системе называется ток в прямом проводнике. iпф(t) = i 1(t). Противофазным током в симметричной двухпроводной системе называется среднее значение токов прямого и обратного проводников. iпф(t) = (i 1(t) + i 2(t))/2. Синфазным током в симметричной или несимметричной системе называется ток земли. iсф(t) = iз(t) = i 1(t) – i 2(t).
Синфазным напряжением в несимметричной двухпроводной системе называется потенциал обратного провода относительно земли. uсф(t) = u 2(t). Синфазным напряжением в симметричной двухпроводной системе называется потенциал средней точки между прямым и обратным проводом относительно земли. uсф(t) = (u 1(t)+u 2(t))/2. Для передачи полезного сигнала используется противофазное напряжение или противофазный ток. Противофазная помеха арифметически складывается с полезным сигналом, поэтому она является аддитивной. Синфазное напряжение и ток никогда не используются для передачи информации. Эти сигналы всегда являются следствием действия синфазной помехи. Если в системе передачи данных отсутствуют паразитные связи и не нарушена симметрия параметров, то синфазная помеха никак не будет влиять на передачу полезного сигнала. Эта помеха будет влиять только на условия электробезопасности.
Если в системе передачи данных нарушена симметрия параметров и имеются паразитные связи, то синфазная помеха обязательно будет преобразовываться в противофазный сигнал и будет поступать на вход приёмника вместе с полезным сигналом, поэтому в системах передачи данных выполняются мероприятия по борьбе с синфазными помехами. Прохождение противофазных и синфазных сигналов и помех по двухпроводным системам с учётом влияния земли Для описания прохождения этих сигналов изобразим схемы замещения симметричной и несимметричной системы.
- ЭДС полезного сигнала в начале линии. - ЭДС противофазной помехи в начале линии. - внутреннее сопротивление источника сигнала в начале линии. - сопротивление заземлителя средней точки в начале линии. - ЭДС синфазной помехи в начале линии. - длина линии или длина одного пролета схемы замещения. - индуктивность линии на единицу длины. - комплексное сопротивление приемника сигнала. - ЭДС противофазной помехи в конце линии. - ЭДС синфазной помехи в конце линии. - сопротивление заземлителя средней точки в конце линии. - частичная емкость связи прямого провода с землей на единицу длины. - частичная емкость связи обратного провода с землей на единицу длины. - частичная емкость связи между проводами на единицу длины.
На данной схеме показана симметричная система сопротивлений и ЭДС в начале и конце линии. Показана несимметрия емкостных параметров проводников. Эта несимметрия не может быть устранена ни какими техническими мерами. Любое нарушение симметрии параметров приводит к появлению противофазного напряжения на входе приемника, при действии любого источника синфазной помехи. Количественно этот эффект может быть выражен следующими показателями: 1. Коэффициент преобразования синфазного сигнала в противофазный. , при остальных источниках равных нулю. 2. Коэффициент синфазно-противофазного затухания. Данная схема не учитывает волновые эффекты при прохождении сигнала вдоль двухпроводной системы и может применяться, если l<λ/4. А более строго эта схема может применяться если l<λ/(π√ 8). Для учета волновых эффектов можно применять многопролетную схему замещения.
Несимметричная система.
Земля и масса. Заземлением – называется электрическое соединение проводящих и не токоведущих частей электроустановок с землей в целях обеспечения электробезопасности, для того чтобы снизить напряжение прикосновения к соответствующей части в случае внештатной ситуации (К. З. , пробои изоляции). Любая электрическая цепь не нуждается в заземлении, т. к. в ней уже имеются контуры для замыкания всех токов. Под массой в схемотехнике понимают общую систему опорного потенциала, по отношению к которой измеряются практически все напряжения. Это может быть общая шина, специальный провод опорного потенциала, корпус, нулевая точка. В двухпроводной системе это может быть обратный провод (несимметричная система), либо средняя точка (симметричная система). В трехфазных цепях это обычно нейтральный провод, в электронных схемах роль массы выполняют общие шины на печатных платах.
Масса может, но не обязательно должна иметь потенциал земли. Однако, как правило, массу в одной точке соединяют с землей, при помощи защитного провода. Существуют две топологически разные реализации массы: 1. Центральная точка массы со звездообразным проводом или без него. 2. Распределенная или поверхностная масс. Центральная масса может быть реализована двумя способами: 1. С помощью звездообразного провода. 2. В виде сборной схемы.
Если длина волны сравнима с геометрическими размерами системы, то применяется распределённая или поверхностная масса. Описание полезных сигналов и помех во временной и частотной области. Различают случайные и детерминированные сигналы. К последним относятся такие сигналы, для которых чётко известен закон изменения во времени. Математическое описание этого закона и есть представление сигнала во временной области. Если сигнал является случайным, то его нельзя непосредственно описать как функцию времени. Для таких сигналов определяются корреляционные функции, которые могут представляться чёткими функциями времени. Представлением сигналов в частотной области называется математическое описание их частотных спектров. Если детерминированный сигнал является периодическим, то его представление в частотной области сводится к простому разложению в ряд Фурье, то есть, к представлению в виде совокупности различных гармоник.
Если детерминированный сигнал не является периодическим, то его частотный спектр является непрерывной функцией частоты. Для того, чтобы получить частотный спектр непериодического сигнала, используется преобразование Фурье. Частотное представление случайных сигналов предполагает применение преобразования Фурье к корреляционным функциям. Полученные в этом случае функции частоты называются спектральной плотностью мощности. При частотном представлении детерминированного сигнала используется такое понятие, как комплексная спектральная плотность сигнала. Если у сигнала отсутствует периодическая составляющая, то преобразование Фурье можно рассматривать, как частный случай преобразования Лапласа. Преобразованием Лапласа называется преобразование вида: (1) Если нижний предел этого интеграла равен -∞, то данный интегральный оператор называется двусторонним преобразованием Лапласа. Существует и обратное преобразование Лапласа: (2)
В этих формулах s – это комплексная переменная, имеющая размерность времени в -1 степени, которое в радиотехнике называется комплексной частотой. Из (2) следует, что преобразование Лапласа раскладывает временной сигнал f(t) по экспоненциально возрастающим или экспоненциально затухающим синусоидальным колебаниям различных частот, но с одинаковым значением постоянной времени изменения амплитуды. Мнимая часть переменной s представляет собой циклическую частоту колебаний, модуль обратной величины действительной части переменной s представляет собой постоянную времени экспоненциального затухания или экспоненциального нарастания.
