5.3 Контрольні запитання і завдання

1. Як впливають кліматичні фактори (тиск повітря та температура всередині блока) на електричну міцність ЕА?

2. Чому запилення повітря разом з вологістю знижує електричну міцність?

3. Що таке діелектричні бар’єри та як їх використовують у конструкціях високовольтних блоків ЕА для підвищення електричної міцності?

4. У чому фізичний сенс розгляду моделі повітряного проміжку і форми виводів елементів при розрахунку пробивної напруги?

5. Наведіть конструктивні заходи з підвищення електричної міцності ЕА.

6. Чому повітряний проміжок між високовольтними виводами більш міцний, ніж у випадку його заповнення фарфоровим ізолятором?

7. Які чисельні величини характеризують електричну міцність ЕА?

8. Як можна визначити мінімальну величину ізоляційного проміжку за значенням коефіцієнта запасу електричної міцності?

9. Наведіть номенклатуру матеріалів, які використовуються для виготовлення ізоляторів для високовольтних блоків ЕА.

10. Як впливає вид напруги на електричну міцність ЕА?

5.4 Приклади аудиторних і домашніх задач

Завдання. Визначити величину пробивної напруги частотою 1 кГц високовольтного конденсатора фільтра (рис. 5.1) через керамічний ізолятор ( = 5 мм), якщо запилення ізолятора 10 мг/м³. Умови експлуатації блока фільтра відповідають УХЛ 4.1 за ГОСТ 15150-69.

Розв’язання.

Відповідно до умов експлуатації гіршими (з позиції електричної міцності) будуть такі умови: температура навколишнього середовища – Т = +40 ⁰С, вологість – 80%, атмосферний тиск – Р = 100 кПа.

Відносна щільність повітря у блоці фільтра:

(Па/К).

Для розрахунку електричної міцності блока скористаємось моделлю за варіантом 4 (табл. 5.1). Розрахуємо величину пробивної напруги за формулою:

,

де – коефіцієнти, що визначаються за даними табл. 5.4, 5.5.

Величина пробивної напруги по поверхні ізолятора визначається як

,

де – коефіцієнт, що знаходиться за даними табл. 5.6.

Тобто, кінцева розрахункова формула має вигляд:

.

Підставимо необхідні дані до вищенаведеної формули. Маємо:

(кВ).

Відповідь: величина пробивної напруги через керамічний ізолятор дорівнює 3,5 кВ.

6 Розробка конструкції електромагнітного екрана та

ОЦІНКА ЙОГО ЕФЕКТИВНОСТІ

6.1 Мета заняття

Вивчення методики проектування електромагнітного екрана та оцінки його ефективності.

6.2 Методичні вказівки з організації самостійної роботи студентів

Електромагнітне екранування є одним з конструктивних заходів забезпечення електромагнітної сумісності елементів і модулів у блоці ЕА. Екранують, як правило, або імовірні приймачі завад (ПЗ), або імовірні джерела завад (ДЗ).

Зверніть увагу, що до ПЗ відносяться малопотужні ланцюги та елементи конструкції, наприклад: вхідні ланцюги приймальних і підсилюючих вузлів, контурні котушки і каскади перетворювачів тощо. Електромагнітні екрани для таких елементів значно знижують інтенсивність завад усередині екранованої області. В свою чергу, екранування ДЗ виконують з метою захисту зовнішнього простору, де можуть бути чутливі елементи і вузли ЕА. До імовірних ДЗ треба віднести джерела живлення, вихідні каскади підсилювальних пристроїв, потужні генератори та інше.

Слід пам’ятати, що екран є свого роду захисною стінкою, при проходженні якої паразитна електромагнітна хвиля істотно ослаблюється і частково відбивається. Фізичною основою відбивання електромагнітної хвилі від екрана є невідповідність хвильових опорів середовища, в якому розповсюджується хвиля, та матеріалу електромагнітного екрана. Причиною ослаблення потужності електромагнітної хвилі при проходженні товщі екрана є наявність джоулевих втрат, обумовлених кінцевим значенням електромагнітного опору матеріалу екрана. Питомі втрати дорівнюють добутку квадрата щільності струму, наведеного полем хвилі у товщі екрана, на величину питомого опору матеріалу екрана.

Ефективність екранування оцінюється величиною коефіцієнта екранування , модуль якого дорівнює відношенню напруженості поля у будь-якому місці екранованої області до напруженості поля у тому самому місці за умови відсутності екрана:

. (6.1)

Нарівні з даним коефіцієнтом, ефективність екранування оцінюють величиною ослаблення поля завад за потужністю за наявності екрана порівняно з полем у відсутності екрана. Виражають це ослаблення в логарифмічних одиницях, децибелах:

. (6.2)

За формулами (6.1) і (6.2) визначають фактичне ослаблення поля в екранованій області простору. Конструкція екрана має забезпечувати, щоб фактичне ослаблення паразитного поля в екранованій області було б не менше необхідного. Необхідне послаблення (затухання) поля екраном:

, (6.3)

де – потужність сигналу завади на вході ПЗ, Вт;

– чутливість ПЗ, Вт;

– енергетичний коефіцієнт запасу, який показує, у скільки разів рівень завади має бути нижче чутливості ПЗ.

