Особенности помеховых электромагнитных полей в ближней зоне излучения от импульсных преобразователей электрической энергии

УДК 621. 311.6

ОСОБЕННОСТИ ПОМЕХОВЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

А.И. ЧЕРНЫШЕВ, Ю.А. ШИНЯКОВ, А.Н. СЕЛЯЕВ, А.М. ГАВРИЛОВ

Рассматриваются особенности помеховых электромагнитных полей (ЭМП), излучаемых импульсным преобразователем энергии системы электроснабжения космического аппарата (КА). Отмечено, что проблемы подавления электромагнитных помех внутри КА относятся к задачам электромагнитной совместимости в ближней зоне. Показано, что для расчета ЭМП в ближней зоне защищаемого диапазона частот от 0,15 до 1000 МГц необходимо учитывать как симметричную помеху (излучающий контур), так и несимметричную (излучающий диполь).

Применение в автономных системах электроснабжения (СЭС) космических аппаратов (КА) импульсных преобразователей напряжения позволяет улучшить удельные показатели энергопреобразующей аппаратуры СЭС. Однако компактное расположение бортового оборудования, ограничения по массе и габаритам ужесточают требования по электромагнитной совместимости применяемых устройств, вызывают необходимость мероприятий по улучшению бортовой электромагнитной обстановки (ЭМО) автономного объекта в целом. Влияние и засоряющее действие помех от работы импульсных преобразователей распространяются практически на весь защищаемый спектр частот: от 0,15 до 1000 МГц, который является достаточно ограниченным природным ресурсом, так как выделенные полосы радиочастот приемопередающих станций перегружены и используются с высоким уплотнением между собой. Электрические цепи, по которым происходит импульсный обмен энергией между элементами преобразователя, можно представить в виде высокочастотного генератора, модулирующего постоянный ток в переменный высокой частоты и нагруженного на своеобразную антенну, которая образует собственный излучающий контур [13]. Паразитные электромагнитные излучения рассматриваемого контура хорошо воспринимаются проводами, антеннами радиоприемных систем, корпусами различных устройств, бортовой кабельной сетью (вследствие недостаточного экранирования), элементами монтажных схем, цепями электропитания и управления. Это не позволяет эффективно обеспечивать качественную электромагнитную совместимость импульсных преобразователей напряжения с радиоэлектронными системами различного назначения, расположенными в непосредственной близости или имеющими с ними общие шины питания.

Таким образом, необходимо на этапе проектирования оценить помеховые электромагнитные поля (ЭМП), возникающие внутри и в непосредственной близости к импульсному преобразователю, чтобы найти эффективные конструктивно-технические решения для устранения паразитных напряженностей электромагнитных полей радиопомех и от самого импульсного преобразователя, и от его кабельных линий, которые могут рассматриваться как излучающие антенные контуры.

Распространение ЭМП описывается уравнениями Максвелла [1], которые в сферической системе координат имеют вид

© А.И. Чернышев, Ю.А. Шиняков, А.Н. Селяев, А.М. Гаврилов Проблемы энергетики, 2003, № 1-2

д(Еф зіпв) дЕв

= - і 2яг/цНг зіпв,

дв дф д(Нф %іпв) дНв

дв - дф

= (1/р + і2ц[е)гЕг «іпв,

д(гЕв) дЕг

= - і ІтрНф,

дг дв

д(гНв) дНг

Г- = (1/ Р + І2ф)тЕф,

дг дв

Для однородной среды с удельным сопротивлением р, Ом • м, магнитной

проницаемостью е = е^ег * 8,854ег , пФ/м, волновое сопротивление, Ом, можно записать формулой

или в комплексном виде а = а + ів,

где а - коэффициент поглощения; в- фазовая постоянная ЭМП.

Следовательно, электромагнитное излучение, пройдя в среде расстояние г, м, ослабляется в ехр(аг) раз и сдвигается по фазе на в, рад. Кроме того, происходит обмен энергией между электрическим и магнитным полем, так что сопротивление волны 2ф стремится к Zо по мере удаления от источника (рис. 1).

