Особенности обеспечения электромагнитной совместимости

СОВРЕМЕННОГО КИНОКОНЦЕРТНОГО КОМПЛЕКСА

ЧАСТЬ 3 – РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В ФУНКЦИОНАЛЬНО НАСЫЩЕННОМ

ПОМЕЩЕНИИ

В.В. Пилинский, В.Б. Швайченко, А.С. Чупахин

Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»

Украина, 03056, г. Киев, пр. Победы, 37, НТУУ «КПИ», факультет электроники

Тел./факс: (044) 236-60-93, (044) 454-90-76; E-mail: pilinsky@ztri.ntu-kpi.kiev.ua, pww@ukr.net

 

Annotation – This article describes of electromagnetic environment settings, forecasting and simulation results of electromagnetic fields.  The algorithm of complex analysis of electromagnetic environment in functionally filled rooms is consider and also creation on the basis of these algorithm of program modules which will make a basis of the automated system of electromagnetic monitoring.

Key words – electromagnetic compatibility, electromagnetic environment, electromagnetic fields, room, methodology, algorithm, emission, power supply.

ВВЕДЕНИЕ

Статья продолжает публикации [1,2] по проблеме обеспечения электромагнитной совместимости технических средств в современном киноконцертном комплексе.

Среди методов решения любых физических и прикладных технических проблем можно выделить экспериментальные и расчетно-теоретические. Следует отметить, что в задачах электромагнитной совместимости и информационной безопасности необходим анализ поля в непосредственной близости от технического средства с учетом реальных особенностей его размещения и наличия других технических средств, что накладывает известные трудности на корректное проведение эксперимента и отражение результатов, получаемых эмпирическим путем. Это обстоятельство, очевидно, и обуславливает повышенный, особенно в последние десятилетия, интерес к созданию методик расчетного прогнозирования электромагнитной обстановки.

Сложность структуры электромагнитного поля в помещении видеоаппаратной, а также многочисленность влияющих факторов, определяют трудности всестороннего решения проблемы электромагнитного прогнозирования. К настоящему времени не выработана единая методика комплексного анализа электромагнитной обстановки в промышленных, офисных и бытовых помещениях, однако, известны некоторые попытки создания теоретических мо­делей отдельных расположенных там технических средств [3,4,5,6].

Таким образом, несмотря на известные достижения в указанной области, сохраняет актуальность научно-техническая проблема разработки методик расчетного прогнозирования электромагнитной обстановки в функционально насыщенных помещениях и создания на их основе автоматизированных систем.

Цель работы:разработка алгоритмов анализа ЭМП, создаваемых различными техническими средствами, размещенными в помещениях, а также создание на основе этих алгоритмов программных модулей, которые составят основу автоматизированной системы электромагнитного мониторинга помещений.

Задачей исследователя это поиск компромисса между требованиями физической и математической строгости и требованиями удобства численного анализа моделей.

 

Разработка алгоритма комплексного анализа электромагнитной обстановки в закрытых помещениях

Все технические средства, расположенные в по­мещении, следует классифицировать и группировать прежде всего по частот­ному и частотно-пространственному критериям. При этом возникают две груп­пы в составе комплексной модели:

- группа источников, создающая электромагнитное поле (ЭМП) квазистационарного характера;

- группа источников, создающая поле в форме излучения электромагнитных волн источников электромагнитных излучений.

Помимо классификации по частотному диапазону, должна быть выпол­нена классификация по пространственной форме соответствующих излучающих структур. В этом смысле будем различать:

  - линейные структуры;

- локальные структуры.

Первый класс образуют источники, пространственная форма которых ха­рактеризуется существенным преобладанием одного размера над другими, при­чем преобладающий размер соизмерим с размерами помещения.

Второй класс образуют источники, локализованные в относительно не­большой (по сравнению с размерами помещения) области пространства.

Линейные структуры, расположенные в помещении, как правило, создают в окружающем пространстве поле квазистационарного характера, в то время как локальные – могут образовывать как квазистационарные, так и волновые поля.

К линейным структурам ЭМП отнесены локальные участки цепей энер­госнабжения и информационных сетей, т.е. объекты, характерные разме­ры которых оказываются одного порядка с линейными размерами помещения. К локальным, в свою очередь, отнесены источники, габариты которых данному требованию не удовлетворяют.