Преобразованием Фурье называется интегральный оператор вида: (3) Существует также обратное преобразование Фурье: (4) Из (4) следует, что преобразование Фурье раскладывает непериодический сигнал f(t) по незатухающим синусоидальным колебаниям различных частот. Функцию F(jω) называют комплексной спектральной плотностью сигнала f(t), иначе её называют комплексной спектральной характеристикой (КСХ), или амплитудно-фазовой спектральной характеристикой (АФСХ). Модуль функции |F(jω)|=F(ω) называется амплитудной спектральной характеристикой (АСХ). Аргумент КСХ arg(F(jω)) = ψ(ω) – фазовая спектральная характеристика (ФСХ). Re(F(jω))=FR(ω) – действительная спектральная характеристика сигнала f(t). Im(F(jω))=FI(ω) – мнимая спектральная характеристика. Если f(t) представляет собой напряжение, измеряемое в вольтах, то его комплексная спектральная плотность F(jω) будет представлять собой величину, измеряемую в , если ω – это частота, измеряемая в. При необходимости спектральные плотности могут пересчитываться на Гц, к. Гц и т. д.
Логарифмические параметры и характеристики полезных сигналов и помех. Уровень помех. Действующее значение логарифмическом масштабе. полезного сигнала Например, для напряжения или помехи можно выразить в , где Uд. Б – уровень напряжения в д. Б, U – действующее значение напряжения, U 0 – базовое значение напряжения, относительно которого определяются уровни. В технике ЭМС базовое значение напряжения принимается равным 1 мк. В. Для тока ; I 0= 1 мк. А. Цепные: ψд. Б – уровень магнитного потокосцепления. ; ψ0= 1 мк. Вб, ; q 0= 1 мк. Кл. Полевые сигнальные величины: ; E 0= 1 мк. В/м. Электрическое смещение: ; D 0= 1 мк. Кл/м 2. Магнитная индукция: ; B 0= 1 мк. Тл. Напряженность магнитного поля: Плотность тока: ; δ 0=1 мк. А/м 2. Энергетические величины: Мощность: ; P 0=1 п. Вт. ; H 0=1 мк. А/м.
Энергия: ; W 0=1 п. Дж. Полевые энергетические величины: Вектор Пойтинга: ; П 0=1 п. Вт/м 2. Объемная плотность мощности: ; p 0=1 п. Вт/м 3. ; w 0=1 п. Дж/м 3. Уровни полезных сигналов и помех могут выражаться не только в д. Б, но и в неперах. - для сигнальных величин, а для энергетических величин: . Амплитудная спектральная характеристика также может быть выражена в логарифмическом масштабе и может быть построена в виде графика; единицы измерения: д. Б и Нп. Стандартные частотные диапазоны. В логарифмическом масштабе ширина частотных диапазонов может измеряться в декадах и октавах. Весь диапазон неквантовых электромагнитных излучений условно разбит на 12 декад, каждая из которых имеет свое стандартное название.
1. Крайне низкие частоты (КНЧ) – это диапазон 3 – 30 Гц. Им соответствуют декамегаметровые волны (100 – 10)103 км. 2. Сверхнизкие частоты (СНЧ) 30 – 300 Гц. Им соответствуют мегаметровые волны (10 – 1)103 км. 3. Инфранизкие частоты (ИНЧ) 0, 3 – 3 к. Гц. Им соответствуют гектокилометровые волны (1000 – 100) км. 4. Очень низкие частоты (ОНЧ) 3 – 30 к. Гц. Мириаметровые волны (100 – 10) км. 5. Низкие частоты (НЧ) 30 – 300 к. Гц. Километровые волны (10 – 1) км. 6. Средние частоты (СЧ) 0, 3 – 3 МГц. Гектометровые волны (1000 – 100) м. 7. Высокие частоты (ВЧ) 3 – 30 МГц. Декаметровые волны (100 – 10) м. 8. Очень высокие частоты (ОВЧ) 30 – 300 МГц. Метровые волны (10 – 1) м. 9. Ультравысокие частоты (УВЧ) 0, 3 – 3 ГГц. Дециметровые волны (1 – 0, 1) м. 10. Сверхвысокие частоты (СВЧ) 3 – 30 ГГц. Сантиметровые волны (10 – 1) см. 11. Крайне высокие частоты (КВЧ) 30 – 300 ГГц. Миллиметровые волны (микроволны) (10 – 1) мм. 12. Гипервысокие частоты (ГВЧ) 0, 3 – 3 ТГц. Децимиллиметровые волны (1 – 0, 1) мм.
Краткие сведения о квантовых электромагнитных излучениях. Классификация этих излучений также производится по частотам. 1. Инфракрасное излучение 0, 75 – 395 ТГц (тепловое излучение). Это излучение генерируется внешними электронными оболочками атомов при переходе электронов с высокого энергетического уровня на низкий. Этот частотный диапазон частично перекрывается с гипервысокими частотами. 2. Оптическое излучение 395 – 757 ТГц. Является видимым, генерируется внешними электронными оболочками атомов при переходе электронов с более высокого энергетического уровня на более низкий. 3. Ультрафиолетовое излучение ≈750 – 1, 5· 105 ТГц. Различают мягкое и жесткое ультрафиолетовое излучение. Генерируется внешними электронными оболочками атомов. Ультрафиолетовое излучение обладает слабыми ионизирующими свойствами, особенно жесткое ультрафиолетовое излучение. 4. Рентгеновское излучение 1, 5· 105 – 5· 107 ТГц. Генерируется внутренними электронными оболочками атомов. Это излучение принципиально отличается от ультрафиолетового тем, что длина волны в вакууме сравнима с межатомным расстоянием в веществе, поэтому такие виды излучения уже не могут фокусироваться веществом, и не наблюдается эффекта преломления,
зато наблюдаются эффекты дифракции этих излучений на кристаллической решетке. Внутренние электронные оболочки атомов обычно возбуждаются при высоковольтных электрических разрядах в разреженных газах. Это приводит к тому, что вакуумные выключатели генерируют рентгеновское излучение при отключении. 5. Гамма-излучение >5· 107 ТГц. Энергия кванта излучения настолько большая, что оно уже не может генерироваться электронными оболочками атомов, а генерируется ядрами атомов при переходе нуклонов с высокого энергетического уровня на низкий. Существуют метастабильные возбуждённые состояния ядер атомов. В связи с этим существует радиоактивность типа «изомерный переход» . Гамма-излучение может также генерироваться при захвате электрона ядром. Гамма-излучение может также генерироваться в результате аннигиляции. В настоящее время существуют генераторы когерентных квантовых излучений. Их называют лазерами. Такие источники получают для инфракрасного, оптического и ультрафиолетового излучений. Для рентгеновского излучения существует 2 типа генераторов когерентных излучений:
1. Квантовый тип с ядерной накачкой. 2. Неквантовые генераторы рентгеновских излучений. Электроны разгоняются до высоких скоростей и направляются в специальный магнитный канал. Чтобы заставить их двигаться по криволинейной траектории, частота колебаний электронов соответствует рентгеновскому диапазону. Такие устройства называются ондуляторами. В настоящее время не получены генераторы когерентных гамма-излучений.
Раздел II. Характеристики и параметры источников помех. Искусственные источники помех можно разделить на 2 группы: внутренние источники помех в системе и внешние источники. Внутренние источники помех. Причиной внутренних помех являются взаимные влияния приборов или конструктивных элементов в системе. К внутренним источникам относятся: 1. Напряжение питания с частотой 50 Гц. 2. Изменение потенциала в сетевых проводах питания устройств электроники. 3. Изменение сигналов в проводах управления или линиях передачи данных. 4. Высокочастотные или низкочастотные тактовые сигналы. 5. Коммутационные процессы в индуктивностях.