Характеристики поля определяются источником, окружающей его средой и расстоянием от источника до точки наблюдения. Вблизи источника свойства поля обусловлены в основном его характеристиками, а вдали зависят, главным образом, от среды, в которой оно распространяется. Поэтому окружающее пространство можно разделить на две зоны (рис. 1). Рядом с источником расположена ближняя зона, или индуктивное поле, а на расстоянии, превышающем длину волны А, поделенную на 2п(примерно 1/6 А) - дальняя, поле излучения. Область около А2п является переходной между ближней и дальней зонами.

проницаемостью ц = Цо№Г * 1,257^г, мкГн/м, и диэлектрической

Z = [ і 2т#цр/(1 + і 2Пер)]1/2,

а постоянную распространения - выражением

= {і2ПМ(1/р) + і2Пе]}1/2 ,

Рис.1. Волновое сопротивление электромагнитных полей

Отношение напряженности электрической составляющей поля Е к напряженности магнитной составляющей Н представляет собой полное волновое сопротивление поля. В дальней зоне это отношение равно полному характеристическому сопротивлению среды. Например, в воздушном или свободном пространстве Е/Н= Zо =377 Ом. Следовательно, для определения составляющих ЭМП достаточно знать одну из них - Е или Н. В ближней зоне значения этого отношения определяются параметрами источника и расстоянием от него до рассматриваемой точки. Если в источнике генерируется большой ток и низкое напряжение (Е/Н < Z о), в ближней зоне поле будет в основном магнитным, и наоборот, если в источнике малый ток и высокое напряжение (Е/Н > Z о), в ближней зоне преобладает электрическая составляющая ЭМП.

Вблизи антенны в виде штыря или натянутого провода, где преобладающим является электрическое поле, а импеданс источника - генератора велик, полное волновое сопротивление также велико. По мере увеличения расстояния интенсивность электрического поля падает, так как оно создает дополняющее его магнитное поле.

В ЭМП, в котором преобладает магнитная составляющая (такое поле создает, например, петлевая антенна), полное волновое сопротивление вблизи антенны мало, при удалении от антенны увеличивается и на расстоянии Л/2п приближается к значению Zо. В дальней зоне как электрическая, так и магнитная составляющая ЭМП затухают пропорционально (1/г).

В основной нижней части защищаемого диапазона (1^100 МГц) почти все наводки внутри электронного и электротехнического оборудования СЭС КА определяются условиями ближней зоны, поскольку ближнее поле на этих частотах распространяется на расстояние от 0,5 до 50 м. Учитывая компактное расположение бортового оборудования КА, взаимовлияние входящих в него устройств существенно. Отсюда следует, что подавление электромагнитных помех внутри любого электротехнического оборудования, и в частности импульсного преобразователя энергии, это проблема в ближней зоне. При этом помеховое ЭМП по электрической и магнитной составляющей надо рассматривать раздельно, так как отношение их напряженностей не является постоянной величиной. Таким образом, необходимо уже на стадии проектирования импульсных преобразователей выявлять характер ЭМП, чтобы провести эффективные конструктивно-технологические мероприятия для подавления контурных электромагнитных излучений.

Помехи, распространяющиеся в виде взаимных электромагнитных колебаний в цепях электропитания, управления, контроля, называются кондуктивными (обобщенная схема их воздействия показана на рис. 2). В общем случае между зажимами 1 и 2 источника помех (ИП) существует так называемое

симметричное напряжение помехи иИП , которое образует контурное излучение.

А между каждым из зажимов и корпусом (или «землей») - несимметричные

напряжения помех иИП, реализующие дипольное излучение. Симметричные

токи помех протекают по цепи, содержащей внутренние сопротивления ИП Z ИП

и рецептора помехи (РП) 2рП , включающие сопротивления цепей, связывающих корпуса устройств с «землей» [4].

