Моделирование механизмов связи

Все модели, описывающие связь электромагнитного поля с авто­матическими и автоматизированными системами технологическо­го управления электротехническими объектами, могут быть построены с применением теории антенн. Основу этой теории составляют уравнения Максвелла, представляемые в форме, наиболее часто используемой для реализации численных методов расчетов.

Данная теория основана на том основном принципе, что лю­бой ток является источником поля (задача излучения) и любое поле может быть источником тока (задача приема), который, в свою очередь, является источником излучаемого поля.

Указанный подход приводит к появлению интегральных урав­нений, описывающих поведение проводящего тела, подверженного воздействию падающей волны электромагнитного поля. Дан­ные уравнения в общем случае не имеют аналитического решения и требуют применения численных методов.

Теория антенн является одной из наиболее общих и строгих из используемых теорий для решения задач определения параметров механизмов связи и поэтому содержит мало допущений, а именно:

· электропроводящее тело имеет размеры, много меньшие длины волны;

· тело обладает абсолютной проводимостью.

Однако расчеты с применением данной теории требуют боль­шого времени и значительных объемов памяти компьютера.

Другой, широко используемой является теория длинных линий (ТЛ). Эта теория основывается на следующих допущениях:

· диаметр проводников и расстояние между ними (или между проводником и землей) меньше длины волны;

· между токами, протекающими по различным элементам линии, отсутствует взаимное влияние, наведенные токи не влияют друг на друга посредством излучения (предполагается, что линия более или менее прямолинейна). При помощи теории линий можно получить быстрое и точное решение задач, связанных со взаимодействием кабелей и линий.

Частным случаем двух достаточно общих теорий является третья, более простая, квазистатическая теория, или теория цепей, иногда также известная как теория Кирхгофа или теория Ленца, так как ее основой являются законы Кирхгофа и Ленца.

Эта теория требует для своего применения выполнения следующих ограничений:

· длина цепи много меньше длины волны, т.е. отсутствует эффект распространения (волновой эффект);

· ток остается неизменным в пределах каждого элемента цепи. При выполнении этих условий цепь может быть представлена сосредоточенными элементами (не имеющими размеров), соединенными последовательно или параллельно в сеть, состоящую из узлов и ветвей, для которой составляются уравнения Кирхгофа.

Магнитный поток, пересекающий контур, учитывается введением сосредоточенного элемента в виде индуктивности.

Все эти допущения ограничивают распространение (по крайней мере, количественно) полученных выводов теории цепей на длинные цепи (длина которых сравнима с длиной волны). Для таких цепей требуется либо обращение к более общим теориям, либо использование эмпирических законов или законов статистики.

Одним из основных преимуществ теории цепей является простота вычислений, для которых не требуется применения численных методов. Вследствие этого механизм связи может быть рассмотрен при небольших размерах цепи. Более того, отпадает необходимость в расчете электромагнитных полей и построении соответствующей модели, а их источник всегда представляется в виде тока или напряжения. Таким образом, модель может быть использована для описания непосредственного контакта с источ­ником возмущения (источником тока или напряжения, введен­ным непосредственно в сеть) или косвенного взаимодействия по­средством электрического или магнитного поля.

По указанным причинам большинство механизмов передачи помех представляют на основе теории цепей.

2.2 Упрощенные модели передачи электромагнитных помех и методы их снижения

При анализе путей передачи возмущений от источника к при­емнику их следует разделить на две группы: механизм связи обра­зуется посредством прямого электрического контакта между ис­точником и приемником или посредством электромагнитного поля (отдельно электрической или отдельно магнитной составля­ющей, или их совместным воздействием).

Таким образом, может быть сделано первое разделение (клас­сификация) способов передачи помех: гальванические (кондуктивные) связи и связи излучением (полевые связи).

Однако когда возмущение воздействует на приемник посредством гальванической связи, его воздействие на чувствительные цепи может происходить по разному, в зависимости от типа сопротивления (активное или реактивное, собственное или взаимное), по которому протекает ток.

Хотя иногда при передаче возмущения происходит комбина­ция различных физических механизмов воздействия, будем в дальнейшем использовать понятие связь через полное сопротивление, понимая при этом, что при очень низких частотах или при чисто активном характере сопротивления данный способ взаимо­связи может быть назван связью через активное сопротивление.

Способы взаимосвязи без гальванического контакта будем под­разделять на три различные категории в зависимости от того, мо­гут ли электрическая и магнитная составляющие магнитного поля рассматриваться отдельно или необходимо совместное рассмотре­ние электрической магнитной составляющих.

Таким образом, может быть предложена следующая классифи­кация способов передачи возмущений:

· связь через общее сопротивление (в том числе связь через активное сопротивление);

· индуктивная, или магнитная связь (магнитное поле в ближней зоне);

· емкостная, или электрическая связь (электрическое поле в ближ­ней зоне);

· связь излучением, или электромагнитная связь (поле в дальней зоне).

Теория цепей может быть применена для рассмотрения только трех первых видов взаимосвязи. Четвертый способ требует для своего рассмотрения применения одной из более общих теорий.

В действительности ни один из указанных видов связи не су­ществует в отдельности, однако, обычно, по меньшей мере, в диа­пазоне низких или средних частот, один из них превалирует над остальными.

Для всех механизмов связи возможно определить передаточную функцию между источником энергии и оборудованием, подвержен­ным помехе, или приемником.

Передаточная функция может представлять собой полное сопротивление, полную проводимость или безразмерную величину, в зависимости от типа приложенной величины и результата ее действия на цепь (т.е. в виде тока или напряжения).

Во всех случаях электромагнитное взаимодействие между ис­точником
( , ) и приемником ( , )может быть смоделирова­но четырехполюсником, представленным на рисунке 2.1, причем в наиболее простых случаях Т - образной схемой замещения, со­держащей полные сопротивления , и .

На этом и последующих рисунках, символ (в случае, если от­сутствует понимание его как обозначение напряженности элект­рического поля) используется для обозначения источника напря­жения, а символ для обозначения падения напряжения или на­веденной ЭДС. Данная модель, в которой обратным проводом обычно является земля, предполагает два направления для сниже­ния коэффициента взаимосвязи между источником и приемни­ком: короткозамкнутая цепь и разомкнутая цепь.

Очевидно, что если сопротивление равно нулю, энергия из источника не может быть передана приемнику. Аналогично, если какое-либо из сопротивлений и (или же оба) бесконечно ве­лики (т.е. цепь разомкнута), приемник также не может получить энергию из источника. Следует отметить, что идеально коротко­замкнутую или разомкнутую цепь создать невозможно, так как даже при наилучшем исполнении существуют паразитные индук­тивности и емкости.

Направление на создание короткозамкнутой цепи предполага­ет уменьшение сопротивления всех заземляющих проводников и, в частности, их индуктивности, влияние которой становится наи­более заметным при высоких частотах.

Рисунок 2.1 – Схема замещения источника возмущения и приемника электромагнитного взаимодействия с элементами связи , и

Направление на создание разомкнутой цепи подразумевает изолирование приемника от источника либо через увеличение расстояния между ними, либо введением искусственных преград на пути помех (уменьшение коэффициента связи), либо создани­ем отдельных сетей заземления с присоединением к земле в одной точке.

Количественно возмущения обычно характеризуют величиной напряжения на оборудовании, а оно часто является результатом протекания токов в элементах заземляющих или экранирующих устройств, поэтому понятие передаточного сопротивления играет важную роль при рассмотрении.