При размыкании ключа ток в контуре должен измениться скачком. ЭДС самоиндукции в индуктивном элементе пропорционально скорости изменения тока. Следовательно, напряжение на индуктивном элементе пропорционально скорости изменения тока. Если ток изменяется скачком, то напряжение на индуктивном и коммутирующем элементе (u. S(t)) при размыкании контакта будет представлять собой дельта-импульс, то есть амплитуда импульса напряжения стремится к бесконечности. В реальных условиях эти 2 напряжения ограничиваются условиями пробоя диэлектрика при размыкании контакта и действиями паразитных параметров индуктивного элемента (межвитковая емкость). 6. Магнитные поля ходовых механизмов с накопителями энергии. 7. Искровые разряды при замыкании и размыкании контактов.
8. Резонансные явления при замыкании контактов. Источниками внутренних помех могут быть переходные сопротивления в контактах, шумы в активных и пассивных элементах. 9. Дрейф параметров элементов. 10. Разброс времени коммутации в логических устройствах. 11. Исчезновение сигналов при передаче. 12. Явления отражения в линиях. 13. Вибрации и микрофонный эффект в контактах. 14. Пьезоэлектрические смещения зарядов при сжатии и сгибах изоляции. . 15. Контактные напряжения, вызванные эффектами Зеебека, Пельтье, Томсона – до 40 мк. В/0 С. Внешние источники помех. Грозовой разряд. Приблизительно 2000 гроз существует одновременно на Земле, вызывая около 100 разрядов молний каждую секунду.
Атмосферные возмущения, вызываемые грозовой деятельностью, создают помехи радиосвязи и обостряют проблемы электромагнитной совместимости на объектах электроэнергетики. В среднем по Европе число грозовых дней в году составляет от 15 до 35. А число ударов молний, приходящихся на 1 км 2 площади за год, - от 1 до 5. Причем, первая цифра больше характерна для северных районов, а вторая – для южных. Энергия канала разряда составляет примерно 105 Дж/м. Она вызывает акустическое, термическое, световое и электромагнитное воздействие на окружающую среду. При этом могут происходить повреждения объектов (разрушения и пожары) при непосредственных ударах в объекты. С точки зрения интенсивности воздействия различают непосредственные или близкие удары и удаленные разряды. Если разряд удаленный, то на электротехническое устройство действует электромагнитный импульс молнии.
Амплитуда импульса Imax обычно находится в диапазоне от 2 до 200 к. А. Крутизна тока Заряд находится в пределах от 2 до 200 к. А/мкс. находится в районе 150 – 300 Кл. Энергетический интеграл находится диапазоне 2, 5 – 10 МДж/Ом.
Разряды статического электричества Явление статического электричества наблюдается обычно в диэлектриках. Если в диэлектрике химическая связь ионная, то из-за несовершенства структуры вещества количество положительных и отрицательных ионов в единице объема вещества не одинаково. Это означает, что практически любое диэлектрическое тело с ионной связью изначально обладает электрическим зарядом, вокруг которого существует электростатическое поле. В реальных условиях этот заряд обычно компенсируется зарядами из окружающей среды, которые осаждаются на поверхности диэлектрика. В результате, электростатическое поле вокруг такого тела отсутствует. Если в диэлектрике химическая связь ковалентная, то диэлектрик может обладать ненулевым электрическим дипольным моментом и, вследствие этого, создает вокруг себя электростатическое поле. В реальных условиях из окружающей среды на поверхности такого диэлектрика осаждаются компенсирующие заряды, таким образом, что электрическое поле вокруг такого тела становится равным нулю. Механическое взаимодействие тел может приводить к снятию компенсирующих зарядов с соответствующих поверхностей и появлению в окружающем пространстве электрического поля, которое может наводить помехи на входах электрических устройств. Это электрическое поле в некоторых случаях может привести к пробою диэлектрика (н − р, воздуха).
Разряды, связанные с этим пробоем, формируют в пространстве электромагнитные импульсы, которые также передают помехи. Полное внутреннее сопротивление источника от 1 до 30 к. Ом. Суммарная индуктивность пути разряда 0, 3 – 1, 5 мк. Гн. Емкость составляет от 100 до 300 п. Ф. Максимальное напряжение до 15 к. В. Максимальный ток импульса разряда до 30 А. Скорость нарастания тока от 2 до 35 А/нс. Примерная форма импульса тока Спектральная характеристика: при разряде электричества:
Классификация источников помех. Различают функциональные источники и нефункциональные. Функциональные источники – это радио- и телепередатчики, которые распространяют электромагнитные волны в окружающую среду в целях передачи информации. К этой группе относятся все устройства, которые излучают электромагнитные волны не для целей коммуникации, но для выполнения своей технической функции, например, генератор высокой частоты для промышленного или медицинского применения, микроволновые устройства радиоуправления. К нефункциональным источникам относятся автомобильные устройства зажигания, люминесцентные лампы, сварочное оборудование, релейные и защитные катушки, выпрямители тока, контактные и бесконтактные переключатели, проводные линии и компоненты электрических узлов, переговорные устройства, атмосферные разряды, коронные разряды в линиях, коммутационные процессы, разряды статического электричества, быстро меняющиеся токи и напряжения в лабораториях техники высоких напряжений. Различают также широкополосные и узкополосные источники помех. Широкополосные – это помехи, обладающие широким частотным спектром, а узкополосные – узким.
Источники узкополосных помех. К ним относятся передатчики связи: - коммерческие (радио с АМ и ЧМ, телевидение). - радиотелефоны. - спутник радиосвязи и наземная релейная радиостанция. - средства связи для навигации, локаторы. - генераторы высокой частоты для технологических и медицинских нужд. - сети электроснабжения. Источники широкополосных помех. К ним относятся: - автомобильные устройства зажигания. Эти устройства предназначены для формирования импульсов высокого напряжения, чтобы вызывать пробои воздуха и тем самым поджигать горючую смесь в двигателе внутреннего сгорания. Эти импульсы высокого напряжения формируются за счет коммутационных процессов в индуктивной катушке. Типичные плотности амплитуд помех по напряжённости электрического поля вблизи городских улиц за счёт источника помех лежат в пределах от -20 до +20 д. Б по отношению к микровольту на метр на килогерц (мк. В/м/к. Гц). Частота помехи достигает гигагерцового диапазона. - газоразрядные лампы.
При включении в стартере в лампе возникает тлеющий разряд, за счет чего выделяется тепло, деформируется биметаллический электрод, который замыкает цепь тока спирали накала обоих главных электродов люминесцентной лампы. Одновременно замкнутый контакт гасит тлеющий разряд в стартере. После охлаждения биметаллического электрода ключ стартера вновь размыкается. Разрыв приводит к возникновению на катушке индуктивности напряжения самоиндукции. Оно составляет несколько киловольт. Это напряжение зажигает между предварительно нагретыми главными электродами лампы газовый разряд. При последовательных прохождениях тока через нуль, разряд в лампе затухает, но затем периодически зажигается вновь при каждом полупериоде напряжения сети.