Рис. 2. Обобщенная схема воздействия кондуктивных помех

Появление напряжения помех может быть связано с рядом причин, в частности с наличием гальванической связи, обусловленной несовершенством изоляции или общими цепями заземления. В последнем случае протекание токов в одной из цепей создает напряжение на сопротивлении заземления и, соответственно, токи в цепи рецептора. Другая причина появления кондуктивных

помех - электромагнитные связи электрических цепей с источником помех, которые наводятся в соединительных проводниках внешним ЭМП. Кроме того, они могут появиться под влиянием внутреннего ЭМП в близко расположенных проводниках других цепей, в частности при параллельной прокладке различных кабельных линий. Третьей причиной появления данного типа помех могут быть токи в проводниках различных электрических сетей и в протяженных металлических конструкциях, например в различных трубах, которые могут, в свою очередь, создавать помехи в электрических цепях других РП. Наиболее опасны электромагнитные помехи, созданные несимметричными токами. Помехи от симметричных токов менее существенны, так как из-за близости проводников, по которым протекают противофазные токи, ЭМП каждого из них в значительной мере компенсируют друг друга.

Для малых объектов случай воздействия помех в ближней зоне более распространен и соответствует низкочастотным помехам (для которых выполняется условие г <Л/2п) [4]. Связь ИП с РП в ближней зоне определяется электрическим (электрическая, или емкостная, связь) (рис. 3,а) или магнитным (магнитная, или индуктивная, связь) полями (рис. 3,в). Данные виды связи можно представить как следствие влияния паразитных емкостей (рис. 3,б) или взаимной индуктивности (рис. 3,г) между цепями ИП и РП. В любых реальных цепях, находящихся по отношению друг к другу в ближней зоне, безусловно, присутствуют оба типа связи, однако, как правило, один из них доминирует. Если взаимодействующие цепи по своим свойствам подобны электрическим диполям, преобладающей является электрическая (емкостная) связь. Цепям, подобным магнитным вибраторам, т.е. представляющим собой замкнутые витки (контур), соответствует магнитная (индуктивная) связь.

Поскольку напряженность электрического поля Е, создаваемого диполем, пропорциональна приложенному напряжению и, электрические цепи с большим

сопротивлением являются источниками электрического типа (ип = Рип ЯП, где ип , Рип и Яп - соответственно напряжение, мощность помехи и полное сопротивление цепи). Аналогично напряженность магнитного поля Н, создаваемого контуром, пропорциональна току I, так как электрические цепи с малым сопротивлением являются источниками магнитного типа

(1П = РИПІКП , где ІП - ток помехи).

При одинаковых линейных размерах диполя I и контура З сопротивление излучения контура в (Л/2П)2 раз меньше сопротивления излучения диполя. Это объясняется тем, что излучающая способность замкнутых систем меньше, чем разомкнутых [5]. Таким образом, для выявления максимальных излучающих способностей применяемых импульсных преобразователей необходимо больше внимания уделять незамкнутым излучающим системам, т.е. дипольным эффектам.

Для расчета уровня излучаемых ЭМП взят преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение понижающего типа блочно-модульной конструкции, используемый в СЭС КА научного назначения [6]. Данные СЭС являются низковольтными: напряжение первичных источников энергии 30 - 70

В, а стабилизируемое напряжение нагрузки 28 В. Конструктивно силовые транзисторы (с блокирующими диодами и дополнительными элементами) попарно размещены на модулях, количество которых определяется мощностью преобразователя. Набор модулей силовых транзисторов, конденсаторов входного

и выходного фильтров и силовой сглаживающий дроссель составляют сам преобразователь. Образование электромагнитной помехи в импульсном стабилизаторе связано с ключевым принципом его работы, приводящим к возникновению переходных процессов при переключении силового транзистора и блокирующего диода, которые сопровождаются бросками токов и напряжений [7]. Основной уровень помех определяется сквозным током, протекающим при отпирании транзистора через блокирующий диод в период восстановления его запирающих свойств.

Рис.3. Схемы связи проводников через емкость

Поочередно рассмотрим сначала излучающую способность симметричной составляющей помехи через расчет ЭМП полей замкнутого контура малой площади, а затем дипольный эффект излучения несимметричной составляющей помехи.