Як правило, величину приймають рівною:

- 2…4 – для приладів з візуальною індикацією сигналів;

- 10…50 – для приладів авторегулювання;

- 50…100 – для приладів з цифровою обробкою сигналів.

Готуючись до практичного заняття за даною темою, необхідно вивчити теоретичний матеріал попередніх лекцій і матеріал, викладений в основній [3, с. 370–390; 4, с. 142–152; 6, с. 230–239] та додатковій [5, с. 315–319] літературі.

6.2.1 Конструкції електромагнітних екранів

Конструктивно електромагнітні екрани для елементів (трансформаторів, котушок індуктивності тощо) або вузлів (друкованих модулів та ін.) виконують у вигляді поверхонь циліндричної або прямокутної форми. При його встановлені необхідно забезпечити гальванічний контакт відкритої частини поверхні екрана з шиною заземлення або металевим шасі (рис. 6.1).

1 – основа екрана; 2 – верхня кришка екрана;

3 – екранований об’єкт; 4 – прохідні ізолятори;

5 – елементи кріплення; 6 – шасі корпуса блока

Рисунок 6.1

Виводи екранованих вузлів, працюючих у високочастотному (f > 1 МГц) діапазоні, виконують у вигляді коаксіальних з’єднувачів або прохідних конденсаторів; для середньочастотного діапазону (400 < f < 1 МГц) – провідники виводять з екрана через прохідні керамічні або скляні ізолятори; для діапазону звукових частот – провідники виводять через вузькі щілини або малі отвори в екрані. Отвори в екрані, розміри яких не перевищують значення λ/8, істотно не впливають на ефективність екранування.

Форма екрана суттєво впливає на ефективність екранування. Прямокутні екрани більш ефективні, ніж екрани циліндричної форми. Останні частіше застосовують для екранування котушок індуктивності, тороїдальних трансформаторів та ін. При збільшені розмірів екрана зростає ефективність екранування, однак ускладнюється конструкція екранованого вузла. Зменшення габаритів екрана веде до зростання паразитної ємності між поверхнями екранованого елемента та стінками екрана, а також до збільшення джоулевих втрат у матеріалі екрана. Тобто, вибір розмірів екрана є задачею оптимізації. Під час її вирішення виникають труднощі, обумовлені відсутністю аналітичних залежностей, що зв’язують параметри реакції екрана з його геометричними розмірами у випадку екранування вузлів, які містять значну кількість електрорадіоелементів.

Розміри екрана мають бути мінімально можливими, щоб охопити екранований вузол. Однак відстань від стінок екрана до найближчого елемента екранованого вузла необхідно видержувати не менше 3…5 мм, щоб запобігти торкання елементами стінок екрана за наявності динамічних навантажень на ЕА. У свою чергу, вплив екрана на вузол має бути мінімальним. Тому, наприклад, діаметр екрана беруть удвічі більше за діаметр екранованої котушки. Для забезпечення механічної міцності конструкції товщина стінок екрана вибирається приблизно 0,3…0,8 мм, і тільки для магнітостатичного екранування товщина стінки може бути більшою – до 3…4 мм.

Значення відносної магнітної проникності деяких марок конструкційних матеріалів для екранів сягають від декількох тисяч до сотень тисяч. При невисоких вимогах до якості екранування використовують одношарові екрани.

Треба мати на увазі, що для екранування високочастотних приладів застосовують матеріали з немагнітних металів: мідь, алюміній, свинець та їх сплави. Для низькочастотних полів (f < 400 Гц) використовують матеріали зі значною магнітною проникністю: сталь, пермалой. Останній особливо ефективний для магнітостатичного екранування (f = 0). Однак пермалой крихкий і не має достатньої механічної міцності. На середніх частотах застосовують екрани з двох-трьох сплавів, які виготовлено з магнітних і немагнітних металів, що забезпечує необхідну ефективність послаблення завади (табл. 6.1).

6.2.2 Оцінка ефективності екранування

Загальне послаблення електромагнітного поля, що досягається застосуванням електромагнітних екранів, кількісно оцінюється співвідношенням:

, (6.4)

де – ослаблення поля, обумовлене ефектом стягування магнітних силових ліній у матеріал екрана, який має більшу магнітну проникність;

– ослаблення поля (затухання), обумовлене зменшенням енергії хвилі при проходженні товщини екрана через джоулеві втрати;

– ослаблення поля всередині екранованої області внаслідок часткового відбивання хвилі від зовнішніх і внутрішніх стінок екрана.