Люминесцентные лампы низкого напряжения создают помехи не только при включении вследствие появления первого или нескольких импульсов напряжения сравнительно большой амплитуды, но также при работе в результате периодических затуханий и новых зажиганий разряда, или после каждого прохождения тока через нуль при амплитуде напряжения в несколько сотен вольт. Помехи появляются преимущественно вдоль проводов питания ламп. Типичные значения содержания высших гармоник тока питания: 90% - 3 гармоника 75% - 5 гармоника 60% - 7 гармоника Коллекторные двигатели: Механизм возникновения высоковольтных импульсов напряжения здесь приблизительно такой же, как в устройствах автомобильного зажигания, то есть коммутационные процессы в индуктивных цепях. Воздействие линий высокого напряжения: На поверхности проводов фаз ВЛ высоких и сверхвысоких напряжений напряженность электрического поля в отдельных местах превышает значение электрической прочности воздуха. В результате этого происходят частичные разряды (импульсный ток). Следовательно, возникает импульсное поле.
Ещё одним источником помех являются искровые разряды между неплотно соединенными металлическими частями или между металлическими частями и поверхностями изоляторов. Спектры таких помех простираются до очень больших частот (ОВЧ→УВЧ) и вызывают помехи телевизионному вещанию. Помехи от воздушных линий высокого напряжения сильно зависят от погоды и формы верхней части опор. К источникам широкополосных переходных помех относятся разряды статического электричества, коммутационные процессы в индуктивных цепях, переходные процессы в сетях низкого и высокого напряжения. К этому же классу помех относятся электромагнитный импульс молнии и электромагнитный импульс ядерного взрыва. Электромагнитный импульс ядерного взрыва. Как и при ударах молнии, при взрыве в кабельных и воздушных линиях индуцируются очень высокие напряжения, которые вследствие гораздо большей скорости изменения не могут быть снижены обычными разрядниками. В этом случае могут помочь лишь защитные мероприятия, заключающиеся в использовании параллельного включения ограничивающих перенапряжение элементов, основанных на различных физических принципах. Помочь может также тщательное высокочастотное экранирование и переход на оптический способ передачи информации.
Для защиты от электромагнитного импульса ядерного взрыва требуются защитные устройства, обладающие более высоким быстродействием, чем устройства для защиты от электромагнитного импульса молнии. 1) Молния: Тr=10 мкс, τ=350 мкс; f 1=0, 3 к. Гц, f 2=80 к. Гц; A=100 к. А; B=50 A/Гц 2) Ядерный взрыв: Тr=5 нс, τ=200 нс; f 1=640 к. Гц, f 2=76 МГц; A=50 B/м; B=0. 0135 B/м/Гц.
Раздел III. Каналы передачи помех. Гальваническая связь возникает, если некоторое полное сопротивление оказывается общим для двух или нескольких контуров. Различают гальваническую связь рабочих контуров через цепь общего питания от одного источника и гальваническую связь между рабочими контурами через контур заземления. Для любой линейной электрической цепи справедливо матричное уравнение относительно контурных токов. Будем считать, что ветви связи – это ветви с приемниками электрического сигнала, а ветви дерева – все остальные ветви (масса и т. д. ). Наличие общего сопротивления контуров приводит к появлению внедиагональных членов матрицы [Z(к)]. Каждый внедиагональный член этой матрицы является коэффициентом передачи от изменения тока в одном из контуров к изменению напряжения в другом контуре.
Напряжение помехи формируется при изменении тока в другом рабочем контуре или в контуре заземления. Для снижения гальванических влияний требуется либо гальваническая развязка контуров, либо снижение до допустимого значения общего сопротивления контуров. Пусть имеется 1 источник сигнала и несколько приемников, соединенных с источником одной двухпроводной линией. В этом случае общее сопротивление контуров, образованных в каждом из приемников, равно: Если для передачи сигнала к каждому приемнику использовать отдельную линию, то общее сопротивление рабочих контуров будет уменьшаться.
В этом случае общее сопротивление рабочих контуров: . То есть сопротивления проводов линии не будут участвовать в гальванической передаче помех от одного рабочего контура к другому. Через контур заземления чаще всего распространяется синфазная помеха, для борьбы с распространением которой часто применяется гальваническая развязка. Для уменьшения гальванического влияния через общую линию в некоторых случаях применяются меры для снижения индуктивности линии.
Ёмкостная связь. Если между двумя проводниками имеется переменное напряжение, то в диэлектрике (в изоляции) существует переменное электрическое поле. Вектор электрического смещения изменяется во времени. Отсюда, через изоляцию протекает ток смещения, который может служить причиной передачи электромагнитной помехи от одного канала связи к другому. Пусть имеется многопроводная система. На схеме замещения токи смещения между проводниками можно смоделировать частичными ёмкостями связи. С точки зрения передачи помех, ёмкостная связь проявляется аналогично гальванической связи между различными сечениями электрической цепи через общие проводимости, в которые вносят вклад емкостные проводимости частичных емкостей связи. Здесь отличие от гальванической связи заключается в том, что ёмкостная проводимость носит чисто реактивный характер, и она пропорциональна частоте, поэтому емкостная связь, в основном, проявляется между проводниками с достаточно высоким напряжением и на достаточно высокой частоте.
Основным средством борьбы с емкостной связью является электростатическое экранирование. Здесь ток смещения закорачивается через экран и, в результате, проходит мимо приемника. Индуктивная связь Иначе эту связь называют магнитной. Она возникает между двумя или несколькими контурами, или индуктивно связанными элементами. Два контура электрической цепи называются индуктивно связанными, если ток первого контура вызывает потокосцепление во втором контуре, а скорость изменения тока в первом контуре вызывает появление ЭДС электромагнитной индукции во втором контуре.
