2.9.2 Измерение уровня электромагнитных помех

Установленны три полосы частот, в пределах которых производятся измерения приборами, имеющими одинаковые технические характеристики : 10…150 кГц ; 0,15…30 МГц ; 30…1000 МГц. Комплект приборов для испытаний устройств на индустриальные радиопомехи показан на рисунке 2.92.

181

Рисунок 2.92 – Комплект приборов для измерения уровня ЭМП

Измеритель индустриальных помех ( ИИП ) - селективный микровольтметр, поградуированный в децибелах.

Эквивалент сети ( ЭС ) - устройство, выполняющее следующие функции :

• создание регламентированного полного сопротивления сети для

сопоставления результатов измерений, проводимых в разных сетях ;

• исключение прохождения помех из сети в исследуемую цепь и

обратно ;

- устранение возможности прохождения сетевого напряжения на

измеритель ;

• измерение отдельно симметричной и несимметричной составляющих

помех .

Поглощающие клещи ( ПК ) - позволяют измерить мощность, а

токосъёмник - ток радиопомех ( при этом эквивалент сети не требуется ). Рамочная антенна применяется для измерения магнитной составляющей, а штыревая антенна - электрической составляющей напряженности поля. Симметричный диполь служит для измерения мощности излучения помех. Измерения проводятся на открытых площадках, чтобы не было отражения и поглощения помех.

Применение анализатора спектра дает меньшую точность измерения, чем селективный, но позволяет увидеть на экране спектр помехи и значительно ускорить процесс измерения. Пригодны для этой цели отечественные приборы С4-25 и СК- 59. Для измерения параметров радиопомех удобен комплекс FSM-11. В него входят : селективный вольтметр, эквивалент сети и набор антенн. Диапазон исследуемых частот - 0,01…30 МГц.

2.9.3 Основные способы ослабления электромагнитных помех

При разработке и использования средств ослабления электромагнитных помех следует исходить из того, что процессы, связанные с генерацией и распространением ЭМП, подчиняются общим законам электротехники. Однако паразитные цепи, по которым распространяются электромагнитные помехи,

182

существенно затрудняют как анализ этих процессов, так и применение конкретных мер для ослабления помех.

Электромагнитные связи между электрическими цепями и узлами проявляются через электрическое, магнитное, электромагнитное поля, провода и волноводы, связывающие электрические цепи и узлы.

На малых расстояниях действуют все четыре вида связи, по мере удаления от генератора помех прекращается вначале влияние электрического и магнитного полей, затем электромагнитного поля излучения и на большем расстоянии действует только связь по проводам, т.е. наиболее благоприятная среда для распространения помех - провода, причём в ближнем поле на них могут влиять электрическое и магнитное поля, формируя ток помех, который по проводам передаётся на большие расстояния. При этом провод действует и как передающая антенна.

Рассмотрим основные способы ослабления помех, генерируемых ИВЭП импульсного типа.

Помехоподавляющие средства группируем по следующим признакам :

1. Влиянию на вид электромагнитных помех: ослабление кондуктивных

помех ( симметричных и несимметричных ) и ослабление помех

излучения.

2. Размещению в аппаратуре : внутренние - в узлах собственно ИВЭП

и внешние - с применением специальных дополнительных узлов

(внешних по отношению к ИВЭП, например, помехоподавляющие

фильтры ( ППФ ).

3 Характеру исполнения : электрические - путём влияние на

электромагнитные процессы в источнике питания и конструктивные

( механические ) - за счёт рационального конструктивного

исполнения ИВЭП.

Эти признаки весьма условны, так как одни и те же средства влияют на

кондуктивные и на помехи излучения, применение конструктивных мер влияет на электрические процессы и т.п.

а- внутренние средства ослабления ЭМП. Напряжение помех на сопротивлении сети ( эквивалент сети ) Z_с формируется симметричным и несимметричным токами, создаваемыми генераторами напряжения помех. Следовательно, для уменьшения напряжения помех в сети нужно уменьшить ток, протекающий через Z_с. Этого можно достичь, снизив уровень напряжения генераторов помех, уменьшив сопротивления шунтирующих цепей и увеличив сопротивление цепи, включенной последовательно Z_с. Следует также предусмотреть, чтобы контуры, по которым проходят токи помех, имели малые геометрические размеры - это обеспечить меньшие помехи излучения.