Нелинейные элементы преобразователя рассматриваются как высокочастотные источники, генерирующие электромагнитные колебания, а провода, соединяющие их, как некоторый малый контур площадью 3 (с периметром I < Я/2, где Я - длина волны), находящийся в диэлектрической среде с магнитной проницаемостью ц и диэлектрической проницаемостью е. При этом по данному малому контуру протекает высокочастотный синусоидальный ток I, А, который условно принимаем эквивалентно равным высокочастотному току радиопомех с частотой / и длиной волны Л, м. Необходимо рассчитать © Проблемы энергетики, 2003, № 1-2

б)

I

в)

г)

напряженность ЭМП в некоторой точке, удаленной от излучающего контура на расстояние г, м.

Изобразим систему координат с осями х, у, і для расчета ЭМП излучения контура малой площади £ в расчетной точке с координатами г, р, в (рис.4). Тогда появится возможность определить в соответствии с уравнениями Максвелла [1] напряженность электрического поля Е, В/м, для любой точки со сферическими координатами г, р, в по выражениям:

Ег = 0;

Ер = 2ш ІМІЄ)-------—[Я/(2п)-ДЯ/2яг)2]зіпв;

Р Ев= 0.

Я

и для этих же координат - напряженность магнитного поля Н, А/м, по формулам:

4п № 2 3

Нг = _ [ у(Я/(2яг )2 + (Я/2п )3]еозв;

Нв=-Нр= 0.

[Я/(2п)-у(Я/2яг)2 -(Я/2п)3]зіпв;

Системы уравнений (4) и (5) получены путем упрощения математических выражений (1) при допущении, что импеданс излучающего контура устремлен к нулю. Хотя реальный импеданс коммутируемого контура преобразователя имеет конечное численное значение, оно достаточно мало. Поэтому допущение о том, что сопротивление взятого нами излучающего контура малой площади стремится к нулю, позволило упростить расчетные выражения ЭМП без существенных погрешностей в информативности. Для излучателя в виде небольшого контура в

ближней зоне, когда расстояние до точки г < Л2п, напряженность электрического

о

поля максимальна в плоскости осей х, у при угле 0 = ± 90 , а магнитного поля - на оси х при угле 0 = ± 180 .

На рис. 1 показано низкоомное волновое сопротивление , описываемое выражением

\ (^/6>12---------- а/2пг>-ли2 з, (6|

(Л/2п > - ДЛ/2п )2 - (Л/2пг>3

где \г \т{(^18)1/2 при г >> Л2п (7>

Ю [(^/в>1/2 (Л/ 2яг при г << Л/2п. (8>

На рис. 5 приведена расчетная напряженность электрического поля Еф на

2 -3 2

расстоянии г = (5 * 20> • 10 м от контура площадью £ = 3 • 10 м , по которому протекает высокочастотный ток 1 мА с фиксированной частотой 1 МГц, при угле 0 = 90°. Из графика ясно, что на любой соединительный провод, находящийся внутри (вблизи> устройства, содержащего импульсный преобразователь, на расстоянии (5-20>*10-2 м будет воздействовать помеховое электрическое поле и в этом проводнике будет наведена высокочастотная кондуктивная помеха. Например, на расстоянии 0,1 м наводки могут достигать 36 мВ/м (91 дБ> при допустимой напряженности электрического поля 60 дБ, а с переводом в физические единицы измерения (1 мВ/м> становится видно, что наводки в 36 раз могут превысить предельно допустимые нормы.