Последняя система уравнений показывает, что индуктивная связь между двумя контурами проявляется аналогично гальванической связи между контурами. Здесь роль общего сопротивления выполняет сопротивление индуктивной связи Zм=jωM. Отличие заключается в том, что это сопротивление всегда носит реактивный характер и пропорционально частоте, поэтому индуктивная связь чаще всего проявляется на высокой частоте. Многопроводные системы с электромагнитной связью Многопроводной системой называют либо одну многопроводную линию связи или электропередачи, либо коридор многопроводных линий, между которыми имеестя емкостная и индуктивная связь, которой нельзя пренебречь. Пусть имеется многопроводная система, состоящая из (п+1) проводников:
Для описания текущего электрического состояния данные многопроводные системы в некотором контрольном сечении достаточно знать п напряжений и п токов. Здесь все напряжения будем отсчитвать относительно последнего провода, этот провод будем считать общим. Остальные провода будем считать сигнальными. Если пренебречь поверхностным эффектом и эффектом близости в проводниках, а также диэлектрическими и магнитными потерями в изоляции, то всю совокупность электромагнитных процессов в этой системе можно описать системой телеграфных уравнений в матричной форме: (1)
Здесь обозначено - матрица-столбец мгновенных значений напряжений между сигнальными проводниками и общим проводником в контрольном сечении системы с координатой x, размер матрицы. - матрица-столбец мгновенных значений токов сигнальных проводников в контрольном сечении, размер матрицы. - квадратная матрица сопротивлений на единицу длины петель, образуемых каждым сигнальным проводом и общим проводом, размер матрицы , . На главной диагонали здесь стоит сопротивление на единицу длины этих петель, а вне главной диагонали везде стоит сопротивление общего провода на единицу длины. - квадратная матрица собственных и взаимных индуктивностей на единицу длины контуров, образованных каждым сигнальным проводом и общим проводом. На главной диагонали находятся собственные индуктивности, вне главной диагонали находятся взаимные индуктивности, . - квадратная матрица коэффициентов проводимостей утечки между проводниками, размер матрицы , . - квадратная матрица емкостных коэффициентов системы проводников с учетом влияния общего проводника, . На главной диагонали находятся положительные значения, а вне отрицательные.
Для решения такой системы уравнений (1) с учетом свойств источников и приёмников сигналов требуется вычислительная техника и программное обеспечение для решения задач математической физики. Для упрощения модели электромагнитного процесса многопроводной системы уравнение (1) можно записать в пространственно- частотной форме. (2) Такое преобразование исключает из системы уравнений время. Система (2) – это система комплекснозначных обыкновенных дифференциальных уравнений. - матрица-столбец комплексных действующих значений напряжений сигнальных проводников в контрольном сечении. - матрица-столбец комплексных действующих значений токов сигнальных проводников в контрольном сечении. Система уравнений (2) справедлива в том случае, когда токи и напряжения в многопроводниковой системе изменяются по синусоидальному закону с одной и той же фиксированной частотой ω.
Если токи и напряжения изменяются не по синусоидальному закону, то столбцовую матрицу и нужно рассматривать как комплексные спектральные плотности соответствующих напряжений и токов. В системе (2) в правой части и можно вынести за скобку, тогда получим: (3) Здесь обозначено - квадратная матрица продольных комплексных сопротивлений многопроводной системы. - квадратная матрица поперечных комплексных проводимостей многопроводной системы. Для решения системы уравнений (3) её надо дополнить граничными условиями, описывающими свойства источников сигналов, подключенных к началу линии и приемников сигналов, подключенных к концу линии. Если известны комплексные действующие значения токов и напряжений в начале линии, то систему уравнений (3) можно решить аналитически, если свойства всех подключенных элементов линейные.
Систему уравнений (3) можно представить в блочно-матричной форме: (4) Общий вид решения уравнения (4) записывается следующим образом: (5) - матрица-столбец комплексных действующих значений напряжений в начале линий. - матрица-столбец комплексных действующих значений токов в начале всех линий. - матричная экспонента. Решение (5) может быть использовано для получения уравнения связи между токами и напряжениями в начале и в конце многопроводной системы:
(6) l - длина многопроводной системы. 1 соответствует началу всех линий, 2 соответствует концу всех линий. Уравнение (2) и все остальные соотношения до (6) в пространственночастотной форме при необходимости могут учесть также поверхностный эффект и эффект близости в проводниках, а также диэлектрические и магнитные потери в изоляции. Решение (6) позволяет практически рассчитать установившиеся и переходные электромагнитные процессы в многопроводных системах и разветвлённых сетях на их основе с учётом всех электромагнитных связей между проводниками. Связь электромагнитным излучением Любой контур электрической цепи может выполнять роль магнитного излучателя, так как он обладает магнитным дипольным моментом. Любое сечение электрической цепи может выполнять роль электрического излучателя, так как оно обладает электрическим дипольным моментом.
Из теории электромагнитного поля известно, что распределение электродинамических потенциалов вокруг элементарного электрического излучателя описывается следующими формулами: (1) (2) - комплексное действующее значение вектора дипольного момента. Формулы (1) и (2) записываются для случая, когда точка наблюдения (точка приемника сигнала) находится в вакууме и сам излучатель находится в вакууме, а вблизи этой системы отсутствуют другие вещественные тела. Распределение вектора магнитного потенциала вокруг элементарного магнитного излучателя описывается формулой: (3) - циклическая пространственная частота электромагнитной волны вокруг излучателя, λ – длина волны, , где с – скорость света в вакууме, f – частота тока в излучателе. - комплексное действующее значение вектора магнитного дипольного момента излучателя.
Из формул (2) и (3) видно, что электромагнитное поле вокруг излучателей имеет две составляющие: - консервативную - волновую. С ростом расстояния от излучателя до точки наблюдения консервативная составляющая убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, а волновая составляющая убывает обратно пропорционально первой степени расстояния. В связи с этим можно выделить три зоны излучения: 1) Ближняя зона. Здесь волновой составляющей поля можно пренебречь, наблюдается в основном консервативная составляющая. Если излучатель электрический, то эта составляющая поля по своим свойствам близка к электростатическому полю. Если это магнитный излучатель, то данная составляющая поля по своим свойствам близка к магнитостатическому полю. В ближней зоне излучения связь между источником и приемником в случае электрического излучателя носит ёмкостный характер, а в случае магнитного излучателя она носит индуктивный характер. 2) Дальняя зона. В ней консервативной составляющей поля можно пренебречь, в основном действует только волновая составляющая. 3) Средняя зона излучения. Здесь нельзя пренебречь ни волновой, ни консервативной составляющей. Через электродинамические потенциалы можно выразить векторы электромагнитного поля:
Отношение комплексной напряженности электрического поля к комплексной напряженности магнитного поля называется волновым сопротивлением электромагнитного поля. Волновое сопротивление среды равно квадратному корню отношения абсолютной магнитной проницаемости среды к абсолютной диэлектрической проницаемости среды. , для вакуума . Волновое сопротивление поля зависит от расстояния от точки наблюдения (точки приемника) до точки источника. В дальней зоне излучения независимо от типа излучателя волновое сопротивление поля стремится к волновому сопротивлению среды. В этом случае напряженность электрического поля и напряженность магнитного поля направлены в пространстве перпендикулярно другу и перпендикулярно направлению распространения волны. Если электромагнитная волна распространяется в вакууме, то начальные фазы векторов и совпадают. Отношение к будет постоянной величиной, равной сопротивлению среды.
Волновое сопротивление поля электрического и магнитного излучателей. Синий – электрический; красный – магнитный. Zvak = 376. 73 Ом. Граница ближней зоны – lambda/pi/sqrt(8).