Параметры спектра ЭМП зависят от типа силовых каскадов. Например, перепад напряжения на силовых элементах первичной цепи в однотактном и двухтактном с отводом от средней точки первичной обмотки трансформтора инвертора в два раза больше, чем в мостовом и полумостовом, поэтому и помехи, создаваемые по этой причине, будут больше. В однотактном прямом преобразователе форма тока в коллекторной цепи “прямоугольна”, а обратном -

183

“треугольна”, поэтому уровень помех, обусловленной формой импульса, в обратном преобразователе несколько меньше, чем в прямом. Недостаток, обратного преобразователя низкий КПД.

Важное значение для уменьшения уровня помех имеет рациональный выбор элементной базы. Так, конденсаторы должны иметь минимальные паразитные параметры активного и индуктивного сопротивления, моточные изделия - минимальные индуктивность рассеивания и паразитную ёмкость, транзисторы и тиристоры - соотвествующие частотные свойства, выпрямительные диоды должны быть высокочастотными и обладать плавным восстановлением запирающих свойств или шунтировать конденсаторами небольшой ёмкости.

б- конструктивные способы ослабления помех. Конструктивные способы и средства снижения ЭМП устраняют или ослабляют паразитные ёмкостные и индуктивные связи между ИВЭП и сетью, создают шунтирующие цепи для тока помехи, снижают уровень помех излучения.

Это обеспеечивается рациональным размещением узлов друг относительно друга, корпуса ИВЭП и применение специальных экранирующих элементов.

Установка электростатических экранов между обмотками трансформаторов силовой и управляющей цепей при соединении их с входной и выходной цепями трансформатора позволяет создать шунтирующую цепь для тока помехи и внутри узлов ИВЭП, уменьшив её составляющию, проходящию по корпусу (шасси) и земле.

В качестве экрана применяется незамкнутый виток медной фольги. Электрическая схема соединения представленна на рисунке 2.93. Экран

размещен между первичной и вторичной обмоткой, при соединении с проводом питания первичной обмотки замыкает ток помехи в этом контуре, преграждая путь во вторичную цепь. При высоковольной вторичной обмоткии применяются второй экран между первичной и вторичной обмотками, который при соединении с цепью вторичной обмотки препятствует распространению помех из вторичной в первичную цепь.

Рисунок 2.93 - Электрическая схема соединения экранов в трансформаторе

Один из главных путей распространения несимметричного тока помехи

184

создаётся через паразитную ёмкость между коллектором силового транзистора и радиатором ( тепловодом ) С_к-р. Этот путь устраняется при соединении радиатора с коллекторной или эмиттерной цепями транзистора. Однако, если радиатор заземлён, то для уменьшения этой ёмкости, которая при применении слюденой прокладки составляет примерно 100 пФ и создания внутреннего контура тока помехи применяется слоистая экранирующая шайба ( рисунок2.94,а ). Путь шунтирования тока помехи показан на рисунке 2.94, б. Применение экранирующей шайбы приводит к уменьшению тока через Z_с в 10 раз.

а) б)

а- размещение шайбы ;

б- схема соединения

Рисунок 2.94 - Применннение экранирующей “слоистой” шайбы

С целью ослабления паразитных ёмкостных и индуктивных связей поузловой монтаж ИВЭП должен быть компактным, по возможности выполняться “ в линию”, т.е. последовательно узел за узлом, конденсаторы

должны располагаться так, стобы монтажные провода имели минимальную длину. Сигнальные и силовые проводники должны быть разнесены и выплняться экранированным проводом.

Важным средством ослабления помех является правильное выполнение заземления. Для “сигнальной” земли на частотах до 1 МГц предпочтительнее

заземление в одной точки, свыше 10 МГц лучшие результаты обеспечивает

система заземления в нескольких точках проводами минимальной длины. В диапазоне 1…10 МГц заземление осуществляется в одной точке, если самый длинный проводник заземления короче 1/20 ·λ, в противном случае применяется многоточечное заземление. “Сигнальную”, “шумящую” и корпусную земли вместе соединять следует в основном, т.е.сетевом, источнике питания. Заземление экранов и узлов должно выполняться проводом с минимальным полным сопротивлением. Такими же низкоомными проводами

185

следует выполнять шины питания.

Простым, но эффективным средством уменьшения помех излучения является симметрирование электрических цепей свиванием проводов, по которым протекают одинаковые по значению противофазные токи. При этом излучаемые электромагнитные поля компенсируются. В случае двухстороннего печатного монтажа такие проводники должны располагаться параллельно на противоположных плоскостях монтажной платы.

