CC BY
231
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОМЕХИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ: ПРИНЦИПЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ВЛИЯНИЕ НА ЭЛЕКТРОННОЕ
ОБОРУДОВАНИЕ
Шабалина Наталья Анатольевна
аспирант кафедры электронных систем Национального минерально-сырьевого университета «ГОРНЫЙ»,
г. Санкт-Петербург E-mail: astra. nat@spm i. ru
INDUSTRIAL ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE: ORIGIN AND IMPACT ON ELECTRONIC EQUIPMENT
Natalia Shabalina
Graduate of Electronic systems Department of National Mineral Resources
University, St. Petersburg
АННОТАЦИЯ
В статье представлен обзор вероятных источников индустриальных электромагнитных помех, возникающих на объектах промышленности при работе различных устройств и оказывающих негативное влияние на работу телекоммуникационного оборудования. Дано описание основных видов электромагнитных помех промышленного характера.
ABSTRACT
The article presents an overview of the likely sources of industrial electromagnetic interference caused by industrial facilities in the various devices and have a negative impact on the operation of telecommunication equipment. A description of the main types of electromagnetic interference industrial nature.
Ключевые слова: помеха; телекоммуникации; спектр; узкополосная помеха; широкополосная помеха.
Keywords: interference; telecommunications; spectrum; narrowband
interference; wideband interference.
Системы связи и передачи информации находят применение во всех сферах жизни общества. Они используются не только для непосредственной передачи информации между абонентами, но так же для связи на различных
промышленных узкоспециализированных объектах, на промышленных предприятиях, в цехах, складах и т. д. В связи с этим растут требования к частотным характеристикам, скоростям передачи в телекоммуникационных каналах на данных объектах промышленности.
Повышение устойчивости телекоммуникационных каналов и эффективности систем передачи информации в настоящее время является важнейшей проблемой современной теории и техники связи.
Источники индустриальных помех очень разнообразны. Это обусловлено тем, что работа любого электромагнитного устройства вызывает электромагнитное излучение. Помехи создаются энергетически и электротехническим оборудованием, высоковольтными линиями электропередачи, промышленным электрическим транспортом. Следует отметить, что источники электромагнитного излучения весьма произвольно и случайно распределены в пространстве. Их влияние тем сильнее, чем ближе они расположены к телекоммуникационному оборудованию.
С точки зрения проблем электромагнитной совместимости под внешними электромагнитными помехами понимаются излучения, генерируемые в широком диапазоне частот внешними по отношению к электротехническим устройствам и комплексам источниками самой разнообразной природы. В качестве таких источников могут выступать различные элементы электротехнических систем, генерирующие электромагнитные поля [1, с. 61].
Существует довольно много признаков, пригодных для классификации электромагнитных помех как целом, так и в промышленности в частности. Помехи могут быть:
• узкополосными и широкополосными;
• низкочастотными и высокочастотными;
• индуктивными и кондуктивными.
Узкополосные, широкополосные, низкочастотные и высокочастотные помехи характеризуются с точки зрения частотных свойств вредного электромагнитного излучения. Очевидно, что наиболее опасными для систем
передачи информации являются те помеховые воздействия, составляющие спектра которых лежат в одной полосе частот с полезным сигналом, такие составляющие беспрепятственно могут быть пропущены входными фильтрующими цепями приемных устройств и далее обрабатываться так же, как и полезный сигнал, внося тем самым искажения в принимаемый информационный сигнал.
Таблица 1
Параметры электромагнитных помех____________________
Параметр ЭМП Значения
Частота, МГ ц 0—10000
Максимальное значение напряжения, В 0,01—1000000
Максимальное значение тока, А 0,0001—100000
Напряженность электрического тока, В/м 0—100000
Длительность импульса, с 0,0001—10
Энергия импульса, Дж 0,001*10-6—1000*106
Кондуктивные электромагнитные помехи влияют на системы связи через электромагнитное поле, а кондуктивные — через гальванические связи между элементами электронных схем.