Синий цвет показывает зависимость волнового сопротивления поля от расстояния между источником и приемником в случае электрического излучателя. Красным показана та же зависимость в случае магнитного излучателя. - волновое сопротивление вакуума. В логарифмическом масштабе по горизонтальной оси обозначено , по вертикальной - волновое сопротивление поля в Ом. Если излучатель электрический, то в ближней зоне излучения волновое сопротивление поля больше волнового сопротивления вакуума. Здесь преобладает электрическое поле. В этом случае поле близко к электростатическому. Такие электромагнитные поля в технике электромагнитной совместимости называют высокоимпедансными. Когда расстояние между источником и приемником становится равным , волновое сопротивление поля становится равным волновому сопротивлению вакуума, а это и есть граница ближней зоны излучения. С ростом расстояния волновое сопротивление поля уменьшается и на некотором расстоянии достигает минимума.
В средней зоне излучения электромагнитное поле электрического излучателя является низкоимпедансным, то есть преобладает магнитная составляющая поля. Когда расстояние между источником и приемником достигает примерно волновое сопротивление поля становится равным волновому сопротивлению вакуума и дальше практически не изменяется с ростом расстояния. Это дальняя зона излучения. Если излучатель магнитный, то в ближней зоне излучения волновое сопротивление поля меньше волнового сопротивления вакуума. Здесь преобладает магнитная составляющая поля и по своим свойствам поле близко к магнитостатическому. Такие поля называются низкоимпедансными в технике электромагнитной совместимости. Когда расстояние между источником и приёмником достигает , волновое сопротивление поля становится точно равным волновому сопротивлению вакуума (среды). Далее с ростом расстояния волновое сопротивление поля увеличивается и становится больше волнового сопротивления вакуума. Поле становится высокоимпедансным, то есть в этом случае преобладает электрическая составляющая поля.
Когда расстояние доходит до , волновое сопротивление становится примерно равным волновому сопротивлению вакуума и далее практически не зависит от расстояния. Описанный характер зависимости волнового сопротивления поля от расстояния между источником и приёмником нужно учитывать при выборе средств защиты приёмника от помех, передаваемых электромагнитным излучением. В ближней зоне излучения связь между электрическим излучателем и приёмником носит преимущественно емкостной характер, а связь между магнитным излучателем и приёмником носит преимущественно индуктивный характер.
Раздел IV Пассивные устройства обеспечения электромагнитной совместимости. К таким устройствам относятся фильтры, устройства защиты от перенапряжений, устройства гальванической развязки и подавления синфазных сигналов, а также экраны. Частотные фильтры. Классификация фильтров Если спектры полезных сигналов и помех заметно отличаются друг от друга (примерно на одну октаву), то для защиты от помех и помехоподавления можно использовать пассивные фильтры. Все фильтры классифицируются по следующим признакам: 1. по виду частотной характеристики, 2. по схемной реализации, 3. по элементной базе, 4. по способу обработки сигналов, 5. по наличию источника питания. По виду частотной характеристики различают фильтры низких частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые фильтры (ПФ), заградительные (ЗФ), или режекторные фильтры и многополосные фильтры (МФ).
Непрерывная частотная область, в которой сигнал легко проходит со входа на выход, называется полосой пропускания. Непрерывная частотная область, в которой сигнал практически не проходит на выход, называется полосой задерживания. Между полосами пропускания и полосами задерживания имеются промежуточные полосы, в которых как правило коэффициент затухания сигнала не нормируется. ФНЧ имеет одну полосу пропускания. - частота среза, является полосой задерживания. ФВЧ имеет одну полосу пропускания , является полосой задерживания. ПФ имеет одну полосу пропускания , - нижняя граница полосы пропускания, - верхняя граница полосы пропускания, полосы частот , являются полосами задерживания. ЗФ имеет одну полосу задерживания , а частотные области и являются полосами пропускания. Многополосный фильтр имеет несколько полос пропускания и полос задерживания. По схемной реализации различают Г-образные, Т-образные, П-образные, О -образные и мостовые фильтры.
Пример: Г-образный фильтр на примере ФНЧ Эта схема применима, когда сопротивление источника сигнала мало, а сопротивление приемника сигнала велико. Или Эта схема применяется, когда сопротивление источника велико, а сопротивление приемника мало.
Т-образный фильтр Схема применяется, когда сопротивление приемника и источника неизвестно, но предположительно мало. П-образный фильтр Такие фильтры применяются, когда сопротивление источника и приемника неизвестно, но предположительно мало. По элементной базе различают емкостные фильтры, индуктивные фильтры, RC −, RL − , LC − , RLC − фильтры, электронные фильтры и трансформаторные фильтры.
По способу обработки сигналов различают аналоговые и цифровые фильтры. По наличию источника питания различают пассивные и активные фильтры. Аналоговые фильтры могут быть активными и пассивными, а цифровые бывают только активными. Все фильтры являются частными случаями многополюсников в электрической цепи, а в простейшем случае - четырехполюсников. Если фильтр пассивный, то для анализа его работы используются характеристические параметры: - характеристическое сопротивление; - постоянная передачи. Четырехполюсник, а значит и фильтр, называется симметричным, если при взаимной замене первичных зажимов вторичными характер передачи сигнала со входа на выход не меняется при любом сопротивлении нагрузки.
Характеристическим (повторным) сопротивлением четырехполюсника (фильтра) называется такое комплексное сопротивление, которое будучи присоединенным ко вторичным зажимам четырехполюсника, обуславливает его входное сопротивление относительно первичных зажимов равное сопротивлению нагрузки. Если симметричный четырехполюсник (фильтр) нагружен на характеристическое сопротивление, то говорят, что он работает в режиме согласованной нагрузки. Если симметричный фильтр работает в согласованном режиме, то у него комплексный коэффициент передачи напряжения равен комплексному коэффициенту передачи тока. g − постоянная передачи симметричного фильтра. g = a + jb.
![Действительная часть постоянной передачи a называется коэффициентом затухания фильтра [Нп], b называется коэффициентом фазы](https://present5.com/presentation/94831151_147724637/image-69.jpg "Действительная часть постоянной передачи a называется коэффициентом затухания фильтра [Нп], b называется коэффициентом фазы")
Действительная часть постоянной передачи a называется коэффициентом затухания фильтра [Нп], b называется коэффициентом фазы [рад]. Коэффициент фазы b показывает на какой угол выходное напряжение и выходной ток отстают по фазе от входного напряжения и входного тока в режиме согласованной нагрузки. Несимметричный фильтр имеет два характеристических сопротивления и. Если к вторичным зажимам такого фильтра подключить сопротивление , то его входное сопротивление относительно первичных зажимов будет равно. Если сопротивление подключено к первичным зажимам фильтра, то его входное сопротивление относительно вторичных зажимов будет равно. Если несимметричный фильтр получает входной сигнал через первичные зажимы и к вторичным зажимам подключено сопротивление , то говорят, что он работает в режиме согласованной нагрузки при питании со стороны первичных зажимов. Если фильтр получает входной сигнал через вторичные зажимы, а к первичным зажимам подключено сопротивление , то говорят, что фильтр работает в режиме согласованной нагрузки при питании со стороны вторичных зажимов.