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

Рис.5. Зависимость напряженности электрического поля Еф при 0 = 90° © Проблемы энергетики, 2003, № 1-2

На рис. 6 показаны напряженности магнитного поля Нг и И@ (кривые 1 и

2) соответственно по двум координатам г и 0 для контура площадью 3 на начальной частоте защищаемого диапазона (0,15 МГц). Магнитную составляющую напряженности поля радиопомех по техническим требованиям на изделия рекомендовано снимать до 3 МГц, т.е. в нижнем участке защищаемого диапазона частот, тогда как электрическую - в более высоком диапазоне частот (от 0,1 до 1000 МГц). Значение тока в контуре площадью 8 выбрано 1 мА (60 дБ), угол 0 равен 0° для Нг и 90° для Н0. Из графиков видно, что полученные напряженности магнитного поля меньше, чем электрического, однако они хорошо воспринимаются бортовой радиоэлектронной и приемопередающей аппаратурой. Например, на расстоянии 0,1 м от излучаемого контура напряженность магнитного поля Нг = 0,48 мА/м (53 дБ), а Н0 = 0,24 мА/м (48 дБ). Из сказанного следует, что эти напряженности будут меньше нормируемого уровня, но являются существенными помеховыми величинами магнитного поля, особенно для бортовых или подвижных объектов с компактным расположением совместно эксплуатируемых радиоэлектронных систем и импульсных источников питания. Поэтому при повышенных требованиях по электромагнитной совместимости необходимо снижать интенсивность паразитных напряженностей ЭМП радиопомех путем эффективного подавления их в самом импульсном преобразователе.

Данная модель малого контура использовалась для моделирования помеховых ЭМП [2, 3], при этом учитывалась симметричная составляющая помехи. Для сравнения полученных результатов и оценки несимметричной составляющей помехи необходимо провести расчет дипольного излучения.

Токоведущие цепи импульсного стабилизатора относительно корпуса устройства (несимметричная помеха) можно рассматривать как электрический диполь длиной I < А/16, помещенный в те же условия, что и рассмотренный ранее контур малой площади. Для сравнения аналогично рассчитаем напряженность ЭМП в некоторой точке, удаленной на расстояние г, м.

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 г, м

Рис. 6. Зависимость напряженностей магнитного поля: 1 - Нг (для контура) при 0 = 0°; 2 - Н0 (для контура) при 0 = 90°; 3 - Нф (для диполя) при 0 = 90°

На рис. 7 показана система координат с осями х, у, г для расчета ЭМП излучения диполя длиной I к расчетной точке с координатами г, ф, 0. Тогда уравнения Максвелла [1], описывающие напряженность электрического поля Е, В/м, для любой точки со сферическими координатами г, ф, 0 можно представить видоизмененными выражениями:

1/2

Ег = 2п(^/б)-----{і[Я/(2пг)2 -ЦХ/2яг)3]соз0;

Я2

Е9 = п(м1 в\-— [Д/(2яг) + (Я/2пг)2 -/(Я2яг)3]зіп0;

Я2

Еф= 0,

а напряженность магнитного поля Н, А/м, для этих же координат следующими формулами:

Иг = 0;

И&= 0;

пТ.і ^

Иф=^І [ Д/2п + (V/ 2п )2]зіп0. т *2

г, ф , 0

Рис. 7. Система координат диполя длиной I © Проблемы энергетики, 2003, № 1-2

Системы уравнений (9) и (10) получены из выражений (1) при допущении, что импеданс излучаемого контура устремлен к бесконечности, что позволило упростить расчетные выражения ЭМП подобно упрощениям, принятым для контура малой площади. Для излучателя в виде электрического диполя в ближней зоне, когда расстояние до точки г < Л2я, напряженность электрического поля максимальна на оси г при угле 0 = ± 180 , а магнитного - в плоскости осей х, у при

_ о

угле 0 = ± 90°.

На рис. 1 показано высокоомное волновое сопротивление , описываемое выражением

щиУ2 = м 2пг 1 -

](Л2п) + у(А/ 2яг )2

'Ф\

Ыв)12 при г >> Л/2п,

\_

На рис. 6 (кривая 3) приведена расчетная напряженность магнитного поля Нф на расстоянии г от диполя I длиной 5,5*10_ м, по которому протекает

высокочастотный ток 1 мА с фиксированной частотой 0,15 МГц, при угле 0 = 90°. Из кривой зависимости напряженности магнитного поля от расстояния до фиксированной точки (г) видно, что, например, на расстоянии 0,1 м наводки могут достигать 0,44 мА/м, что сравнимо со значениями напряженностей Нг и Нд, наведенных контуром. Хотя эти наводки и не превышают допустимого уровня 60дБ (1мА/м), однако оказывают мешающее воздействие на бортовую радиоэлектронную аппаратуру.