Из всего многообразия факторов или параметров, влияющих на ЭМС технических средств можно выделить основные и наиболее значимые:
• устойчивость к колебаниям напряжения (ГОСТ Р 51317.4.14-2000);
• устойчивость к электростатическим помехам (ГОСТ 513.17.4.2-99);
• устойчивость к излучаемым электромагнитным и радиочастотным помехам (ГОСТ Р 51317.4.3-99; ГОСТ Р 51317.4.1-2000 — стандарт применяется при установлении требований к электротехническим, электронным и радиоэлектронным изделиям, оборудованию и системам по устойчивости к электромагнитным помехам и соответствующих видов
испытаний применительно к условиям электромагнитной обстановки при эксплуатации технических средств;
• устойчивость к кондуктивным помехам, наведенным радиочастотными электромагнитными полями (ГОСТ Р 51317. 4.6-99);
• устойчивость к радиопомехам от электрического, светового и аналогичного оборудования (ГОСТ Р 51318.15-99);
• уровень электромагнитных помех (электромагнитная обстановка) (ГОСТ Р 51317.2.2-2000; ГОСТ Р 51317.2.5-2000);
• устойчивость к динамическим изменениям напряжения электропитания (ГОСТ Р 51317.4.11-99).
Признаками прохождения радиопомех через антенну по наблюдаемому эффекту на выходе РПМ являются:
• Полное пропадание помех на выходе при отсоединении антенны от РПМ и подключения вместо нее эквивалента антенны;
• Изменение уровня помех синхронно с изменением направления антенны приемника-рецептора помех при неподвижной антенне источника помех;
• Существенная зависимость уровня помех от типа используемой антенны или места ее расположения на объекте;
• Значительное уменьшение уровня помех при полном или частичном экранировании раскрыва антенны.
Электромагнитные помехи, которые оказывают существенное влияние на электромагнитную обстановку в каналах связи делят, в первую очередь, по их спектральным характеристикам на узкополосные и широкополосные. К первым обычно относятся помехи от систем связи на несущей частоте, систем питания переменным током и т. п. Их отличительной особенностью является то, что характер изменения помехи во времени является синусоидальным или близок к нему. При этом спектр помехи близок к линейчатому (максимальный уровень — на основной частоте, пики меньшего уровня — на частотах гармоник). Широкополосные помехи имеют существенно несинусоидальный характер и обычно проявляются в виде либо отдельных импульсов, либо их
последовательности. Для периодических широкополосных сигналов спектр состоит из большого набора пиков на частотах, кратных частоте основного сигнала. Для апериодических помех спектр является непрерывным и описывается спектральной плотностью. Типичными широкополосными помехами являются [3, с. 218—225]:
• шум, создаваемый в сети питания аппаратуры при работе импульсного блока питания;
• молниевые импульсы;
• импульсы, создаваемые при коммутационных операциях;
• ЭСР.
Особенно опасны составляющие спектра помехи, лежащие в той же полосе частот, что и рабочие сигналы. Обычно такие составляющие беспрепятственно минуют входные фильтры и далее обрабатываются так же, как если бы они были полезными сигналами. В результате повышается число ошибок в канале передачи информации. В отдельных случаях может происходить даже физическое повреждение элементов сигнального тракта.
Среди всех вариантов влияния электромагнитных помех на аппаратуру связи можно выделить некоторые основные варианты:
1. Искажение сигналов во внешних информационных цепях (рис. 1)
а) действие индуктивных электромагнитных помех, наводящих кондуктивные помехи в информационных цепях;
б) наличие гальванической связи между подверженной влиянию цепью и источником внешних помех (кондуктивный механизм).
Сравнительно низкочастотные (до 10—20 МГц) составляющие помехи, лежащие вне рабочей полосы частот канала связи, обычно воздействуют на ближайшие к входам схемные элементы.
