Главная страница
Навигация по странице:

  • Межсистемные

  • Экономические аспекты ЭМС

  • Понятие об электромагнитной обстановке на объектах электроэнергетики Электромагнитные помехи

  • Электромагнитная обстановка

  • Испытательная помеха

  • Чувствительный к помехам элемент

  • Краткая характеристика естественных и искусственных источников помех Естественные

  • Противофазные и синфазные сигналы и помехи

  • Противофазным напряжением

  • Противофазным током в несимметричной двухпроводной системе

  • Синфазным напряжением в несимметричной двухпроводной системе

  • Синфазным напряжением в симметричной двухпроводной системе

  • Прохождение противофазных и синфазных сигналов и помех по двухпроводным системам с учётом влияния земли

  • Земля и масса Заземлением

  • Описание полезных сигналов и помех во временной и частотной области

  • Стандартные частотные диапазоны.

  • Краткие сведения о квантовых электромагнитных излучениях

  • Лекции ЭМС. Общие вопросы электромагнитной совместимости Основные понятия электромагнитной совместимости (эмс) эмс


    Скачать 3.34 Mb.
    НазваниеОбщие вопросы электромагнитной совместимости Основные понятия электромагнитной совместимости (эмс) эмс
    АнкорЛекции ЭМС.doc
    Дата22.04.2017
    Размер3.34 Mb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлаЛекции ЭМС.doc
    ТипДокументы
    #1464
    страница1 из 4
      1   2   3   4

    Раздел 1. Общие вопросы электромагнитной совместимости

    Основные понятия электромагнитной совместимости (ЭМС)

    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 0870определяет ЭМС, как «способность электротехнического устройства удовлетворительно функционировать в его электромагнитном окружении, к которому принадлежат так же и другие устройства, не влияя на это окружение недопустимым образом».

    Для нарушения работы электромеханического реле требуется электромагнитная энергия порядка 1 мДж, а для нарушения работы интегральной микросхемы требуется электромагнитная энергия порядка 10-4 мДж. Это свидетельствует о том, что электронные средства релейной защиты могут быть на 4 порядка чувствительнее к помехам, чем электромеханические. Этим обусловлен рост актуальности проблемы электромагнитной совместимости на объектах электроэнергетики.

    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.

    Стандарт VDE 0870определяет 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 неправильно 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 приёмник 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 напряжённости производимого им поля на определённом 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 по 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). Обозначим их 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 Wэмвимеет 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 помехи (т.е. прибор или физический процесс), 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: xS(t) = x(t) – xN(t), где x(t) – сигнал, поступающий на вход устройства; xN(t) – полезный сигнал, содержащийся в величине x(t).

    Помеха xS(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 – обусловленные природными электромагнитными явлениями.

    Искусственные – образованные электромагнитными процессами в технических устройствах.

    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(t) = u1(t) – u2(t).

    Противофазным током в несимметричной двухпроводной системе называется ток в прямом проводнике.

    iпф(t) = i1(t).

    Противофазным током в симметричной двухпроводной системе называется среднее значение токов прямого и обратного проводников.

    iпф(t) = (i1(t)+i2(t))/2.

    Синфазным током в симметричной или несимметричной системе называется ток земли.

    iсф(t) = iз(t) = i1(t) – i2(t).

    Синфазным напряжением в несимметричной двухпроводной системе называется потенциал обратного провода относительно земли.

    uсф(t) = u2(t).

    Синфазным напряжением в симметричной двухпроводной системе называется потенциал средней точки между прямым и обратным проводом относительно земли.

    uсф(t) = (u1(t)+u2(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 сигнала. 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.

    l − длина линии или длина одного пролета схемы замещения.

    − индуктивность линии на единицу длины.

    − комплексное сопротивление приёмника сигнала.

    − ЭДС противофазной помехи в конце линии.

    − ЭДС синфазной помехи в конце линии.

    − сопротивление заземлителя средней точки в конце линии.

    − частичная ёмкость связи прямого провода с землей на единицу длины.

    − частичная ёмкость связи обратного провода с землей на единицу длины.

    − частичная ёмкость 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 никакими 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 многопролётную схему замещения.

    Несимметричная система


    Земля и масса

    Заземлением – называется электрическое соединение проводящих нетоковедущих частей электроустановок с землёй 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. Распределённая, или поверхностная масса.

    Центральная масса может быть реализована двумя способами:

    1. С помощью звездообразного провода.

    2. В виде сборной схемы.



    Если длина волны сравнима с геометрическими размерами устройства или 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 четко 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, 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 интегральный оператор 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 минус первой степени, которая 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 величины, обратной 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), или иначе комплексной спектральной характеристикой (КСХ), или амплитудно- фазовой спектральной характеристикой (АФСХ).

    Модуль функции  |F(jω)| = F(ω) называется амплитудной спектральной характеристикой (АСХ).

    Аргумент АСХ arg(F(jω)) = ψ(ω) – фазово-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, кГц и т.д.
    Логарифмические параметры и характеристики полезных сигналов и помех. Уровень сигналов и помех

    Действующее значение полезного сигнала или помехи можно выразить в логарифмическом масштабе.

    Например, для напряжения ,

    где UдБ – уровень напряжения в дБ,

    U – действующее значение напряжения,

    U0 – базовое значение напряжения, относительно которого определяются уровни.

    В технике ЭМС базовое значение напряжения принимается равным 1 мкВ.

    Для тока ; I0=1 мкА.

    Цепные:

    ψдБ – магнитное потокосцепление.

    ; ψ0=1 мкВб,

    ; q0=1 мкКл.

    Полевые сигнальные величины:

    ; E0=1 

    Электрическое смещение:

    ; D0=1 

    Магнитная индукция:

    ; B0=1 мкТл

    Напряжённость магнитного поля:

    ; H0=1 

    Плотность тока:

    ; δ0=1 

    Энергетические величины:

    Мощность:

    ; P0=1 пВт

    Энергия:

    ; W0=1 пДж

    Полевые энергетические величины:

    Вектор Пойнтинга:

    ; П0=1 

    Объёмная плотность мощности:

    ; P0=1 

    ; W0=1 

    Уровни полезных сигналов и помех могут выражаться не только в дБ, 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: дБ и Нп.
    Стандартные частотные диапазоны.

    В логарифмическом масштабе ширина частотных диапазонов может измеряться в декадах и октавах. Весь технически значимый диапазон неквантовых электромагнитных излучений условно разбит на 12 декад, каждая из которых имеет своё 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 кГц. Им соответствуют гектокилометровые волны (1000 – 100) км.

    4. Очень низкие частоты (ОНЧ) 3 – 30 кГц. Мириаметровые волны (100 – 10) км.

    5. Низкие частоты (НЧ) 30 – 300 кГц. 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 – 1,5105 ТГц. Различают мягкое и жёсткое ультрафиолетовое излучение. Генерируется внешними электронными оболочками атомов. Ультрафиолетовое излучение обладает слабыми ионизирующими свойствами, особенно жёсткое ультрафиолетовое излучение.

    4. Рентгеновское излучение 1,5105 – 5107 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.

    1. Гамма-излучение >5107 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 существуют 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.
      1   2   3   4
    написать администратору сайта