Электромагнитная совместимость (ЭМС) - это способность устройств, систем или приборов работать правильно в окружающей среде, в которой присутствуют другие источники электромагнитных сигналов (природные или искусственные), и при этом не оказывать негативного влияния на свое окружение своей собственной “электромагнитной активностью”. Например, не излучать сигналы, которые могут мешать работе других устройств. Это важно для обеспечения надежности, безопасности и эффективности энергетических устройств, таких как двигатели, преобразователи, сварочные аппараты, осветительные приборы и т.д.
В этой статье мы рассмотрим основные принципы и методы обеспечения электромагнитной совместимости энергетических устройств, а также покажем примеры практического тестирования электромагнитной устойчивости регулятора отопления, используемого в троллейбусах или трамваях.
Что такое электромагнитная совместимость
Электрооборудование, способное нормально функционировать в условиях электромагнитных воздействий со стороны другого работающего электрооборудования, при этом само не оказывающее вредных воздействий ни на окружающую среду, ни на работоспособность упомянутого электрооборудования, - такое оборудование обладает электромагнитной совместимостью (как с окружающей средой, так и с другими работающими вблизи электроприборами).
В последнее время разработчики уделяют особое внимание вопросу электромагнитной совместимости (сокращенно - ЭМС) устройств с собственными компонентами и узлами, поскольку именно полупроводниковые микросхемы более всего восприимчивы к электромагнитным помехам. Действие помехи может быть кондуктивным (в виде наводки на ток) или излучательным (в форме взаимодействия полей).
Так или иначе, электромагнитная совместимость необходима сегодня практически любому оборудованию. Даже в самых обычных условиях современного города присутствует колоссальное число разного рода излучений, и если не обеспечить меры поддержания ЭМС, то надежная и корректная работа многих технических средств окажется попросту невозможной, ибо они станут выходить из строя и порождать причины для системных аварий, создавая обратимые или необратимые нарушения.
ЭМС необходима техническим средствам всегда, пока они существуют: ЭМС учитывается на стадии проектирования прибора, ЭМС обеспечивается во время ввода данного прибора в эксплуатацию, ЭМС поддерживается во время его непосредственной эксплуатации.
Наиболее остро проблема электромагнитной совместимости стоит для организаций, которым свойственны следующие характеристики: высокая энерговооруженность (например электростанция), повышенные требования к безопасности информационных систем (например банк), неблагоприятная типичная электромагнитная среда вокруг (например завод по производству электроники, возведенный на территории с высоким уровнем фонового излучения).
Источники и виды электромагнитных помех
Электромагнитная интерференция (англ. "Electromagnetic Interference") - это любое электромагнитное явление, которое может ухудшить работу устройства, системы или прибора. Интерференция может быть внутренней или внешней, в зависимости от того, находится ли источник интерференции внутри или снаружи исследуемого системы. Кроме того, интерференция может быть классифицирована по характеру сигнала на шум, импульсы и гармоники.
Термин “Электромагнитное интерференция” можно более точно перевести на русский язык как "Электромагнитные помехи". Это явление, при котором электромагнитные поля одного устройства влияют на работу другого устройства, вызывая помехи или сбои. В контексте электромагнитной совместимости, интерференция может возникать из-за различных источников, таких как электрические двигатели, коммутационные процессы, гармоники и другие электромагнитные сигналы. Для обеспечения надежной работы устройств необходимо учитывать и управлять этими электромагнитными воздействиями.
Шум - это электромагнитная помеха, которая влияет на форму полезного сигнала, например, напряжения питания. Шум может иметь периодический характер и быть вызван, например, электрическими двигателями или сварочными аппаратами.
Импульсы - это помехи, которые имеют импульсный характер с большим соотношением величины импульсов к времени их длительности. Эти импульсы могут накладываться на полезный сигнал в виде положительных или отрицательных “пиков”. Импульсы могут возникать из-за коммутационных процессов, например, при включении или выключении нагрузки.
Гармоники - это помехи, которые представляют собой синусоидальные сигналы с кратными частотами основного сигнала. Гармоники могут возникать из-за нелинейных элементов в цепи, например, полупроводниковых преобразователей, которые искажают форму сигнала.
Электромагнитные помехи могут иметь в качестве своих источников либо природные явления (например разряды молний), либо технические процессы (например переходные процессы в цепях во время быстрых периодических или случайных переключений).
Так или иначе помеха подразумевает внезапное изменение напряжения или тока в цепи, которое является нежелательным, распространяется ли оно вдоль кабеля или передается в виде электромагнитной волны.
Интерференция волн, взаимные помехи систем контроля и мониторинга, - все это примеры электромагнитных помех, сильно мешающих совместной работе приборов. И чем выше напряжение и чем больше ток в приборе — тем сильнее помехи.