Рисунок 1 — Возникновение помех в линии связи: а) — ЭДС помехи Еп создается под действием внешнего электромагнитного поля (индуктивный механизм), б) — напряжение ип создается при протекании тока помехи 1п через общее для устройств 2 и 3 сопротивление заземления Z (кондуктивный механизм) [2]
2. Искажение сигналов в антенных цепях. Электромагнитное поле помехи промышленной частоты вызывает в цепях антенны ЭДС помехи. Однако, как правило, амплитуды такого рода помех малы и не оказывают существенного влияния.
3. Помехи на входах питания радиоаппаратуры. Частоты помех могут меняться в очень широких пределах: от десятков герц до радиочастотных значений (при работе некоторых блоков питания).
4. Непосредственное влияние внешних электромагнитных индустриальных помех на внутренние цепи радиоаппаратуры. Этот случай возникает в случае отсутствия у прибора экранирующего корпуса либо в случае недостаточности защитных свойств этого корпуса.
5. Возникновение токов помех на металлических корпусах аппаратуры. Внешние паразитные электромагнитные поля наводят токи помех в экранирующих корпусах и экранах.
6. Помехи от промышленного электротранспорта. Помехи от электрического транспорта на переменном токе обычно представляют собой электрические и магнитные поля промышленной частоты с наложенными на них пачками импульсов, напоминающие коммутационные помехи. Эти поля создают наводки с аналогичными частотными характеристиками в цепях питания, заземления и обмена информацией. Источником полей промышленной частоты здесь служит переменный ток, потребляемый транспортом. Импульсные помехи возникают в моменты искрения контактов, резкого включения или выключения двигателя [4, с. 89—96].
Источниками электромагнитных помех довольно часто являются переходные процессы в сетях высокого и низкого напряжения. Переходные процессы и перенапряжения возникают в сетях питания при изменении напряжения и при включении индуктивных потребителей или при включении емкостных нагрузок, при срабатывании предохранителей при коротком замыкании, перегрузках и перенапряжениях в сетях. В промышленности часто присутствуют периодически повторяющиеся процессы коммутации в выпрямителях тока. Количество энергии в данных случаях изменяется в достаточно больших диапазонах. В распределительных устройствах при процессах коммутации, замыкания и размыкания возникают процессы и перенапряжения, которые могут достигать значений порядка 20 кВ.
Как правило, выделяют следующие основные этапы решения проблем мешающего влияния электромагнитных помех: анализ характера сторонних электромагнитных воздействий в зависимости от природы их возникновения, частотных диапазонов и интенсивности; исследование законов распространения помех, а так же степени влияния на полезный передаваемый сигнал; разработка или выбор из уже существующих мер по защите каналов передачи информации от внешних шумовых электромагнитных воздействий.
Помехи от различных источников могут быть схожими по своим частотным и импульсным характеристикам. Это объясняется тем, что механизмы генерации этих помех могут быть аналогичны. Таким образом,
можно выделить базовый набор помех для того, чтобы обеспечить хорошую помехоустойчивость аппаратуры в реальной электромагнитной обстановке. Качественное понимание проблем электромагнитной совместимости позволяет в большинстве случаев достигать оптимальных результатов с точки зрения обеспечения качественного помехоподавления в системах промышленной электроники.
Список литературы:
1. Белашов В.Ю., Чураев Р.Р. Оценка уровня коммутационных полевых помех, возбуждаемых токоограничителем // Изв. вузов. Проблемы энергетики. — 2004. — № 1 — 2. — С. 59—70.
2. Вербин В.С. Обзор типов и источников электромагнитных помех, влияющих на работу электронной аппаратуры. [Электронный ресурс] — Режим доступа. — Ц^: http://www.ezop.ru
3. Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информации/А.Г. Зюко, А.И. Фалько, И.П. Панфилов, В.Л. Банкет, П.В. Иващенко; Под ред. А.Г. Зюко. — М.: Радио и связь, 1985. — 272 с., ил.
4. Управление радиочастотным спектром и электромагнитная совместимость радиосистем. Учебн. пособие/ Под ред. Д.т.н., проф. М.А. Быховского. — М.: Эко-Трендз, 2006. — 376 с.:илл.