Опыт показывает, что применение одних только внутренних мер дает понижение уровня кондуктивных помех примерно на 20…25 дБ, что

недостаточно для обеспечения регламентированного уровня напряжения и напряженности поля электромагнитных помех

в- экранирование. Экран ( металлическая перегородка ) служит для локализации электромагнитного поля ИВЭП и его узлов с целью ослабления уровня напряженности поля в окружающем пространстве ( рисунок 2.95).

Физический смысл экранирования электрического поля металлическим листом, соединёным с корпусом прибора заключается формировании короткого замыкания на корпус для цепи, образованной паразитной ёмкостью между экранированными друг от друга узлами.

Эффективность экрана зависит от частоты, свойств материала и его толщины.

При сравнительно низких частотах ( О,1…10 кГц) и тонких экранах, эффективность экрана увеличивается с ротом удельной проводимости и не зависит от магнитной проницаемости материала. В этом случае считать эффективнее применение алюминиевого и еще лучше медного экрана.

Однако с ростом частоты и некотором увеличении толщины лучшими экранирующими свойствами обладает сталь.

В диапазоне частот 10…150 кГц для эффективного экранирования электромагнитного поля рекомендуется применять ферромагнитные материалы с высокой магнитной проницаемостью, большой удельной проводимостью и сравнительно большой толщины.

Рисунок 2.95 - Локализация помех внутри экранированного

пространства

В диапазоне частот 150… 10 МГц применяются медь, сталь, латунь, алюминий. В этом диапазоне частот необходимо учитывать потери на

186

отражение и поглащение, при этом максимальные потери на поглащение вносят стальные экраны, на отражение – медные экраны.

На частотах 10 МГц….1 ГГц экранирование от электромагнитных полей не вызывает особых затруднений.

Для улучшения экранирования на различных частотах применяются многослойные экраны. Коэффициент экранирования многослойного экрана значительно больше произведения коффициентов экранирования каждого из экранов. На практике обычно применяются экраны одинаковой толщины с промежутками между ними, равными 0,5…1,0 мм.

ВЫВОД. Исходя из характеристик экранирующего действия материалов в широком диапазоне частот, технологически изготовление экранов из различных материалов, их стоимости, можно сделать вывод, что во многих практических случаях целесообразно изготавливать экран из стали толщиной 0,5…2 мм. В виду того, что медь вносит больше затухание, чем сталь. За счёт отражения целесообразно изготавливать двухслойный экран медь-сталь или покрывать стальной экран тонким слоем меди со стороны источника помех, т.е. ИВЭП.

Одновременно с экранированием всего ИВЭП в целом необходимо производить экранирование элементов ИВЭП, создающих помехи излучения высокого уровня - трансформаторы, транзисторы, дроссели и др.

Кроме указанных металлических листовых материалов для экранирования применяют фольговые, сеточные материалы, токопроводящие краски, используются металлизация поверхности, с помощью ферроэластов изготавливаются эластичные экраны для высокочастотных полей, применяются другие средства ( радиопоглощающие материалы, специальные ткани, электропроводный клей ).

г- помехоподавляющие фильтры. Для ослабления кондуктивных помех дополнительно к внутренним мерам применяются специальные помнхоподавляющие фильтры (ППФ).

Помехоподавляющие фильтры работают при большом сетевом напряжении и максимальном токе, потребляемом от сети, вносят необходимые затухания в широком диапазоне частот, передавая энергию к ИВЭП и другому оборудованию, обеспечивая высокие эксплуатационные качества питаемых устройств.

По своему назначению ППФ - это широкополосные фильтры нижних частот ( ФНЧ ), пропускающие в идеальном случае беспрепятствено постоянный ток или ток промышленной частоты ( 50,60,400 Гц) и не пропускающие высокочастотные токи радиодиапазона.

Эффективность ППФ в значительной степени зависит от сопротивления генератора помех Z_п. Для несимметричной помехи это сопротивление велико (определяется паразитной ёмкостью, составляющей от единиц до сотен пикофарад). Для симметричной помехи в ИВЭП с ИТ это сопротивление определяется значением полного сопротивления конденсатора входного фильтра ( десятки микрофарад ) и сравнительно невелико.

