Из рисунка видно, что затухание в многослойном экране определяется отражением электромагнитной волны от всех границ раздела сред и поглощением в каждом слое.
Общее затухание в трехслойном экране определяется по формуле:
n+1 n AОБЩ = АОТР + AПОГЛ 1 Здесь: n - число слоев; n+1 - число границ раздела сред.
Если конструктивно слои выполнить с воздушным зазором, то число границ раздела и слоев удвоится. Вместо зазоров можно ввести слои из диэлектрика, что тоже увеличит число отражений, но позволит сохранить жесткость экрана.
Наиболее перспективен трехслойный экран, выполненный из стали (железа) с омеднением обеих поверхностей.
8.9. Некоторые рекомендации по выполнению много-, трехслойных экранов 1. Отражение энергии в многослойном экране с металлическими слоями определяется в основном наружными поверхностями, а граница «металл-металл» почти не работает на отражение. Поэтому, если нужно обеспечит затухание за счет отражения, то лучше чередовать слои «металл-диэлектрик» (или «металл-воздух»).
2. Экранирование за счет поглощения энергии эффективнее только на радиочастотах (МГц), т.е. когда глубина проникновения поля в металл меньше толщины слоя.
3. Применение двух- и трехслойных экранов с металлическими слоями целесообразно тогда, когда слои выполняют качественно различные функции. Например: медный слой обеспечивает отражение, а стальной - поглощение энергии на высоких частотах и экранирование магнитостатических полей.
4. С повышением частоты поглощение энергии и нагревание экрана растут, и на высоких частотах лучше перейти к хорошо отражающим слоям с малым поглощением.
Стальным можно оставлять только последний слой, через который проходит наименьшая мощность.
5. Большое поглощение энергии поля в стали вносит большие потери в объект экранирования (снижает добротность катушек и контуров, вносит затухание во внутренние линии передачи энергии и т.д.).
8.10. Перфорированные экраны (экраны с отверстиями) Эффективность экранирования замкнутого металлического экрана может быть получена сколь угодно высокой при соответствующем выборе материала и его толщины. Однако практически полностью сплошными экраны не бывают из-за наличия крышек для доступа к узлам аппаратуры, швов, отверстий и для соединительных входных и выходных проводов, кабелей, разъемов, вводов питания, переключателей, измерительных приборов, а также вентиляции, механических соединений и т.д.
Образующиеся дополнительные каналы проникновения электромагнитного поля не должны существенно снижать эффективность экранирования.
Для повышения эффективности экранирования экранов с отверстиями рекомендуется:
1) располагать отверстия в зонах со слабыми электромагнитными полями;
2) при заданной площади перфорации, исходя из конструктивных соображений, необходимо уменьшать диаметр отверстий и увеличивать их число;
3) Выполнять отверстия щелевыми, располагая их длинные стороны вдоль линий вихревых токов, наведенных в стенках экрана (перпендикулярно силовым линиям магнитного поля).
9. КОНДУКТИВНЫЕ ПОМЕХИИ ИХ ПОДАВЛЕНИЕ.
ПОМЕХИ В ЦЕПЯХ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Без электропитания не обходится ни одна СУ, если она не основана на иных принципах (механическом, гидравлическом или пневматическом). В системах электроавтоматики все элементы объединяются шинами электропитания и, следовательно, через эти шины взаимодействуют друг с другом, а также воспринимают нестабильность самого источника питания.
9.1. Принципы построения устройств и систем электропитания В стационарных условиях для питания СУ используется сеть переменного тока промышленной частотой 50 Гц - однофазная или трехфазная. На автономных объектах - самолетах, кораблях, космических ракетах или станциях - используются автономные агрегаты электроснабжения, преобразующие механическую, тепловую, атомную, солнечную, химическую энергии в электроэнергию переменного тока, но чаще постоянного тока. В большинстве случаев для питания СУ требуется постоянный ток, а отдельные блоки СУ могут требовать для своего питания постоянный ток различного напряжения.