Если фильтр работает в согласованном режиме, то справедливы соотношения Все пассивные фильтры наиболее эффективно выполняют свои функции, если они работают в режиме согласованной нагрузки. В широком диапазоне частот обеспечить режим согласованной нагрузки невозможно так как частотные зависимости характеристических сопротивлений имеют более сложный вид, чем частотные характеристики линейных динамических звеньев с сосредоточенными параметрами. В этих случаях предусматривается работа фильтра на резистивную нагрузку с сопротивлением близким к характеристическому на некоторой характерной частоте вблизи середины полосы пропускания фильтра. В этих случаях частотные характеристики коэффициента передачи напряжения и тока не совпадают, в этом случае под коэффициентом затухания понимается логарифм модуля величины обратной коэффициенту передачи сигнала.
Под коэффициентом фазы понимается аргумент комплексного коэффициента передачи сигнала с противоположным знаком. Здесь коэффициент фазы показывает, на какой угол выходной сигнал отстает по фазе от входного при работе фильтра на некоторую стандартную резистивную нагрузку. Фильтр или любой другой четырехполюсник обеспечивает неискаженную передачу сигнала, если в полосе пропускания коэффициент затухания не зависит от частоты, а коэффициент фазы в этой полосе пропорционален частоте. В связи с этим, при анализе работы фильтров применяют такие понятия как фазовое время задержки сигналов (ФВЗ) и групповое время задержки сигналов (ГВЗ). Фильтр обеспечивает неискаженную передачу сигнала, если в полосе пропускания коэффициент затухания, фазовое и групповое время задержки не зависят от частоты. В связи с этим, в технических заданиях на проектирование фильтров, а также технических условиях нормируются следующие показатели качества фильтров:
![1. Неравномерность коэффициента затухания в полосе пропускания [д. Б]. 2. Минимальный коэффициент затухания в](https://present5.com/presentation/94831151_147724637/image-72.jpg "1. Неравномерность коэффициента затухания в полосе пропускания [д. Б]. 2. Минимальный коэффициент затухания в")
1. Неравномерность коэффициента затухания в полосе пропускания [д. Б]. 2. Минимальный коэффициент затухания в полосе задерживания. 3. Неравномерность ФВЗ или ГВЗ в полосе пропускания. ; . Вне полосы пропускания неравномерность ФВЗ и ГФЗ не нормируются. В промежуточной полосе фильтров неравномерность коэффициентов затухания и сам коэффициент затухания не нормируются. Вне полосы пропускания может нормироваться кривизна АЧХ [д. Б на декаду]. Краткие сведения об активных фильтрах. Активные фильтры реализуются на усилительных каскадах. Если по своим свойствам усилитель близок к идеальному усилителю напряжения, то его входное сопротивление независимо от нагрузки стремится к бесконечности, а выходное сопротивление независимо от сопротивления источника сигнала стремится к нулю. В этом случае определение характеристических параметров усилительного каскада не требуется, а частотные свойства фильтра можно полностью характеризовать комплексной частотной характеристикой передачи сигнала со входа на выход. Такие фильтры можно считать частным случаем обычных динамических звеньев. Для их синтеза и проектирования можно использовать передаточные функции. Для синтеза активных фильтров существует математическое ПО.
Например: Filter Design Toolbox MATLAB Signal Processing Toolbox MATLAB Filter Design Blocset for Simulink Labview Если активный фильтр цифровой, то для его синтеза и проектирования используются дискретные передаточные функции (z-преобразование). Устройства гальванической развязки и подавления синфазных сигналов. Разделительные трансформаторы.
Гальваническая развязка первичной и вторичной цепи осуществляется за счет индуктивной связи между обмотками. Качество гальванической развязки может быть снижено за счет токов утечки в изоляции проводов и за счет паразитных емкостей связи между обмотками. Разделительный трансформатор нормально выполняет свою функцию на достаточно низких частотах, на которых токами смещения между обмотками можно пренебречь. Разделительный трансформатор подавляет синфазное напряжение при передаче сигнала со входа на выход. Нейтрализующие трансформаторы. За счет индуктивной связи между обмотками создается эффект, при котором полное сопротивление этого трансформатора противофазному току оказывается во много раз меньше полного сопротивления синфазному току. - комплексное сопротивление синфазному току. , чаще всего.
Если коэффициент индуктивной связи обмоток стремится к единице при , то реактивная составляющая комплексного сопротивления противофазному току стремится к нулю. При , . Нейтрализующий трансформатор подавляет синфазный ток в двухпроводной системе передачи сигнала. В некоторых случаях для подавления синфазного тока на двухпроводную линию передачи сигнала нанизывают ферритовые бусы. Такое нанизывание эквивалентно применению нейтрализующего трансформатора.
Оптронные пары. Они представляют собой пары светодиод-фотодиод или светодиодфототранзистор. При протекании тока светодиод излучает либо инфракрасное, либо оптическое излучение, которое улавливается фотодиодом, на зажимах которого наводится фото-ЭДС. Эта ЭДС вызывает напряжение на приёмнике сигнала. Оптронные пары обеспечивают гальваническую развязку более высокого качества, чем разделительные трансформаторы. Недостатки: 1. Оптронная пара – это невзаимный элемент электрической цепи, поэтому невозможна обратная передача информации. 2. Связь между входным сигналом и выходным сигналом как правило существенно нелинейная, поэтому большинство оптронных пар непригодны для передачи аналоговых сигналов. В основном они пригодны только для импульсных логических сигналов.
3. Фото ЭДС, наводимая в фотодиоде, имеет очень маленькое значение, поэтому требуется усиление сигнала перед подачей на вход приемника. Это может приводить к появлению гальванической связи между источником и приемником через цепь питания усилителя. Существует также другой тип оптронных пар, это светодиоды и фототранзисторы. Последние осуществляют не только преобразование оптического сигнала в электрический, но и усиливают электрический сигнал по мощности. Однако, фототранзисторы требуют применения источника питания, через цепь питания которого может появляться гальваническая связь между источником и приемником сигнала. В некоторых случаях можно избежать гальванической связи через цепи питания, если каждая оптронная пара будет питаться от отдельного источника, и если между этими источниками отсутствует гальваническая связь. Отдельные источники питания могут быть получены за счет применения многообмоточных трансформаторов в блоках питания электронной аппаратуры. Применение волоконно-оптических линий. Переход от электрических сигналов на оптические при передаче информации дает следующие преимущества:
1. Оптоволокно обладает более широкой полосой пропускания сигналов. Ширина полосы достигает примерно 2 ГГц (без применения дополнительных технических средств). Широкая полоса пропускания обуславливает большое быстродействие передачи информации. 2. В волоконно-оптических линиях отсутствуют синфазные сигналы. 3. Волоконно-оптические линии обеспечивают наиболее надёжную гальваническую развязку. Дифференциальные усилители. На выходе идеального дифференциального пропорционален разности входных сигналов. . усилителя сигнал
Если на оба входа такого усилителя подать одинаковый сигнал, то на выходе получим сигнал равный нулю. Однако, из-за не идеальности исполнения электронных компонентов, на выход все равно проходит конечный электрический сигнал. При . - коэффициент передачи синфазного сигнала. Отношение коэффициента усиления k к kсф коэффициенту передачи синфазного сигнала называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала. Если этот коэффициент выразить в логарифмическом масштабе, то он будет назваться коэффициентом подавления синфазного сигнала.