Применительно к линейным структурам квазистационарного поля использована строгая методика электродинамического моделирования, позволяющая производить расчет поля разветвленных систем. В рамках данной проблемы решены две базовые задачи расчета поля прямолинейного и Т-образного участ­ков сетей энергоснабжения [7,8].

Для анализа локальных структур квазистационарного и волнового по­лей разработана расчетно-экспериментальная методика, основанная на пред­ставлении анализируемого устройства системой электрического и магнитного диполей первом случае [9, 10]  и изотропным излучателем - во втором случае. Причем параметры эквивалентных диполей или излучателей определяются по экспери­ментальным данным.

Среди локальных структур (как квазистационарного, так и волнового полей) выделены так называемые объемные структуры электромагнитного поля, поле которых существенно зависит от их пространственной структуры. Для данной категории источников, в случаях, когда интерес представляет реальная пространственная конфигурация поля, анализ которой возможен лишь на основе структурной де­композиции исследуемого устройства, для электродинамического моделирова­ния используется строгий подход, сформулированный в работах [11,12]. Строгий подход, основанный на аппроксимации корпуса (корпусов) устройств системами тонких проводников и плоских проводящих экранов. При этом рас­чету электромагнитных полей предшествует расчет поверхностного тока, наведенного возбуждени­ем на проводящих элементах модели. Плотность поверхностного тока опреде­ляется путем решения обратной электродинамической задачи методом инте­гральных уравнений. Такой подход обеспечивает универсальность как по кон­фигурации моделируемых устройств, так и по частотным диапазонам, в кото­рых проводится анализ.

Основные сведения, относящиеся к структуре модели, приведены в таб­лице 1.

Комплексное прогнозирование электромагнитной обстановки в помеще­нии в рамках моделей источников электромагнитного поля и помещения в целом предполагает наличие, по крайней мере, минимально достаточного набора ис­ходных данных, включающего следующие основные характеристики:

- характеристика помещения; т.е. должна быть известна конфигурация помещения, включая внутренние перегородки, неподвижные детали интерьера и все геометрические размеры (длина, ширина, высота) помещения и его со­ставных частей;

- характеристики линейных структур ЭМП (ЛС ЭМП);

- характеристики локальных (сосредоточенных) структур ЭМП (СС ЭМП);

- конфигурация и параметры объемных структур ЭМП (ОС ЭМП).

Каждая из имеющихся в помещении проводных сетей (силовая или информационная) должна быть представлена в виде совокупности линейных источников. Для каждого источника, включая временные (переносные), долж­ны быть известны:

- дислокация: пространственные декартовы координаты начала и конца источника;

- расстояние между проводами линии;

- погонная емкость или исходные данные для ее расчета, например, гео­метрические размеры сечения линии;

- напряжение в источнике, отдельно для каждого частотного диапазона, если их более одного;

- максимальный ток в источнике, отдельно для каждого частотного диа­пазона, если их более одного;

- дислокация точек подключения приборов (розеток).

Для каждого прибора, представляемого локальным источником квазиста­ционарного поля, должны быть известны:

- дислокация: пространственные декартовы координаты геометрического центра источника;

- ориентация: пространственное положение лицевой стенки прибора;

- габариты: длина, ширина и высота прибора;

- эквивалентные дипольные электрический и магнитный моменты (ЭЭМ и ЭММ), определенные экспериментально или по данным из литературы, от­дельно для каждого частотного диапазона и каждого режима работы прибора;

- напряжение и ток потребления для каждого режима работы прибора;

- среднее время работы отдельно для каждого режима работы прибора.

Для каждого прибора, являющегося локальным источником электромагнитного излучения, долж­ны быть известны:

- дислокация: пространственные декартовы координаты геометрического центра источника;

- габариты: длина, ширина и высота прибора;

- эквивалентная излучаемая мощность, определенная эксперимен­тально, отдельно для каждого частотного диапазона и каждого режима работы прибора;

- напряжение и ток потребления для каждого режима работы прибора;

- среднее время работы отдельно для каждого режима работы прибора.