Первичный источник электроэнергии чаще всего не может обеспечить надежность и ряд других показателей СУ. Поэтому между ними и СУ включается специальное преобразующее устройство, называемое источником вторичного электропитания (ИВЭП), Назначение ИНЭП состоит в передаче электроэнергии от первичного источника к СУ с минимальными потерями и необходимым преобразованием количественных и качественных характеристик в условиях возмущающих воздействий.
Таким образом, функции, выполняемые ИВЭП, состоят в однократном или многократном преобразование рода тока (переменный в постоянный или наоборот), изменении уровня напряжения (трансформация), стабилизации и регулировании напряжения или тока, подавлении пульсации и шумов выходного напряжения или кота (фильтрация). ИВЭП содержат также устройства защиты, блокировки и диагностики (сигнализации), что повышает их надежность и позволяет обнаруживать и устранять неисправности, возникающие в процессе эксплуатации.
ИВЭП могут выполнять либо одну из указанных выше функций, либо их произвольную комбинацию.
Свойства ИВЭП задаются некоторым множеством (совокупностью) их параметров и характеристик.
Параметры ИВЭП подразделяются на выходные, качественные и энергетические.
К выходным параметрам относятся: выходное напряжение, ток нагрузки, пределы регулирования выходного напряжения (тока) и др.
К качественным параметрам следует отнести: абсолютную и относительную нестабильность выходного напряжения (тока), коэффициент стабилизации, внутреннее сопротивление, коэффициент сглаживания пульсации (для источников постоянного тока) и др.
Энергетическими параметрами источника электропитания являются: КПД, полная, активная и реактивная мощности, потребляемые от ИВЭП, коэффициент мощности cos, выходная мощность и др.
9.2. Общая характеристика помех в цепях первичного и вторичного электропитания Так как система электроснабжения (совокупность источников первичного и вторичного электропитания) не является системой бесконечно большой мощности, то подключение к ней все большого числа потребителей приводит к понижению уровня первичного питающего напряжения. И, наоборот, отключение ряда потребителей приводит к повышению напряжения. Где-то в средней части предельных уровней первичного питающего напряжения (между холостым ходом и максимальной нагрузкой) располагается уровень называемый номинальным. Для промышленной сети это - 220 В в фазе и В в линии. В настоящее время с помощью различных регулировок питающих синхронных генераторов электростанций и путем умощнения сети за счет кольцевого объединения большого числа генераторов достигнуто предельное отклонение от номинального значения ±10%. Это является большим достижением современной электроэнергетики. В прошлом имело место +15...-20%. Очень большое падение напряжения сети обусловливали линии электропередачи и преобразовательно-трансформаторные подстанции.
Значительно большее изменение напряжения первичной питающей сети допускают автономные агрегаты электроснабжения, предназначенные для питания ограниченного числа потребителей, причем суммарная мощность потребления оказывается соизмеримой с мощностью самого агрегата. Здесь пределы изменения существенно больше - +20...-30%.
Таким образом, изменение питающего напряжения выступает как помеха для систем электроавтоматики. Кроме того, ситуация усугубляется, если уровень мощности подключаемой или отключаемой нагрузки значителен, что приводит к резким скачкам или провалам питающего напряжения. Питающая линия, которая обладает конечной индуктивностью, немедленно приводит к увеличению бросков напряжения.
Источником значительной помехи выступают и сами потребители, соединяемые с сетью при помощи контактного аппарата. Особенно, если потребители имеют в своей структуре индуктивный накопитель энергии.
Источником достаточно мощной помехи выступают также коллекторные электрические двигатели, которые вносят в сетевое напряжение не только пульсацию, но и искровые разряды периодического характера.
Вообще любая коммутация как контактного, так и бесконтактного типа, приводит к образованию помехи. И в первую очередь, это связано с индуктивностью и емкостью питающей линии. Не меньшее значение имеет и наличие накопителей энергии в структуре потребителя.
И, конец, образование импульсных перепадов напряжения и тока в питающей линии, обладающей распределенными индуктивно-емкостными параметрами, приводит к возникновению волновых процессов, выступающих как вторичная, производная помеха.
