Кабанбай Батыр

Современный этап развития транспортной системы страны можно охарактеризовать как начало массового внедрения микропроцессорных (компьютерных) систем управления и контроля. Их низкая энергоемкость с одной стороны является положительным моментом, с другой – требует серьезного подхода к решению проблем электромагнитной совместимости. Растущая энерговооруженность производств, в том числе и транспорта, создает неблагоприятные условия для микроэлектронной и микропроцессорной техники. Ситуация усложняется тем, что на данном этапе наиболее вероятным является одновременное использование релейно-контактной и микроэлектронной техники как в рамках одного пространства (например, поста ЭЦ или релейного шкафа), так и в рамках одной системы. Характерный пример – системы ЭЦ с микропроцессорным маршрутным набором.
Проблема состоит в том, что наличие значительного количества электромагнитных реле в традиционных системах ЖАТ создает напряженную электромагнитную установку в местах компактного размещения релейной аппаратуры и повышает вероятность обратимых (а в ряде случаев и необратимых) отказов микроэлектронных устройств. В связи с этим понимание причин, механизма возникновения и характера генерируемых помех представляет интерес для решения практических задач разработки и эксплуатации цифровых технических средств.
Каждая коммутация электрической цепи, в которую включено реле, вызывает возникновение электромагнитных помех. Их напряжение, форма импульсов, энергия зависят от ряда факторов: типа реле, индуктивности и сопротивления обмотки, напряжения и тока питания.
Схема замещения обмотки электромагнитного реле, как источника помех, представлена на рис. 1, где Lp – индуктивность, Rp – сопротивление, Сп – паразитная приведенная межвитковая и межслоевая емкость обмотки.


Параметры Rp и Сп являются постоянными для определенного типа реле, а Lp зависит как от типа реле, так и от его состояния (при включенном реле индуктивность максимальна, при выключенном – минимальна).
В общем случае при размыкании электрической цепи, содержащей индуктивный элемент, на выводах обмотки возникает ЭДС самоиндукции:


Поскольку при коммутации цепи питания реле и индуктивность, и ток являются функциями времени, выражение (1) примет вид:


Указанная ЭДС является причиной возникновения нестационарных переходных процессов, сопровождающихся возникновением электрической дуги на размыкающих контактах, высвобождением энергии в виде тепла и электромагнитного излучения.
Рассмотрим механизм возникновения электромагнитных помех более детально на примере схемы, приведенной на рис. 2 а.


Пусть реле потребляет электроэнергию от источника Е1 с напряжением U. Внутреннее сопротивление источника Rвн << Rp, Cм – емкость монтажа. Ток в цепи І=U/(Rp+Rвн). При размыкании контакта К в результате разрыва цепи и возникновения воздушного промежутка 1 (рис. 2 б) возрастает сопротивление в цепи питания реле и ток в обмотке начинает снижаться. Согласно выражению (2) на клеммах 1 и 2 реле возникает ЭДС самоиндукции eор. На момент размыкания контактов паразитная емкость обмотки и емкость монтажа заряжены до напряжения источника питания. При появлении зазора между контактами ЭДС самоиндукции и напряжение заряда конденсаторов, образованных этими емкостями, поддерживают ток через обмотку реле, практически, на уровне рабочего тока. Однако цепь тока замыкается теперь не через источник питания и контакты, а через емкости Сп и См. С течением времени суммарная паразитная емкость сначала разряжается, а затем начинает заряжаться, но уже напряжением противоположной полярности. Источником тока заряда является ЭДС самоиндукции. Постоянная цепи заряда:


По мере заряда Сп и См ток через обмотку реле убывает, что способствует дальнейшему возрастанию ЭДС самоиндукции. Напряжение на выводах обмотки изменяется по закону:


Учитывая, что источник питания имеет малое внутреннее сопротивление, это напряжение оказывается приложенным к контактам К. На начальной стадии процесса размыкания воздушный зазор 1 мал и при возрастании напряжения Uв какой-то момент «пробивается» - возникает электрическая дуга, ионизирующая воздух в межконтактном пространстве и понижающая его сопротивление до Rпр= 1…10 Ом. Емкости Сп и См разряжаются с постоянной цепи разряда :


Поскольку (Rвн+Rпр) << Rp, разряд происходит значительно быстрее, чем заряд. Примерная осциллограмма одного заряда и разряда паразитных емкостей обмотки и монтажа, построенная по результатам исследования переходных коммутационных процессов в типовых реле ЖАТ, приведена на рис. 3 (отрезок 0 – t1).


