Ю.Е.СЕДЕЛЬНИКОВ - Электромагнитная совместимость

Результаты измерений спектров этих помех указывают на на­ личие трех широких резонансных полос, центры которых соответ­

ствуют частотам, равным примерно 750 кГц, 3 и 20 МГц, хотя спектр излучения каждого отдельно взятого аппарата не обязательно вклю­ чает в себя все эти резонансные полосы. Близкими к ним по причи­ нам возникновения и основным свойства создают также нагрева­

тельные установки для сваривания пластмасс. Хотя в основном спектр этих помех сосредоточен в области до 35 МГц, высшие гар­ моники могут проявляться до частот порядка 1 ГГц. На рис. 2.11 приведены данные, характеризующие частотные зависимости ИРП, соответствующих указанным устройствам.

Рис. 2.11. ИРП от дугового сварочного аппарата, устройства для сушки и склеивания древесины и нагревателя пластмасс (на расстоянии 300 м)

Газоразрядные источники света. Лампы дневного света и нео­

новые лампы создают непрерывные флуктуационные помехи, а ртутные дуговые и натриевые лампы - импульсные помехи.

Непосредственной причиной возникновения помех является нере­ гулярный характер тока при газовом разряде. В цепях электропи­

тания мощных ламп протекают интенсивные токи, создающие зна­ чительный уровень радиопомех в широкой полосе частот. Напри­ мер, люминесцентные лампы могут создавать помехи в диапазоне

51

частот 10 ... 100 МГц и более. В качестве иллюстрации на рис. 2.12 приведены данные для флуоресцентных ламп.

Рис. 2.12 ИРП. излучаемые флуоресцентной лампой на расстоянии 0.9 м от нее

---------- _ лампа с холодным катодом длиной 2,4 м.

- - ------- блок из двух ламп с холодным катодом длиной 0,6 м,

-------------лампа с горячим катодом длиной 1.2 м

Контактная сеть. Источником индустриальных помех может быть любая электрическая цепь, в которой происходят частые и рез­

кие изменения тока, обычно связанные с разрывом контактов, ис-

крообразованием, появлением утечки тока через изоляцию, иони­

зацией газа. Мощным источником помех является электротранспорт, движение которого сопровождается частым прерыванием контакта

между воздушным проводом и токосъемником. Эти и другие по­ добные электрические устройства создают помехи в виде групп им­ пульсов или непериодических импульсных последовательностей. Например, помехи при каждом прохождении электротранспорта представляют собой поток импульсов в течение 20...30 с длительно­ стью импульса около 4,5 мс и средней частотой следования около 220 Гц. Спектр этих помех занимает широкую полосу частот, а уро­ вень зависит от типа устройства и, как правило, увеличивается с ростом мощности потребителей электроэнергии.

52

Помехи от электродвигателей. Среди всех типов электродви­ гателей наибольшие помехи создают двигатели коллекторного типа, широко используемые как в бытовых приборах, так и в раз­ личных исполнительных механизмах. Причиной возникновения

помех является прерывание контактов и, как следствие, возникно­ вение импульсных токов в электрической цепи двигателя. Помехи имеют вид хаотического потока импульсов, их спектр может зани­

мать полосу частот от 10 кГц до 1 ГГц. Помехи, создаваемые при работе электродвигателей, распространяются в сети электропита­ ния, а также излучаются в окружающее пространство.

Вторичные источники электропитания. Значительные уров­ ни помех могут создаваться самими источниками электропитания. Так, при работе мощных тиристорных выпрямителей нередко воз­ никают периодические помехи на частоте второй гармоники пере­ менного тока. Данные помехи занимают область частот, превы­

шающую несколько десятков мегагерц. Другая причина возник­ новения помех от источников электропитания связана с тем, что

при перегрузках трансформаторы входят в режим насыщения, про­

текающие в них токи имеют несинусоидальную форму, т.е. содер­ жат гармоники. В этом случае источник электропитания создает также помехи на частотах гармоник сети переменного тока.