Поэтому элементы фильтра, предназначенные для ослабления симметричных помех ( Z_п< 150 Ом ), начинаются ( со стороны ИВЭП ИТ ) с

187

дросселя, а для несимметричных ( Z_п>> 150 Ом ) - с конденсаторов ( рисунок 2.96 )

Рисунок 2.96 - Принципиальная схема ППФ обеспечивающая в

диапазоне частот 0,15…30 МГц затухание до 60 дБ

Данная схема состоит из элементов : конденсаторы С_х1 и С_х2 предназначенны для подавленя симетричной помехи ; конденсаторы С_у1, С_у2, С_у3, С_у4 предназначенны для подавлення несимметричной помехи ; дроссели L₁, включенные ( при двухпроводной однофазно сети) каждый в свой провод, выполняют на общем магнитопроводе ( двухобмоточный дроссель). Его обмотки подключаются так, что магнитные потоки, создаваемые в сердечнике нагрузочным током взаимно противоположны и индкетивность дросселя для этого тока и тока симметричной помехи соотвествует индуктивности рассеивания. Падение напряжения питания на нём близко нулю. Для токов несимметричной помехи, текущих по проводам в одном направлении, такие дроссели L₁ и L₂ представляют большое сопротивление. Во всех случаях, когда тумблер питания ИВЭП коммутирует цепь питания за ППФ со стороны сети или темблер не применяется вообще, а включение в сеть производится штепсельной вилкой - необходимо параллельно симметричному конденсатору подключить , по требованию техники безопасноти, разрядное высокоомное сопротивление. Обычно это резистор R₁ типа МЛТ – рассеивающий 0,125…0,25 Вт с номинальным сопротивлением 100…1000 кОм.

Фильтр целесообразно экранировать, используя в качестве экрана корпус ; несимметричные конденсаторы, как правило, проходные должны устанавливаться на корпусе в месте выхода ( входа) проводов фильтра. Внутри фильтр должен быть разделён экранными перегородками на отдельные отсеки, корпус (экран) фльтра должен быть сплошным без щелей. Целесообразно подключение проводов осуществить с помощью экранированых разъёмов.

Дополнительный материал к лекции 26 для самостоятельной работы

Пассивные ППФ просты и надёжныы, но громоздкие даже при регламентированной нижней частоте 0,15 Мгц., а при предполагаемом снижении этого значения до 10 кГц и токах единицы и десятки ампер реактивные эдементы станут еще больше, и на их изготовление придется затратить много активных материалов.

Возможности миниатюризации открывается при использовании в качестве

188

помехоподавляющих транзисторных фильтров.

По сравнению с пассивными ППФ транзисторные фильтры имеют существенно лучшие массогабаритные показатели. При последовательном

включении транзистора ( по типу ФК и ФЭ ) получают большое L_экв, во много раз превышающее L приемлемого по размерам дросселя. Это позволяет уменьшить величину Свых при небольшиз размерах транзисторного узла.

Рисунок 2.97- Принципиальная схема транзисторного помехоподавляющего

фильтра на основе фильтра ФЭ

Для подавления симметричных помех служат конденсаторы С_бх1 и С_бх2, для подавления несимметричных помех - С_бу1 и С_бу2. Для подавления несимметричных помех следует устанавливать фильтр в каждый из проводов.

Если для помехи, поступающей от ИВЭВ в сеть, фильтр – это обычный фильтр типа ФЭ, то для пульсаций питающих напряжение , от сети к ИВЭП, -

это усилитель, включенный по схеме с общей базой. Для того чтобы напряжение пульсаций на входе ИВЭП было по величине такое же, как поступающие от сети, уменьшают напряжение пульсаций на участке эмиттер- база VT₁ и VT₂, выбрав конденсаторы С_бх из выражения

С_бх = 1 / (2· π· f_п ·R_i h_21э). ( 2.74)

где R_i- внутреннее сопротивление источника помех.

При этом коэффициент пульсации на входе ИВЭП равен коэффициенту на выходе выпрямителя ( С_о).

Например, при f_п= 100 Гц, Ri=75 Ом и h_21э=10 получаем что ёмкость С_бх = 2.2 мкФ, что вполне приемлено. При большем значении Сбх ППФ будет усиливать пульсации, поступающие со стороны сети.

Частотные свойства транзистора и конденсатора проявляются в уменьшении коэффициента фильтрации примерно с 1МГц, причём главным образом из=за параметров конденсатора.

189

ППФ можно выполнить также и на основе фильтра типа ФК, при этом ППФ, кроме помехоподавления на пути от ИВЭП к сети, будет еще подавлять и помеху, идущию от сети к ИВЭП.

Разработка транзисторных ППФ, и в частности при их выполнении по гибридно-плёночной технологии, ещё одно направление комплексной миниатюризации ИВЭП.

