1.4 Расчет электромагнитной совместимости

Экранированием называется локализация электромагнитной энергии в определенном пространстве за счет ограничения распространения ее всеми возможными способами.

Из этого определения следует, что в понятие экрана входят как детали механической конструкции, так и электротехнические детали фильтрующих цепей и развязывающих ячеек, ибо только их совместное действие дает необходимый результат.

Определение необходимости той или иной степени экранирования данной электрической цепи, так же как и определение достаточности того или иного вида экрана, почти не поддается техническому расчету, потому что известные теоретические решения отдельных простейших задач оказываются не применимыми к сложным электрическим цепям, состоящим из произвольно расположенных в пространстве элементов, излучающих электромагнитную энергию в самых разнообразных направлениях. Для расчета экрана пришлось бы учитывать влияние всех этих отдельных излучений, что невозможно. Поэтому от конструктора, работающего в этой области, требуется особенно ясное понимание физического действия каждой экранирующей детали, ее относительного значения в комплексе деталей экрана и умение выполнять ориентировочные подсчеты эффективности экрана.

Известно, что частота работы КЛ не значительна (в пределах 200 Гц). Это означает, что возникающее при работе поле будет мало и соответственно не требуется разработка экрана. Но согласно исходной схеме электрической принципиальной монтажные провода должны быть экранированные, чтобы не возникли наводки между ними.

Металлические экраны, наложенные поверх изолированных жил, защищают их от взаимного влияния и от влияния внешнего поля. Заряды на жилах, размещенных внутри экрана, индуцируют на его внутренней поверхности заряды, равные первым по величине, но противоположные по знаку. При этом на внешней поверхности экрана сосредоточиваются заряды, равные по величине и знаку зарядам жил. Заряды, расположенные вне экрана, не влияют на электрическое состояние жил кабеля, так как поле этих зарядов во внутреннем пространстве компенсируется полем зарядов, индуцированных на внешней поверхности металлического экрана.

По принципу действия экраны подразделяются на электростатические, магнитостатические и электромагнитные. Электростатические и магнитостатические экраны действуют благодаря повышенным электро и магнитопроводности применяемых материалов. Эти экраны эффективны лишь в области низких частот. В области высоких частот требуемый эффект достигается применением электромагнитных экранов, действие которых основано на отражении электромагнитных волн от поверхности экрана и затухания высокочастотной энергии в толще металлического экрана. Затухание энергии в экране обусловлено тепловыми потерями на вихревые токи. Чем выше частота передаваемой энергии и толще экран; тем больше затухание в экране. Отражение энергии от экрана связано с несоответствием волновых характеристик изоляционного материала и металлического экрана. Чем больше они различаются, тем сильнее сказывается эффект экранирования за счет отражения.

На рис. 1.4.1 изображена схема прохождения электромагнитной энергии через экран. Электромагнитная энергия поля помех W, достигнув экрана, частично проходит через него, затухая при этом в толще его, а частично отражается. Отраженная энергия на границе изоляция - экран обозначается W01 . На второй границе (экран - изоляция) происходит вторичное отражение энергии (W02 ), и лишь остаток энергии (Wэ ) проникает в заэкранированное пространство. В результате прохождения энергии через экран величина ее уменьшается от W до Wэ . В действительности процесс более сложный: энергия многократно отражается от границ изоляция - экран - изоляция.

Рис. 1.4.1. Схема прохождения электрической энергии через экран.

W-поле помех; W 01 и W 02 -отраженные поля; W э - поле за экраном.

Эффективность экранирования учитывают коэффициентом экранирования Э, представляющим собой отношение напряженностей электромагнитного поля в какой-либо точке экранированного пространства при наличии экрана (Е э и Н э ) к напряженности поля в этой же точке без экрана (Е и Н):

Коэффициент экранирования Э изменяется в пределах 1-10. Эффективность экрана можно выражать через затухание экранирования Аэ:

Чем меньше коэффициент экранирования Э, тем больше величина затухания экранирования А э. Коэффициент экранирования

где первый член в правой части соответствует экранированию поглощения, а второй-экранированию отражения; ? - толщина экрана; zи - волновое сопротивление изоляции; zм - волновое сопротивление металла экрана,

Затухание экранирования, характеризующее величину затухания, вносимого экраном,

где Ап - затухание экранирования поглощения; Ао - затухание от экранирования отражения.