2.3 4. Кратковременные помехи

Первичные и вторичные цепи питания электротехнического и радиоэлектронного оборудования могут служить источником

импульсных помех, обусловленных переходными процессами

из-за резких изменений тока. Суть этого механизма заключается в

том, что при изменении электропотребления одним из средств (на­ пример, при включении электродвигателей, исполнительных ме­

ханизмов и других потребителей) изменяется напряжение, действу­ ющее в цепи электропитания. Это изменение, а также сопровож­ дающие его переходные процессы в виде скачков тока или колеба­ тельных процессов нередко имеют большую амплитуду и широ­

кий спектр. Так, зарегистрированы случаи, когда в бортовой ап­ паратуре наблюдались скачки напряжения с амплитудой до сотен вольт и длительностью около 10 мкс.

53

По спектральному составу помехи, возникающие при ком­ мутации электрических цепей, близки к другим видам широкопо­ лосных помех (рис. 2.13).

Рис 2 13 Зависимость от частоты уровня помех, созданных размагничивающим (7). переключающим (2)

иэлектромеханическим переключающим (3) устройствами

иопределенных на расстоянии 7.5 м от ИП

Основное отличие, по которому эти помехи выделены в обособ­ ленную группу, заключается в их кратковременности и нерегулярном характере. Это обстоятельство в значительной мере определяет ха­ рактер воздействия их на различные рецепторы. Помехи этого вида весьма опасны для цифровых устройств: не только как приводящие к нарушению работы, но и в ряде случаев к необратимым отказа ввиду повреждений активных элементов.

Другая особенность помех, создаваемых устройствами ком­ мутации, состоит в том, что нерегулярный и кратковременный ха­ рактер их требует использования специальных методов и аппара­

туры для контроля уровней.

2.3.5. Контактные помехи

Контактные помехи и их источники. В любом подвижном объекте имеется большое число металлических элементов конст­ рукции, соприкасающихся или неплотно соединенных между со­ бой винтами, болтами, заклепками, а также с помощью сварки.

54

Полное сопротивление между контактирующими поверхностями име­ ет комплексный характер и зависит от материала, конфигурации и со­ стояния поверхностей, прижимного усилия и дестабилизирующих фак­ торов (температура, влажность и т.п.)- В диапазоне низких частот (там, где работают, например, электрические устройства автоматики и те­ лемеханики) модуль контактного сопротивления определяется в ос­ новном активной составляющей, а на высоких частотах (порядка со­ тен мегагерц) - преимущественно емкостным сопротивлением. Если объект находится в покое, сопротивление контакта остается постоян­ ным.

При движении объекта под воздействием вибрации, качки, ударов контактное сопротивление становится переменным. В за­ висимости от характера изменения контактного сопротивления во времени различают контакты трения, качения и скольжения, а так­ же случайно переключающиеся разрывные контакты. К первой группе можно отнести контакты между элементами конструкции объекта, имеющими неплотные механические сочленения или до­ пускающие по условиям эксплуатации небольшие взаимные пере­ мещения. Эти контакты между элементами конструкции, частич­ но расходящимися в процессе движения, контакты между враща­ ющимися частями (колеса, лопасти винтов и т.д.), контакты меж­ ду колесами железнодорожных вагонов и грузовых тележек и рель­ сами и т.д. Группа случайно переключающихся разрывных кон­ тактов представлена контактами между неплотно соединенными элементами конструкции в условиях сильной вибрации. Их сопро­ тивление может изменяться от очень малых до бесконечно боль­ ших значений. Контакты двух или более соприкасающихся прово­ дящих элементов конструкции подвижного объекта, полное сопро­ тивление между которыми в процессе движения изменяется в ши­ роких пределах, называют переменными контактами.

Контактными помехами называют непреднамеренные поме­ хи, возникающие в результате переизлучения электромагнитного поля элементами конструкции объекта, имеющими контакты, со­ противление которых в процессе движения объекта изменяется. Возникновение контактных помех объясняется следующим обра­

зом. Под действием электромагнитного поля, излученного пере­ дающей антенной, на элементах конструкции объекта возникают

55

наведенные электрические токи. Другой причиной появления токов мо­ жет быть электризация объекта. Если объект находится в покое, спектр вторичного излучения, обусловленного этими токами, совпадает со спек­ тром первичного излучения. В процессе движения указанные токи, а следовательно, и поля излучения этихтоков оказываются промодулированными по амплитуде и фазе в соответствии с законом изменения кон­ тактных сопротивлений. Появляющиеся при этом дополнительные час­ тотные составляющие и являются контактными помехами Характер­ ным для них является то, что они присутствуют только при движении объекта (рис. 2.14).