Вопросы для самопроверки

1 Нарисуйте схему распространения помех и поясните её.

2 Нарисуйте принципиальную схему ИВЭП с узлами, которые создают

помехи и поясните её.

3 Нарисуйте комплект приборов для измерения уровня электромагнитных

помех и поясните назначение приборов.

4 Перечислите основные способы подавления электромагнитных помех

5 В чем сущность электрического способа подавления помех ? Приведите

примеры.

6 В чем сущность конструктивного способа подавления помех? Приведите

примеры.

7 Что такое экранирование ? Приведите примеры экоанирования.

8 Нарисуйте пассивную схему помехоподавляющего фильтра и поясните

назначение элементов схемы.

9 Нарисуйте транзисторную схему помехоподавляющего фильтра и поясните

назначение элементов схемы.

Примеры задач до темы лекции 26

Задача 1

Определите какое существует поле на расстоянии λ = 0,8 м , применяя график на рисунке 2.98.

Рисунок 2.98 - График ближней и дальней зоны электромагнитного поля

190

Решение : Когда приёмник электромагнитной помехи расположен на расстоянии

R = λ/ 2π ,

R = 0,8 / 2 · 3,14 = 0,127 м.

Существует магнитное и электрическое поле.

Задача 2

Определите эффективность применения для экранирования стального или медного экрана, одинаковой толщины металла d= 0,5 мм и относительной магнитной проницаемости μ= 100, на частоте f= 30 кГц.

Решение : 1 Эффективность стального и медного экранов одинакова при граничной частоте

f_гр. = 0,48 / μ·d² ,

f_гр. = 0,48 /100 ·(0,5·10^-3)² = 19200 Гц.

2 Если f< f_гр, то следует применять медь, если f > f_гр - сталь.

30 000 Гц >19200 Гц ,

Эффективнее будет стальной экран.

Задача 3

Определите эквивалентную глубину проникновения электромагнитной волны в толщу металлического экрана меди, если частота f= 20 кГц, относительная магнитная проницаемость ( сталь ориентировочно 100, медь, алюминий 1 ),σ_отн.- отношение удельной проводимости металла σ_мет. к удельной проводимости меди, См/м ( медь – 5,7 ·10^-7, сталь -10 ^-7 , алюминий – 3,3 ·10 ^-7 ).

Решение : Эквивалентная глубина проникновения электромагнитной волны в толще металла равна

δ = 0,066 /√ (f·μ·σ_отн.) ,

δ = 0,066 / √ 2·10⁴·1·5,7 ·10 ^-7 =0,66 мм.

Задачи для самостоятельной работы

1 Определите эквивалентную глубину проникновения электромагнитной волны в толщу металлического экрана стали, если частота f= 50 кГц, относительная магнитная проницаемость ( сталь ориентировочно 100, медь, алюминий 1 ),σ_отн.- отношение удельной проводимости металла σ_мет. к удельной проводимости меди, См/м ( медь – 5,7 ·10^-7, сталь -10 ^-7 , алюминий – 3,3 ·10 ^-7 ).

191

2 Определите эффективность применения для экранирования стального или медного экрана, одинаковой толщины металла d= 0,5 мм и относительной магнитной проницаемости μ= 100, на частоте f= 10 кГц.

3 Определите какое существует поле на расстоянии λ = 1,5 м , применяя график на рисунке 2.98.

Литература

1 Векслер Г.С., Пилинский В.В Электропитающие устройства электроакустической и кинотехнической аппаратуры.- К.: Вища школа, 1986. с.322…347.

2 Дейс Д.А. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике : Учебное пособие / Д.А. Дейс.- Чита, ЧитГУ, 2008.- 171 с.71…73.

3 ДСТУ IEC 60478 -3 89 Совместимость технических средств электромагнитная. Стабилизированные источники питания постоянного тока. Кондуктивные электромагнитные помехи. Норма и методы испытания.

192

Лекция 27

Экспресс - проверка знаний пройденного материала :

1 Нарисуйте принципиальную схему транзисторного помехоподавляющего

фильтра на основе фильтра ФЭ

2 Нарисуйте принципиальную схему ППФ обеспечивающая в диапазоне

частот 0,15…30 МГц затухание до 60 дБ

3 Нарисуйте схему с комплектом приборов для измерения уровня ЭМП

4 Нарисуйте схему с узлами источника вторичного электропитания импульсного

типа , которые являются источниками помех

5 Нарисуйте рисунки способов ослабления электромагнитных помех