Разрабатывая обычную технику, проектировщики стараются достичь устойчивой работы прибора в обычной электромагнитной среде. Некоторая же специальная аппаратура должна быть в состоянии выдержать и такие непростые условия, как например электромагнитные излучения порождаемые ядерным взрывом.
В теории ЭМС оперируют терминами «приемник» и «передатчик» энергии (помех). Передатчиками помех могут выступать: радиовещательные и телевышки, электрические цепи и сети и т. д. Приемниками помех выступают: радиоприемники, антенны, системы автоматизации, автомобильной электроники, средства автоматики и релейной защиты, системы обработки информации и т. д.
Некоторые из устройств, которые в один момент времени могут являться источниками помех, в другой момент времени выступают уже их приемниками. Поэтому электромагнитная совместимость устройства предполагает такой характер его работы, когда будучи передатчиком он создает помехи, уровень которых не превышает допустимого значения, а будучи приемником - отличается достаточно высокой помехоустойчивостью.
Механизмы передачи помех
Помехи могут передаваться от источников к приемникам разными способами, в зависимости от характера и частоты помех, а также от расположения и конструкции устройств. Основные виды взаимодействия между источниками и приемниками помех это гальваническая связь, капацитивная связь, индуктивная связь и связь излучением. Каждый из этих видов связи имеет свои особенности и условия возникновения.
Гальваническая взаимосвязь - это передача помехи между устройствами через общую электрическую цепь или проводник. Например, если два устройства подключены к одной сети питания, помехи могут передаваться по проводам, общим для обоих устройств. Капацитивная взаимосвязь - это передача помехи через электрическое поле между близко расположенными проводниками или элементами устройств.
Капацитивная связь может возникать, например, между соседними проводами на печатной плате.
Индуктивная взаимосвязь - это передача помехи через магнитное поле между проводниками или катушками индуктивности. Индуктивная связь может возникать, например, при включении или выключении электрических нагрузок.
Взаимосвязь излучением - это передача помехи через электромагнитное излучение от одного устройства к другому. Это может происходить, например, когда устройство излучает электромагнитные волны, которые воздействуют на соседние устройства.
Эти виды взаимосвязи помогают понять, каким образом помехи могут передаваться между устройствами и какие меры можно принять для уменьшения их воздействия.
Способы уменьшения или устранения помех
Для обеспечения электромагнитной совместимости устройств и систем необходимо применять различные технические меры, направленные на снижение уровня помех, уменьшение взаимосвязи между источниками и приемниками помех.
Среди таких мер можно выделить фильтрацию, экранирование, заземление, согласование, симметрирование, декуплирование, модуляцию, кодирование и другие. Эти меры могут применяться на разных этапах проектирования, изготовления и эксплуатации устройств и систем, в зависимости от их характеристик и требований.
Фильтрация - это применение специальных устройств, называемых фильтрами, которые пропускают нужный сигнал и подавляют нежелательные помехи.
Фильтры могут быть разных типов, в зависимости от частоты и характера сигнала и помехи. Например, существуют низкочастотные, высокочастотные, полосовые, режекторные, пьезоэлектрические и другие фильтры. Фильтры могут быть установлены на входах и выходах устройств, на линиях питания и связи, на антеннах и других местах.
Экранирование - это применение специальных материалов, называемых экранами, которые ограждают устройство или его часть от внешних электромагнитных полей или излучений.
Экраны могут быть разных форм и размеров, в зависимости от конструкции устройства и характера помехи. Например, существуют экраны в виде корпусов, кожухов, пластин, сеток, фольги и других. Экраны могут быть подключены к земле или к другому потенциалу, чтобы увеличить их эффективность.
Заземление - это применение специальных проводников, называемых заземляющими, которые соединяют устройство или его часть с землей или с другим общим потенциалом.
Заземление служит для устранения статического электричества, для снижения разности потенциалов между разными частями устройства, для уменьшения влияния капацитивной и индуктивной взаимосвязи, для улучшения работы экранов и фильтров и для других целей. Заземление может быть выполнено разными способами, в зависимости от типа устройства и условий его эксплуатации.
Согласование обеспечивает соответствие параметров различных компонентов системы. Например, согласование импедансов между передатчиком и антенной помогает минимизировать отраженные сигналы.
Симметрирование используется для уменьшения воздействия помех на симметричные сигналы. Например, балансные линии связи используются для передачи сигналов с минимальными помехами.
Декуплирование (или декуплер) используется для разделения сигналов на разных частотах. Например, декуплер может отделить сигналы данных от сигналов тактирования.