Гармоника

а

1

Уровень

Рис 2.14 Контактные помехи, а - спектр излучения радиопередающего устройства

на стоянке, б - при движении объекта

Спектр контактных помех, возникающих при облучении гар­ моническим полем переменных контактов, когда сопротивление их изменяется во времени по непрерывному случайному закону, со­ держит дискретную составляющую на частоте облучения и сплош­ ной спектр, симметрично расположенный относительно частоты облучающего поля. Энергетический спектр контактных помех, воз­ никающих при облучении гармоническим полем случайно переклю­ чающихся разрывных контактов, в общем случае опреде-

56

ляется результатом модуляции несущей частоты смешанным импуль­ сным случайным процессом и имеет как непрерывную часть, так и дискретные составляющие. Если изменения контактов соответству­ ют апериодическому случайному процессу, указанный спектр также является непрерывным. Так, для случайной последовательности им­ пульсов постоянных амплитуды и длительности он подобен спектру одиночного радиоимпульса. В любом случае спектр контактных по­ мех занимает широкую полосу частот.

В некоторых случаях проявляются также нелинейные свой­ ства контактов между элементами конструкции. Они обусловле­ ны наличием окисных пленок, образуемых вследствие коррозии, а также эффектом дутообразования, когда происходит электричес­ кий пробой слоя окисла под воздействием приложенного напря­ жения. Это напряжение в зависимости от материала колеблется от 10 до 15 В. Нелинейность контактов приводит к тому, что вторич­ ное электромагнитное поле содержит гармоники частот передат­ чиков и интермодуляционные составляющие, промодулированные в соответствии с законом изменения контактных сопротивлений во времени. Таким образом, при облучении нелинейного перемен­ ного контакта электромагнитным полем нескольких радиопередат­ чиков спектральные составляющие контактных помех будут рас­ полагаться около основных частот, их гармоник и интермодуля­ ционных частот.

Структура контактных помех на большинстве объектов име­ ет квазиимпульсный характер. Мгновенное значение огибающей напряженности суммарного поля этих помех содержит флуктуа­ ционную и импульсную составляющие. Первая обусловлена облу­ чением переменных контактов трения, качения и скольжения, а вто­ рая — облучением случайно переключающихся разрывных контак­ тов. Соотношение между ними зависит от режима движения объек­ та и типа преобладающих контактов. Так, флуктуационная со­ ставляющая контактных помех имеет большой вес на вертолетах, а импульсная - на железнодорожном транспорте. В суммарном поле контактных помех, образуемых при движении самолетов и авто­ мобилей, присутствуют обе составляющие. С ростом числа пере­ менных контактов и частоты их переключения суммарное поле контактных помех приближается по свойствам к непрерывному

нормальному случайному процессу. Спектр частот контактных помех, как следует из причин их появления, занимает значительную полосу, нередко превышающую несколько мегагерц.

2.3.6. Помехи, не связанные с непосредственным использованием электромагнитной энергии источником помех

Индустриальные помехи могут вызываться электризацией дви­ жущегося объекта в результате трения его корпуса о воздух с взвешенными в нем частицами пыли, дыма, снежинками и т.д. Плотность индуцированных электрических зарядов максимальна в местах, где имеются малый радиус изгиба поверхности или ост­ рые кромки. Так, у концов крыльев самолета или лопастей винтов вертолета она в 5-8 раз выше, чем на поверхности средней части фюзеляжа. Уровень электризации корпуса самолета (вертолета, автомобиля) бывает настолько высоким, что может произойти коронный разряд, создающий помехи с широким спектром. Сте­ пень электризации и, следовательно, интенсивность этого вида помех (рис. 2.15) зависят от скорости движения и примерно про­ порциональны кубу скорости.