Затухание от экранирования поглощения А II обусловлено тепловыми потерями на вихревые токи в экране. Чем выше частота и больше толщина экрана, тем больше эффект экранирования. С увеличением магнитной проницаемости м и проводимости экрана г улучшается экранирующий эффект; поэтому эффект экранирования магнитных экранов больше, чем немагнитных.

Затухание от экранирования на отражение А0 обусловлено несоответствием волновых сопротивлений изоляции zи и металла экрана zэ . Наиболее эффективными являются многослойные экраны (медь - сталь или медь - сталь - медь). Повышенная эффективность таких экранов объясняется дополнительными отражениями энергии на границах различных металлов и малыми потерями энергии благодаря наличию медного слоя экрана вблизи источника энергии. В медном слое преобладает затухание на отражение, а в стальном слое - затухание на поглощение.

Глубина проникновения поля

Экранирующее действие экрана коаксиального кабеля обусловлено поглощением энергии в толще экрана на вихревые токи. Коэффициент экранирования сплошного экрана (внешнего проводника коаксиальных кабелей) может быть определен по приближенной формуле

где ? - толщина экрана; D - внутренний диаметр экрана; k - коэффициент распространения. Сопротивление экрана из оплетки при низких частотах примерно равно сопротивлению при постоянном токе. При частотах выше 3 Мгц сопротивление линейно зависит от частоты:

где б - коэффициент рассеяния, зависящий от конструктивных данных оплетки, определяемый экспериментально.

Экранирующие свойства оплетки повышаются с увеличением ее плотности. На рис. 1.4.2 приведена зависимость от частоты переходного затухания между экранированными жилами с экранами в виде оплетки. Коэффициент экранирования металлических оплеток

где H - коэффициент спиральности оплеток, зависящий от отношений размеров r и l:

. . . 0 0,1 0,2 0,5 1 1,5 2,0 3,0 4,0 5.0

H. . . 1 0,015 1,044 1,156 1,489 1,94 2,23 3,17 4,17 5,55

l - шаг оплетки; b - расстояние между проволоками экрана; а - расстояние между центрами проволок экрана; r0 - радиус проволоки экрана; гэ - радиус экрана.

На рис. 1.4.3 показана зависимость экранного затухания А э от угла оплетки а. Идеальным экраном является сплошной цилиндрический экран (труба).

Рис. 1.4.2. Зависимость переходного затухания между экранированными жилами от частоты.

1 - однослойный экран из медной оплетки; 2 - двухслойный экран из медной и стальной оплеток; 3 - трехслойный экран из медной, стальной и медной оплеток.

Рис. 1.4.3. Зависимость экранного затухания от угла оплетки.

1 - сплошная трубка, 2 - оплетка с различными углами.

В случае оплетки экранное затухание возрастает с увеличением угла оплетки а и достигает максимального уровня, когда все проволоки экрана лежат параллельно оси провода.

Вторым видом экрана для кабелей и проводов является обмотка тонкими медными или алюминиевыми лентами, а также металлизированной бумагой. Экран в виде обмотки металлическими лентами отличается от оплошной трубки наличием в нем продольного магнитного поля, образуемого током, проходящим по лентам, наложенным по спирали. Возникновение дополнительной индуктивности экрана из медных лент приводит к возрастанию сопротивления и уменьшению экранирующей способности экрана.

Рис. 1.4.4. Зависимость экранного затухания для экранов из медных лент от частоты и ширины зазоров между витками обмотки.

1 - сплошной трубчатый медный экран; 2 - экран из обмотки медными лентами; 3 - то же, но с зазорами 13 мм; 4 - то же, но с зазорами 26 мм.

Рис. 1.4.5. Зависимость экранного затухания от отношения шагов наложения проволок экрана и скрутки жил в кабель.

1 - сплошной трубчатый медный экран; 2 - экран из лент, наложенных с перекрытием; 3 - экран с зазорами между витками шириной 1 мм; 4 - то же, но с зазорами в 6 мм.

На рис. 1.4.4 показана зависимость экранного затухания от частоты экрана из медных прямоугольных проволок, наложенных повивом. С увеличением зазора между проволоками экранное затухание резко уменьшается. На рис. 1.4.5 доказана зависимость экранного затухания от отношения шага наложения проволок экрана к шагу скрутки жил в экранируемом кабеле. В этом случае максимальный экранирующий эффект достигается при совпадении шагов наложения обмотки экрана и скрутки жил.

1.5 Расчет надежности линейного коммутатора