Для объемных источников ЭМП необходимо знать:

- габариты и пространственную ориентацию всех элементов - корпусов составляющих источник технических средств, если таковых несколько;

- эквивалентную излучаемую мощность или параметры сигнальных ­- для всех частотных диапазонов.

Укрупненный алгоритм комплексного прогнозирования электромагнит­ной обстановки в помещении приведен на рисунке 1.

Для составления комплексного прогноза электромагнитной обстановки необходимо знать так же фоновые интенсивности ЭМП (напряженности, ППЭ) отдельно для каждого частотного диапазона.

Кроме того, необходимо задать параметры оценки расчетного прогноза. В качестве таковых могут быть приняты напряженность поля в контрольных точ­ках на различных частота, для целей информационной безопасности, и предельно допустимые уровни (ПДУ) интенсивностей (напряженностей электрического и магнитного полей, плотность потока энергии) для каждого частотного диапазона для целей электромагнитной безопасности.

Таблица 1 – Структура комплексной модели

Группы	Квазистационарные						Источники излучений
	Линейные	Локальные			Объемные			Локальные
Технические средства	Линия передачи	Блоки питания уст­ройств,   устройства, содер­жащие обмотки	Видеотракт персональной электронной вычислительной машины ПЭВМ, радиоте­лефон (на рас­стояниях поряд­ка габаритов)					Видеопроектор, ПЭВМ, ра­диотелефон (на рас­стояниях превы­шающих габарит­ные размеры)
Электродинамическая модель	N параллель­ных проводников	Электрический и магнитный излучатели	Сетчато-плоскостная модель					Изотропный излучатель
Метод определения ЭМП	Строгий расчетный	Расчетно- экспериментальный	Строгий расчетный					Расчетно- экспериментальный

 

 

Рис. 1

 

Результаты расчета ЭМП в помещении видеоаппаратноЙ

Для тестирования разработанной методики проведем расчетное прогнозирование электромагнитной обстановки в помещении видеоаппаратной (2×3×2.5 м³), стены которой выполнены из железобетона.

Все результаты получены с использованием вычислительных алгоритмов, реализованных на ЭВМ на языке Quick Basic и в среде Matlab.

На рис. 2 представлена распространенная схема расположения оборудования в видеоаппаратной, описание перечня оборудования, указанного на данном рисунке, приведено в табл. 2.

Питание всех электро­приборов осуществляется от однофазной электросети простой конфигурации - двухпроводная линия, опоясывающая периметр помещения на уровне 0,5 м от пола.

Суммарная токовая нагрузка составляет 15А, ПЭВМ потребляет от сети мощность 350 Вт. Эскиз размещения всех технических средств приве­ден на рисунке 3. Системные блоки персональной электронной вычислительной машины (ПЭВМ) подключены к контуру заземле­ния, проходящему по периметру помещения на уровне пола.

ЭМП рассчитывается на контрольных частотах:

- 50 Гц - частота питающей электросети;

- 300 МГц - частота работы радиотелефона.

На всех частотах производился расчет в сечении, параллельном полу, на высоте 1 м как электрического, так и магнитного поля.

Анализ приведенных результатов позволяет выявить ряд закономерно­стей.

- на частоте 50 Гц максимальные уровни поля создаются не электропро­водкой, а блоками питания устройств, в основном ПЭВМ;

- на частоте работы радиотелефона локальный всплеск поля наблюдается только вблизи размещения базы, остальные металлические элементы возбуж­даются слабо.

Таблица 2

№ поз. на рис.2 Наименование Тип 1 Громкоговоритель контрольный TSS SCR-8   2 Темнитель света и пульт управления ТС3-5   3 Розетка с заземляющим контактом     4 ПЭВМ     5 Видеопроектор NEC M350XG   6 Противопожарные заслонки АЗШ   7 Электропитающее устройство электромагнитов заслонки 12-ЭПУ-1   8 Бра НБО-06-60   9 Дистанционный пульт управления универсальный ПДУ УН   10 Радиотелефон     11*) 19" стойка для оборудования PROEL STUDIO 48U   12 Усилитель мощности, 2х500Вт / 8 Ом Neva Audio PA-2000 AG   13 Усилитель мощности, 2х1000Вт / 8 Ом Neva Audio NA-3200 AG   14 Усилитель мощности, 2х275Вт / 8 Ом Neva Audio PA-1000 AG   15 DVD- проигрыватель Sherwood   Примечание: *) В стойке №11 размещено также оборудование № 12-15