Трансформатор с объемным витком связи. На рисунке схематично изображена электромагнитная система такого трансформатора.
1 – торроидальное ферритовое кольцо для первичной обмотки; 2 – первичная обмотка; 3 - торроидальное ферритовое кольцо для вторичной обмотки; 4 – вторичная обмотка; 5 – электропроводящая шпилька; 6 – электропроводящая торцевая крышка; 7 – стягивающая гайка; 8 – электропроводящая перегородка, разъединяющая области обмотки; 9 – цилиндрическая электропроводящая обойма. Соединение деталей 5, 6, 7, 8 и 9 пропаивается. Для ввода и вывода сигнала первичной и вторичной обмоток трансформаторов в крышке 6 имеется отверстие. Детали 5, 6, 7, 8 и 9 образуют объемный виток связи между ферритовыми кольцами. Первичная и вторичная обмотки не имеют непосредственной индуктивной связи как в обычных трансформаторах, но каждая из них индуктивно связана с объемным витком. Рассмотрим принцип работы трансформатора:
Переменный ток в первичной обмотке наводит переменный магнитный поток в ферритовом кольце 1, который в свою очередь наводит ЭДС в объемном витке, под действием которой там притекает переменный электрический ток, наводящий магнитный поток в ферритовом кольце 3, который в свою очередь наводит ЭДС во вторичной обмотке. Трансформатор с объемным витком связи обеспечивает лучшую гальваническую развязку первичной и вторичной цепи, чем обычный разделительный трансформатор за счет существенного уменьшения емкостной связи между обмотками. Перегородка 8 служит для дополнительного уменьшения ёмкостной связи между обмотками за счёт закорачивания токов смещения на объемный виток. Полоса пропускания такого трансформатора может оказаться примерно на две декады больше, чем у обычного разделительного трансформатора.
Экранирование Краткая классификация электромагнитных полей, воздействующих на электронную аппаратуру и персонал Электростатическое поле – это постоянное электрическое поле неподвижных электрических зарядов. Волновое сопротивление таких полей равно бесконечности. С помощью такого поля передается емкостная связь. Магнитостатическое поле – это постоянное магнитное поле вызванное действием постоянных токов и постоянных магнитов. Волновое сопротивление такого поля равно нулю. С помощью такого поля передается индуктивная связь.
Постоянное электрическое поле в проводящей среде существует в проводниках, полупроводниках и несовершенных изолированных средах. В диэлектриках оно не существует и может воздействовать на биологические объекты только прикосновении к проводящим деталям или материалам, находящимся под напряжением. С помощью такого поля передается гальваническая связь. Квазистатическим называют переменное электромагнитное поле, в котором волновой составляющей можно пренебречь. В основном присутствует консервативная составляющая. Существовать эти поля могут в любых средах (проводящей или не проводящей). Переменным электрическим полем называется изменяющееся во времени электрическое поле, в котором можно пренебречь волновой составляющей. Волновое сопротивление таких полей больше волнового сопротивления среды. Переменное электрическое поле и электростатическое поле называются высокоимпедансными. Переменное магнитное поле – это изменяющееся во времени магнитное поле, в котором волновой составляющей можно пренебречь. Волновое сопротивление такого поля меньше волнового сопротивления среды. Переменное магнитное поле и магнитостатическое поле относятся к низкоимпедансным полям.
В квазистатических полях всегда можно пренебречь магнитной составляющей, вызванной токами смещения. Квазистатическое поле существует в ближней зоне излучения. Волновые поля можно считать общими случаями переменных электромагнитных полей, в которых нельзя пренебречь волновой составляющей. Они существуют во всех зонах излучения, но преимущественно в средней и дальней зонах. Данная классификация электромагнитных полей обуславливает выбор типов экранов для защиты электронного оборудования и биологических объектов от их воздействия. Краткая классификация экранов по виду подавляемых электромагнитных полей. Существуют электростатические, магнитные и электромагнитные экраны. Электростатические экраны представляют собой полые изделия либо из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью, либо из проводника. Эти экраны предназначены для защиты некоторой области пространства от воздействия высокоимпедансных полей.
Принцип действия электростатических экранов. Если стенка экрана изготовлена из диэлектрика, то внутри стенок будет концентрироваться распределение вектора электрического смещения. За счет этого будет уменьшаться электрическое напряжение между точками внутри полости, если источник воздействующего поля находится вне полости. Если стенка экрана изготовлена из проводника, то при проникновении в нее электрического поля там начинают протекать электрические токи. Если на экран воздействует постоянное электрическое поле со стороны окружающего диэлектрика, то оно не может проникнуть вглубь материала экрана, и все точки материала экрана будут иметь равный скалярный электрический потенциал. В этом случае можно приближенно считать, что экран изготовлен из диэлектрика с диэлектрической проницаемостью, стремящейся к бесконечности.
Если стенка экрана не имеет щелей, то полость экрана оказывается полностью защищённой от воздействия постоянного электрического поля. Возможно незначительное проникновение переменного электрического поля внутрь полости. Электростатические экраны, изготовленные из проводника, обычно заземляются в одной точке. Магнитные экраны представляют собой полые изделия из ферромагнитного материала. Эти экраны предназначены для защиты некоторой области пространства от воздействия низкоимпедансных полей. Стенка экрана концентрирует распределение магнитной индукции, за счёт этого происходит магнитное шунтирование полости, если источник действует вне полости.
Это шунтирование приводит к уменьшению магнитного напряжения между точками внутри полости. Электромагнитные экраны представляют собой полые изделия из электропроводящего материала. Там могут также применяться диэлектрики и магнитные материалы с высоким значением тангенса угла диэлектрических и магнитных потерь. Принцип действия основан на том, что под действием переменного магнитного поля в материале экрана наводятся вихревые токи, магнитный момент которых направлен против скорости изменения магнитной индукции. Ослабление электромагнитного поля в полости может быть также обусловлено диэлектрическими и магнитными потерями в материале экрана. Электромагнитные экраны предназначены для защиты некоторой области пространства от воздействия переменных электромагнитных полей. Такие экраны могут заземляться или не заземляться в одной точке. Если на некоторую область пространства воздействует волновое электромагнитное поле, то при выборе типа экрана следует учитывать свойства электромагнитных волн: их способность отражаться от различных неоднородностей, в том числе и от стенок экранов; следует учитывать также интерференцию и дифракцию этих волн. Эти физические явления могут приводить к усилению электромагнитного поля в некоторых областях. Для уменьшения этих эффектов в электромагнитных экранах применяются диссипативные материалы, то есть материалы с высоким тангенсом угла диэлектрических и магнитных потерь.
Скачать презентацию Электромагнитная совместимость в электроэнергетике шифр по учебному плану
эмс.ppt