Напряжение на контактах К возрастает по закону, близкому к экспоненциальному (отрезок 0 – «а»). После достижения значения пробоя (Uпр1) напряжение на Сп, См и контактах резко падает, формируя задний фронт импульса ("а" – t1). После разряда емкостей дуга гаснет, поскольку из-за значительного сопротивления обмотки Rp ток в цепи недостаточен для ее поддержания. Так как накопленная обмоткой реле энергия в течение одного импульса не исчерпалась, процесс повторяется: снова возрастает напряжение на контактах К и в точке t2 оно снова достигает напряжения пробоя (Uпр2). Учитывая, что за время t1 – t2 контакты кнопки успели разойтись еще на какое-то расстояние по сравнению с интервалом 0 – t1, благоприятные условия для пробоя промежутка 2 возникают при большем напряжении (Uпр1 < Uпр2). Форма второго импульса аналогична форме первого импульса, а его длительность изменяется пропорционально изменению напряжения пробоя. Поскольку заряд паразитных емкостей происходит с одинаковой постоянной цепи заряда сз, а пробой воздушного промежутка с каждым импульсом наступает при более высоком напряжении, длительность і-го импульса в общем случае оказывается больше длительности і-1-го.
Следует отметить, что в результате искровых разрядов в межконтактном промежутке появляются продукты горения материалов контактов, которые могут изменять величину воздушного зазора i, условия ионизации, а следовательно и напряжение пробоя. Поэтому амплитуда и длительность отдельных импульсов носят, в значительной степени, случайный характер. Вместе с тем, тенденция увеличения длительности импульсов к концу пачки помех сохраняется.
Описанный выше процесс формирования импульсов продолжается до тех пор, пока исчерпается накопленная обмоткой реле энергия, а межконтактный промежуток станет настолько большим, что за счет ЭДС самоиндукции уже не будет пробиваться. За период одной такой коммутации возникает от нескольких десятков до нескольких сотен импульсов с переменной длительностью и амплитудой. Длительность первых импульсов в пачке 100 – 150 нс, последних – 400 – 500 мкс. Однако, поскольку емкость монтажа См соизмерима с емкостью обмотки Сп и влияет на суммарное значение паразитной емкости (См+Сп), временные параметры импульсов помех на реальных объектах могут отличаться от указанных.
Суммарная вольт-секундная площадь импульсов в пачке определяется запасенной обмоткой реле энергией и зависит от рабочего тока реле и его индуктивности. Эта площадь, практически, не меняется от образца к образцу реле определенного типа. В наибольшей степени на амплитуду и длительность пачки импульсов влияет скорость размыкания контактов в цепи питания реле: чем быстрее размыкаются контакты, тем больше длительность отдельных импульсов, их амплитуда, максимальное напряжение огибающей, но меньше длительность пачки. Чем медленнее размыкаются контакты, тем меньше амплитуда помех, но больше длительность. Так, при коммутации цепи питания реле НМШ1-1440 контактами реле КДР максимальное напряжение огибающей пачки помех достигает 2.5 кВ, длительность 2.0 …2.5 мс. При коммутации цепи питания реле НМШ1-1440 контактами аналогичного реле максимальное напряжение огибающей пачки помех достигает 1.5 кВ, длительность 4 … 5 мс. При использовании в качестве коммутирующего устройства медленнодействующего реле (НМШМ, например) длительность пачки импульсов достигает 10 мс с максимальной амплитудой огибающей 500 … 600 В.