Таблиця 6.1 – Електрична провідність і магнітна проникність

деяких матеріалів електромагнітних екранів

Найменування матеріалу	Електрична провідність , 1/Омм	Магнітна проникність, μ
Сталь 10кп	107	50
Електротехнічна сталь Э330	107	200
Мідь	5,73107	1
Латунь	1,67107	1
Алюміній	3,3107	1
Свинець	1,5107	1
Пермалой 79 НМ	1,54106	1,2104

Запам’ятайте, що ефект локалізації враховується тільки при магнітостатичному екрануванні та під час роботи в області дуже низьких частот (одиниці Гц). Екранне затухання за рахунок локалізації магнітного поля в магнітному екрані:

, [дБ] (6.5)

де – найбільша з відстаней між внутрішніми стінками екрана, м;

– відносна магнітна проникність матеріалу екрана;

– товщина стінки екрана, м.

Екранне затухання поглинання розраховується за формулою:

, [дБ] (6.6)

де ; ; ; ,

де – частота, для якої визначається ослаблення поля екраном, Гц;

– магнітна проникність вакууму, яка дорівнює Гн/м;

– електрична провідність матеріалу екрана, 1/Омм.

Ослаблення поля внаслідок відбивання від стінок екрана (екранне затухання відбивання) визначається за формулою:

, [дБ] (6.7)

де ; (6.8)

. (6.9)

Коефіцієнт , який входить до формул (6.8) і (6.9), визначає невідповідність хвильових опорів середовища розповсюдження електромагнітної хвилі та матеріалу екрана:

,

де – модуль хвильового опору матеріалу екрана, Ом:

;

– модуль хвильового опору середовища для хвиль Н-типу, що дорівнює:

- для екранів прямокутної форми – ;

- для екранів циліндричної форми – ,

_де – найменша відстань між внутрішніми стінками прямокутного екрана, м;

– радіус циліндричного екрана, м;

Якщо скористатися асимптотичним наближенням гіперболічних функцій для малих і великих значень аргументів, то розрахункові формули (6.6), (6.7) спрощуються для високочастотної та низькочастотної областей.

У високочастотному діапазоні, де аргумент ,

екранне затухання поглинання та відбивання визначаються як:

; [дБ] (6.10)

, [дБ]. (6.11)

У низькочастотному діапазоні, де аргумент ,

екранне затухання поглинання буде:

; (6.12)

екранне затухання відбивання залежить від матеріалу екрана та розраховується за такими формулами:

- для магнітних екранів: ; [дБ] (6.13)

- для немагнітних екранів: , [дБ]. (6.14)

У середньочастотному діапазоні, тобто для значень аргументу в межах , для розрахунку екранного затухання поглинання та відбивання використовуються формули (6.6), (6.7).

Таким чином, співвідношення (6.5) – (6.14) дають можливість вирішувати пряму задачу оцінки ефективності екранування при відомих матеріалі та конструкції екрана. Можливе розв’язання і зворотної задачі (задачі синтезу), наприклад, визначення необхідної товщини екрана при заданій ефективності .

З урахуванням того, що залежність екранного ослаблення від товщини екрана виражена нелінійними функціями, слід для вибору оптимального значення діяти згідно з загальною методикою розв’язання задач подібного типу. Необхідно задатися декількома значеннями товщини екрана , , ... та для кожного з них розв’язати пряму задачу і знайти відповідні значення екранного затухання , , ... . Далі побудувати графік отриманих залежностей та за заданим значенням визначити необхідну товщину екрана (рис 6.2).

За таким алгоритмом можливе розв’язання задачі оптимального вибору матеріалу екрана або характерного розміру екрана (наприклад, діаметра).

Рисунок 6.2

6.2.3 Порядок виконання роботи

1. Проаналізувати конструкцію, яка проектується, виявити у блоці ЕА ймовірні джерела електромагнітних завад і приймачі завад та визначити доцільність їх екранування.

За наявності у блоці ЕА тільки ймовірного приймача зовнішніх завад або внутрішнього джерела завад як електромагнітний екран можливо використати, наприклад, металевий кожух блока.

2. За аналізом роботи схеми електричної принципової підготувати початкові дані та оцінити необхідну величину ослаблення завади за формулою (6.3).

3. Вибрати матеріал екрана та розробити його конструкцію (визначити геометричні параметри і спосіб установлення), керуючись рекомендаціями п. 6.2.1.

4. Розрахувати ефективність екранування, визначивши ослаблення завади за наявності екрана для середньої робочої частоти. Дати рекомендації щодо вибору товщини екрана.

5. Порівняти значення необхідного і фактичного ослаблення при екрануванні.

6. Зробити висновки щодо ефективності екранування та виконати ескізне креслення екранованого вузла (елемента).