Рис. 2

 

Рис.3

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, итогом работы стала оформленная методика комплексного анализа электромагнитной обстановки в помещениях, объединившая в себе различные методики и алгоритмы. Разработан алгоритм комплексного прогнозирования электромагнитной обстановки в помещении с учетом зависимости излучения от режима работы источника (конкретной сети или прибора) и смешанного характера электромагнитной обстановки, обеспечивающие расчетное прогнозирование пространственного распределения уровней электромагнитных полей при типичных и экстремальных сочетаниях режимов источников.

Для тестирования разработанной методики произведен расчет электромагнитных полей в реальном помещении видеоаппаратной.

Результаты моделирования в аппаратной свидетельствуют о сложной электромагнитной обстановке, формируемой различным оборудованием в составе киноконцертного комплекса. Это связано с тем, что все источники в помещении относятся к многочастотным и их габаритные размеры оказываются одного порядка с характерными размерами анализируемой области пространства.

 

 

ЛИТЕРАТУРА

[1] Пилинский В.В., Прядко А.М., Родионова М.В., Чупахин А.С., Швайченко В.Б. Особенности обеспечения электромагнитной совместимости современного киноконцертного комплекса. Часть 1 – Основные регламентирующие документы // Техническая электродинамика. – Тематический выпуск ²Проблемы современной электротехники², Ч. 6.- 2008. – С. 115-120.

[2] Пилинский В.В., Родионова М.В., Чупахин А.С. Особенности обеспечения электромагнитной совместимости современного киноконцертного комплекса. Часть 2 – Формирование єлектромагнитной обстановки силовіми цепями киноконцертного оборудования // Техническая электродинамика. – Тематический выпуск «Силовая электроника и энергоэффективность», Тематический выпуск № 4. – 2009. – С. 3-9.

[3]  Бузов А.Л., Сподобаев Ю.М., Филиппов Д.В., Юдин В.В./ Под ред. В.В. Юдина. Электродинамические методы анализа проволочных антенн. М.: Радио и связь, 2000. - 153 с.

[4]  Кольчугин Ю.И. Разработка методик расчета, измерений и исследование электромагнитных полей вблизи антенн сотовой подвижной связи.// Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Самара, 1998. - 220 с.

[5]  Маслов О.Н. Моделирование волновых полей средств электронно-вычислительной техники //Радиотехника и электроника.- 1994.-Т.39, №1.-С.6-13.

[6] Нефедов Е.И., Радциг Ю.Ю., Эминов С.И. Теория интегральных уравнений дифракции электромагнитных волн.//ДАН, Т. 345, № 2, 1995. с. 186 - 187.

[7] Розвадовский А.Ф. расчет характеристик излучения изогнутого электрического провода / А.Ф. Розвадовский // Электроника и связь – 2006 – № 1 – С. 70 – 75.

[8] Розвадовский А.Ф. распределение тока вдоль проволочных излучателей вблизи границы раздела двух сред / А.Ф. Розвадовский // Техническая электродинамика: тематический выпуск «Проблеми сучасної електротехніки». – 2008. – Ч.5. – С. 11 – 14.

[9] Маслов М.Ю. Моделирование электромагнитных полей в помещениях с полупроводящими стенками.// Вестник СОНИИР, № 1, 2002. с. 20-22.

[10] Маслов О.Н. Моделирование волновых полей средств электронно-вычислительной техники //Радиотехника и электроника.- 1994.-Т.39, №1.-С.6-13.

[11] Маслов М.Ю., Минкин М.А. Принципы комплексного электродинамического моделирования электромагнитной обстановки в помещениях // Тезисы докладов VIII Всероссийской НК, Самара, ПГАТИ, март, 2001. — С. 160.

[12] Маслов М.Ю. Моделирование излучения источников ЭМП в помещениях // Тезисы докладов X школы-семинара «Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ», 2002. С. 95.

 

Ремекомендовано к публикации:

                               проф., д.т.н. В.Я. Жуйковым