На рис. 8 показаны напряженности электрического поля Ег и Ед

соответственно по двум координатам г и 0 для диполя I. Значение тока в диполе также выбрано 1 мА с фиксированной частотой 1 МГц. Из графика зависимости напряженностей электрического поля Ег и Е@ от расстояния к расчетной точке видно, что полученные напряженности электрического поля больше, чем магнитного. При расстоянии 0,1 м от излучаемого контура напряженность электрического поля Ег = 0,33 В/м (110 дБ), а Е0 = 0,16 В/м (104 дБ), что существенно больше значения напряженности Ег , наведенной контуром, поэтому эти напряженности будут определяющими помеховыми величинами электрического поля.

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 r, м

Рис. 8. Зависимость напряженностей электрического поля: 1 - Ег при 9 = 0°; 2 - Е9 при 9 = 90°

Выводы

1. Основные помеховые влияния внутри космического аппарата и, в частности, его системы электроснабжения определяются условиями ближней зоны, так как отношение напряженностей электрической и магнитной составляющих помехового электромагнитного поля не является постоянным. Следовательно, подавление электромагнитных помех внутри (вблизи) импульсного преобразователя надо рассматривать как проблему в ближней зоне с определением преобладающего характера излучения, что на стадии проектирования позволяет заложить необходимые конструктивнотехнологические меры по обеспечению допустимого уровня помехового излучения.

2. Используя результаты математического расчета помеховых

электромагнитных полей от различных типов импульсных преобразователей, можно уже на стадии проектирования выявлять и выделять два типа излучателей: контур малой площади (симметричная помеха) и диполь

(несимметричная помеха). При соизмеримых исходных данных диполя и контура малой площади (длина, площадь, ток, частота, среда распространения помехи, расстояние до точки измерения) магнитные составляющие излучений диполя и контура соизмеримы по своим значениям и не больше допустимых уровней помех, а электрическая составляющая напряженности электромагнитного поля диполя на порядок больше аналогичной величины контура и оказывает существенное помеховое влияние на бортовую радиоэлектронную аппаратуру КА.

Summary

Is considered special features of noise electromagnetic fields, emitted by pulse energy converter of the Space Craft (SC) power supply system. It’s marked, that problems of squelching electromagnetic noise inside SC are related to tasks of electromagnetic compatibility (EMC) in near zone.

Is showed, that for EMC calculation in near zone of protected frequency range (from 0,15 to 1000 MHz) necessary to take into account as balanced noise (emitted loop) as unbalanced one (emitting dipole).

Литература

1. Барнс Дж. Электронное конструирование: Методы борьбы с помехами: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990.- 238 с.

2. Селяев А. Н. Моделирование и исследование помеховых электромагнитных полей от коммутирующего скользящего контакта машин постоянного тока // Электротехника.- 2001.- № 10. - С. 4-8.

3. Анализ электромагнитной совместимости систем преобразовательной техники на имитационных моделях / Ю. М. Казанцев, А. Ф. Лекарев, А. М. Гаврилов, А. В. Катков // Электронные и электромеханические системы и устройства: Сб. науч. трудов НПЦ «Полюс». - Томск: МГП «Раско» при издательстве «Радио и связь», 2001. - С. 101-110.

4. Петровский В. И. Седельников Ю. Е. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств: Уч. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1986. -216 с.

5. Теория электромагнитного поля / Б. Я. Брунов, Л. М. Гольденбнрг, И. Г. Кляцкин, Л. А. Цейтлин / Под общ. ред. И. Г . Кляцкина. - М. -Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 312 с.

6. Системы электропитания космических аппаратов / Б. П. Соустин, В. И. Иванчура, А. И. Чернышев, Ш. Н. Исляев. - Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1994. - 318 с.

7. Князев А. Д., Кечиев Л. Н., Петров Б. В. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости. - М.: Радио и связь, 1989. - 224 с.