Источники вторичного электропитания, выступающие в качестве согласующих устройств между первичным источником электроэнергии и потребителем, являются источниками разнообразных помех. Наличие в структуре ИВЭП выпрямителей приво дит к образованию пульсации выпрямленного напряжения. Ключевые регулирующие элементы создают коммутационные помехи.
Для подавления разнообразных помех в цепях первичного и вторичного электропитания используются следующие методы:
1) Стабилизация напряжения и тока (параметрическая и компенсационная).
9.3. Стабилизация напряжения (тока) Стабилизаторами напряжения (тока) называются устройства, предназначенные для автоматического поддержания постоянства напряжения (тока) в нагрузке при колебаниях напряжения источника тока или изменение сопротивления нагрузки.
В настоящее время разработано большое количество различных типов стабилизаторов напряжения, предназначенных для работы в цепях переменного и постоянного тока.
Основными методами стабилизации являются параметрический и компенсационный.
При параметрической стабилизации напряжения стабилизатор должен иметь в своей структуре два элемента: линейный 1, включаемый последовательно с нагрузкой zH (rH ) и нелинейный 2, включаемый параллельно нагрузке.
Рис.9.1.
Дестабилизирующий фактор действует непосредственно на нелинейный элемент и автоматически с заданной точностью, определяемой свойствами нелинейного элемента, стабилизирует на нагрузке UCT.
Если стабилизатор работает в цепи постоянного тока, то оба элемента обладают активными сопротивлениями, а в качестве нелинейного элемента используются кремниевые стабилитроны.
В цепях переменного тока линейный элемент может быть как активным, так и реактивным, а в качестве нелинейного элемента используется дроссель или трансформатор с насыщающимся сердечником.
Вольтамперная характеристика нелинейного элемента должна иметь участок ab, в пределах которого напряжение на элементе существенно не изменяется при протекании по нему тока от Imin до Imax.
При компенсационном методе стабилизации напряжения стабилизатор обычно состоит из трех элементов: регулирующего 1, измерительного 2 и усилительного 3. Регулирующий элемент может включаться как последовательно, так и параллельно нагрузке, измерительный - всегда параллельно нагрузке. Усилительный элемент иногда может отсутствовать, если сам регулирующий элемент обладает достаточными усилительными свойствами. При параллельном включении регулирующего элемента в схему вводится балансовый резистор Rб.
Рис.9.1.
Характерной особенностью стабилизаторов компенсационного типа является наличие обратной связи между входом и выходом.
Принцип действия компенсационного стабилизатора. Дестабилизирующий фактор, действуя на измерительный элемент 2, вызывает на нем изменение напряжения (отклонение). В результате обратного воздействия усиленного отклонения на регулирующем элементе изменяется режим его работы, приводящий к изменению падения напряжения на регулирующем элементе в последовательной схеме или на балансовом резисторе в параллельной схеме.
Стабилизатор напряжения характеризуется следующими параметрами:
1) коэффициент стабилизации, Рис.9.3.
Uвх Uвых кСТ = :
Uвх.ном Uвых.ном то есть отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора (или на нагрузке).
Практически имеем:
для параметрического стабилизатора для компенсационного стабилизатора кСТ= 1520 кСТ= Для многокаскадного стабилизатора: кСТ = кСТ1 кСТ2 …..
2) Сопротивление входа по постоянному и по переменному току:
UВХ UВХ RВХ.СТАТ =, RВХ.ДИН = IВХ IВХ 3) Сопротивление выхода по постоянному и по переменному току:
В качестве коэффициента сглаживания может использоваться кСТ. Чем больше кСТ, тем лучше стабилизатор сглаживает пульсации.
Параметрический стабилизатор имеет КПД = 0,10,15.
Последовательный и параллельный компенсационный стабилизаторы имеют соответственно:
последовательный - = 0,60, параллельный - = 0,30,Вывод: непрерывный режим работы регулирующего элемента приводит к значительному рассеянию мощности.