з - Г

/1

Рис. 2.15. Спектр помех, вызванных электризацией самолета из-за токов с непроводящих участков (У), стекания токов с проводящих участков (2), электрического пробоя (5)

К этой же группе следует отнести помехи, возникновение ко­ торых обусловлено процессами преобразования механической энер­ гии в электрическую и не связано непосредственно с использова­

58

нием электромагнитной энергии источником помех. Так, перемен­ ные механические нагрузки в элементах радиоустройства (ЭВП, твердотельные приборы и т.д.) способны вызвать появление по­ мех из-за пьезо- и трибоэлектрического эффектов и других физи­ ческих причин. К данной группе помех также можно отнести и на­ веденные переменные токи, образуемые вследствие перемещения проводников в магнитном поле. Помехи этого вида обычно воздей­ ствуют только на устройства, в которых они возникли, и малосуще­ ственны для других РЭС.

2.3.7. Количественные характеристики индустриальных радиопомех

Для количественного описания ИРП используют две группы по­ казателей. Первая из них относится к конкретным устройствам и ха­ рактеризует интенсивность создаваемых им помех. Характеристики этой группы используют главным образом в качестве нормируемых показателей источников помех. Показатели этой группы могут также применяться при прогнозировании ЭМС, при воздействии конкретного источника ИРП на конкретный рецептор помех.

Ввиду значительного разнообразия временной структуры, частотных свойств и статистических свойств электромагнитных процессов, представляющих ИРП, создание унифицированной си­ стемы показателей, отражающих свойства ИРП различного про­ исхождения, является довольно сложной задачей. Эта система по­ казателей должна отвечать ряду требований:

-быть в достаточной мере универсальной, пригодной для оценки свойств помех, создаваемых техническими средствами раз­ личного функционального назначения;

-быть достаточно информативной, характеризовать свой­ ства данной помехи оказывать влияние на рецепторы помех раз­ личных типов;

-быть достаточно простой в практическом использовании, допускающей непосредственное измерение введенных показателей;

-обеспечивать, при соблюдении правил проведения измере­ ния, повторяемость результатов контроля введенных показателей.

Исходя из компромисса между перечисленными требования­ ми к системе показателей, в настоящее время для количественно-

59

го описания свойств ИРП, создаваемых конкретными устройства­ ми, сформировалась определенная система показателей, закреп­ ленная в большинстве стандартов, относящихся к источникам ИРП. Рассмотрим, прежде всего, принципы, положенные в основу выбо­ ра этих показателей.

Электромагнитные процессы, представляющие собой ИРП, су­ ществуют в двух формах:

- в виде электромагнитных полей в окружающем простран­ стве, включая поля ближней и дальней *.зоны Интенсивность этих полей описывается зависимостями напряженностей электрическо­ го и магнитного полей от пространственных координат (х, у, z) и частоты /: Е(х, у, z, f ") и Н(х, у, z,f). Использование в качестве числовых показателей, в том числе подлежащих нормированию, четырехмерных функций нереально.** Поэтому, на практике в ка­ честве характеристики интенсивности ИРП используют частотные зависимости значений напряженности электрического и магнит­ ного полей, определяемых на стандартном расстоянии от источ­ ника помех;

- в виде направляемых электромагнитных волн, распростра­ няющихся в волноведущих структурах, как правило, образован­ ных проводниками электрических цепей. Поскольку в подавляю­ щем большинстве практических случаев распространяющиеся вол­ ны являются волнами Т-типа, интенсивность их вполне корректно определяется значениями электрических напряжений между про­ водниками и электрических токов, протекающих в проводниках в различных их сечениях. Кроме того, ввиду относительно низких частот колебаний, соответствующих ИРП, явления временного запаздывания несущественны. Это позволяет в качестве количе­ ственной меры интенсивности ИРП, распространяющихся в про­ водниках, использовать значения этих напряжений и токов как функций частоты (безотносительно сечения, например на выход­ ных зажимах). При этом для обеспечения и унификации процессов измерений и повторяемости их результатов напряжения и токи

* Подробнее этот вопрос рассматривается в разд. 2.4.

’* В действительности даже более сложных, имея в виду поляризационную структуру электромагнитного поля.

60