Модуляция изменяет параметры сигнала (например, амплитуду, частоту или фазу) для передачи информации. Модуляция позволяет устранить влияние помех на сигнал.
Кодирование используется для представления данных в виде последовательности символов или битов. Кодирование помогает устранить ошибки при передаче данных и повысить устойчивость к помехам.
Все эти методы и техники помогают обеспечить надежную работу устройств в условиях электромагнитных помех.
Методы и средства обеспечения электромагнитной совместимости
Для того, чтобы энергетические устройства были электромагнитно совместимыми, необходимо применять различные методы и средства, которые можно разделить на три основные группы:
- Методы и средства, направленные на уменьшение уровня излучения электромагнитных помех от источника. К ним относятся, например, выбор оптимальных параметров и режимов работы устройств, применение фильтров, дросселей, конденсаторов, экранирование, заземление, симметрирование и балансирование цепей и т.д.
- Методы и средства, направленные на уменьшение уровня проникновения электромагнитных помех в приемник. К ним относятся, например, выбор оптимальных параметров и режимов работы приемников, применение фильтров, дросселей, конденсаторов, экранирование, заземление, симметрирование и балансирование цепей, использование оптоволоконных линий связи и т.д.
- Методы и средства, направленные на повышение уровня устойчивости приемника к электромагнитным помехам. К ним относятся, например, выбор оптимальных параметров и режимов работы приемников, применение стабилизаторов напряжения, защитных диодов, предохранителей, резисторов, использование модульного и резервного принципов построения систем и т.д.
Пример тестирования электромагнитной устойчивости регулятора отопления
В качестве примера практического тестирования электромагнитной устойчивости энергетического устройства рассмотрим регулятор отопления, который используется для управления температурой в салоне троллейбуса или трамвая.
Этот регулятор представляет собой электронное устройство, которое управляет работой тепловентилятора и клапана отопления. Регулятор подключается к сети постоянного тока 24 В и имеет ряд входных и выходных сигналов, связанных с датчиками температуры, переключателями, индикаторами и исполнительными механизмами.
Для того чтобы убедиться, что регулятор отопления обладает достаточной электромагнитной совместимостью, проводится ряд тестов:
- Тест на электростатический разряд. В этом тесте регулятор подвергается коротким импульсам высокого напряжения, которые могут возникнуть при контакте с заряженными поверхностями. Цель - убедиться, что регулятор не повреждается и не разрушается при таких воздействиях.
- Тест на быстрые электрические переходные явления и группы импульсов. В этом тесте регулятор подвергается последовательности импульсов высокого напряжения и тока, которые могут возникнуть при коммутации нагрузок (например, при включении или выключении двигателей). Цель - убедиться, что регулятор не сбоит и не дает ложных срабатываний при таких воздействиях.
- Тест на излучение и проникновение гармоник. Регулятор подвергается воздействию синусоидальных сигналов с кратными частотами основного сигнала. Цель - убедиться, что регулятор не создает нежелательных гармоник и не пропускает гармоники извне.
- Тест на радиочастотное излучение. Регулятор проверяется на наличие нежелательных радиочастотных излучений. Цель - убедиться, что регулятор не создает помехи для других устройств.
- Тест на иммунитет к радиочастотному излучению. Регулятор подвергается воздействию внешних радиочастотных сигналов. Цель - убедиться, что регулятор не сбоит и не дает ложных срабатываний при таких воздействиях.
- Тест на иммунитет к быстрым транзиентным явлениям. Этот тест направлен на проверку способности устройства справляться с короткими импульсами высокого напряжения и тока, такими как импульсы при быстрых электрических переходных явлениях. Цель такого тестирования - убедиться, что устройство не сбоит и не дает ложных срабатываний при таких воздействиях.
- Тест на иммунитет к транзиентным явлениям. Регулятор проверяется на устойчивость к длительным импульсам высокого напряжения и тока. Цель - убедиться, что регулятор не повреждается при таких воздействиях.
Все эти тесты проводятся в специализированных лабораториях с использованием стандартных оборудования и методик. Результаты тестов позволяют определить, насколько эффективно регулятор отопления справляется с электромагнитными воздействиями и обеспечивает надежную работу в реальных условиях.
Заключение
Обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) является важным аспектом при разработке и эксплуатации энергетических устройств. В данной статье мы рассмотрели основные принципы и методы обеспечения ЭМС, а также представили пример практического тестирования электромагнитной устойчивости регулятора отопления.
Понимание и применение принципов ЭМС помогут создавать более надежные и безопасные энергетические системы, способные работать в разнообразных условиях. Для успешной реализации проектов в области энергетики необходимо учитывать требования по электромагнитной совместимости на всех этапах проектирования, производства и эксплуатации электрооборудования.
Андрей Повный