Ключевой режим компенсационного стабилизатора. Можно значительно сократить мощность, рассеиваемую на регулирующем элементе, и этим значительно повысить КПД стабилизатора, если регулирующий элемент заставить работать в ключевом режиме («открыт» - «закрыт»). Управление регулирующего элемента в этом случае будет производиться не путем непрерывного изменения сигнала управления, а изменением соотношения времен замкнутого и разомкнутого состояния полупроводникового ключа (транзистора или тиристора).
Схема ШИМ играет роль измерительного органа и модулятора одновременно.
Рис.9.5.
Рис.9.6.
Стабилизатор регулирует среднее значение выходного напряжения. Для выделения постоянной составляющей используется специальный фильтр, без которого стабилизатор неработоспособен. Так как частота переключений ШИМ велика, то масса и габариты фильтра невелики.
9.4. Сглаживающие фильтры Применение выпрямителей, особенно выпрямителей однофазного тока, приводит к появлению достаточно глубоких пульсаций, которые необходимо сглаживать. Для этого используются сглаживающие фильтры.
Рис.9.7.
Коэффициент пульсации. Коэффициент пульсации характеризуется отношением амплитуды 1-ой гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения к его постоянной составляющей. На входе и выходе фильтра соответственно имеем:
Um1.вх Um1.вых кП.ВХ = и кП.ВЫХ = Uo.вх Uo.вых Коэффициент сглаживания фильтра показывает во сколько раз коэффициент пульсации на входе фильтра больше, чем на его выходе:
кП.ВХ Um1.вх Uо.вых кСГЛ = = =кфко кП.ВЫХ Um1.вых Uо.вх Um1.вх где кф = - коэффициент фильтрации, показывающий во сколько раз Um1.вых фильтр ослабляет переменную составляющую выпрямленного напряжения;
Uо.вых ко = - коэффициент ослабления (снижения) постоянной составляюUо.вх щей выпрямленного напряжения.
Рассмотрим ряд конкретных схем сглаживающих фильтров.
Индуктивный фильтр - последовательный сглаживающий дроссель. Используется преимущественно при низкоомной нагрузке.
Рис.9.8.
2 I1 Rдр +Rн +П L др Um1.вх = к = ф Um1.вых I1Rн Uо.вых IoRн ко = = Uо.вх Io Rдр +Rн Rдр +Rн 2 +хдр хдр >> кСГЛ =кфко = = 1+ Rн +Rдр Rн +Rдр Необходимость низкоомной нагрузки при использовании индуктивного фильтра вытекает из соотношения:
хдр >> Rн +Rдр Емкостный сглаживающий фильтр - конденсатор, подключенный параллельно нагрузке. В этом случае переменная составляющая тока преимущественно замыкается через конденсатор, который не пропускает постоянную составляющую тока. Для этого необходимо:
Rн >> =хс ПС Следовательно, этот вид фильтра целесообразно применять при высокоомной нагрузке. В идеальном случае - это фильтр без потерь, поэтому:
Uо.вых Uо.вх =Uо.вых и ко = =Uо.вх За счет шунтирующего действия конденсатора переменная составляющая тока, проникающая в нагрузку, сильно ослабляется.
Рис.9.9.
Коэффициент фильтрации можно представить в виде:
2 1 1 + +ПС I~вх Gвх Rн х Rн с 2 кф = = = = = 1+ПС2Rн =ПСRн 1 I~вых Gвых Rн Rн Так как ко =1, то кСГЛ =кф =ПСRн Сглаживающий LC-фильтр. Дроссель фильтра должен обладать большой индуктивностью при возможно малом сопротивлении постоянному току. Для переменной составляющей имеет место большое падение напряжения на дросселе и незначительное на нагрузке. Для постоянной составляющей - наоборот. Конденсатор должен иметь большую емкость, чтобы создать для переменной составляющей шунтирующую цепь, минуя нагрузку.
Допущения:
1) Rдр << ПL, Rдр = 0 (пренебрегаем) 2) Rн >> хС =, ПС Rн на сглаживание не влияет, так как ток I1 в Rн практически не протекает Рис.9.10.
