Обеспечение электромагнитной совместимости технических средств по импульсным помехам в судовых электротехнических системах icon

Обеспечение электромагнитной совместимости технических средств по импульсным помехам в судовых электротехнических системах


Смотрите также:
Методические указания совместимость технических средств электромагнитная радиопомехи...
Темы Содержание 1 Сертификация продукции по электромагнитной совместимости (эмс) Технический...
Гост 29254-91
Цель симпозиума...
Рабочая программа учебной дисциплины "электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств"...
Применение систем искусственного интеллекта к расчету электромагнитной совместимости спутниковой...
В. А. Хачатурян управление электроснабжением нефтеперерабатывающих...
Удк ???? Применение систем искусственного интеллекта в сфере компьютерных технологий при решении...
Обеспечение электромагнитной совместимости частотно-регулируемых установок охлаждения газа с...
"Стройпрофиль" 6 (36) Вопросы электромагнитной совместимости при использовании статических...
Учебное пособие для студентов 2ОО8 г...
Методические указания к выполнению лабораторной работы для студентов специальности 220201...



Загрузка...
страницы:   1   2   3   4
скачать



На правах рукописи


Воршевский Александр Алексеевич


ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

ПО ИМПУЛЬСНЫМ ПОМЕХАМ

В СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ


Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук


Санкт-Петербург
2007

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» (СПб ГМТУ) на кафедре электротехники и электрооборудования.


Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор
^ Коровкин Николай Владимирович

доктор технических наук, с.н.с.,
Свядощ Евгений Александрович

доктор технических наук, профессор
Фоминич Эдуард Николаевич


Ведущая организация – ФГУП НПО «Аврора».


Защита диссертации состоится 18 февраля 2008 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.228.03 Санкт-Петербургского государственного морского технического университета по адресу: 190008, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.


Автореферат разослан ноября 2007 г.


Ученый секретарь

профессор А.П. Сеньков

^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность проблемы. Импульсные помехи (ИП) являются наиболее значимым для современных судовых технических средств (ТС) видом помех, способным привести к выдаче ложных команд, изменениям информации, зависанию и даже к разрушению оборудования. Подавляющее большинство современных судовых средств навигации, радиосвязи, автоматизации и управления содержит цифровые узлы или схемы, по принципу своего действия восприимчивые к ИП. Нарушение нормальной работы оборудования ходового мостика непосредственно влияет на безопасность мореплавания. Практика обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) на судах требует обязательного учета возникновения, распространения и воздействия ИП на всех этапах создания судовых ТС, при проектировании, постройке и сдаче судна.

Резолюция Международной морской организации ИМО А.813(19) требует обеспечения ЭМС судового электронного и электротехнического оборудования как важной составной части безопасности мореплавания. Международная Конвенция по охране человеческой жизни на море (Конвенция СОЛАС) в новой главе 5 (“Безопасность мореплавания”) подчеркивает, что оборудование, устанавливаемое на судах, должно отвечать требованиям ЭМС.

Цель работы. Разработка основ теории, методов и средств обеспечения ЭМС электронного и электротехнического оборудования в судовых электротехнических системах (СЭС) по импульсным помехам.

Основными задачами исследования явились:

– определение закономерностей возникновения и распространения ИП в СЭС;

– разработка вероятностных методов расчета амплитуд ИП;

– прогнозирование значений параметров ИП для типовых случаев;

– оценка восприимчивости судового электронного оборудования к ИП;

– разработка методов и средств снижения ИП в СЭС и защиты от них ТС;

– разработка методик измерений ИП и средств испытаний на помехоустойчивость;

– создание испытательной лаборатории для сертификации судовых ТС.

Объект исследования. Импульсные помехи в СЭС.

Предмет исследования. Процессы возникновения, распространения и воздействия ИП, методы и средства решения проблемы ЭМС по ИП в СЭС.

Методы исследования. Математическое моделирование импульсных процессов в цепях с распределенными и сосредоточенными параметрами. Расчеты на ЭВМ в сочетании с натурными экспериментами на судах, на промышленных предприятиях и экспериментами на электродинамических моделях. Генетический алгоритм при поиске экстремальных значений амплитуды ИП. Вероятностные методы с применением функций со случайными аргументами и положений математической статистики. Разработанный импульсный метод измерения параметров электромагнитных связей. Применение разработанных средств испытаний.

Научная новизна. Разработана математическая модель расчета ИП в СЭС. Предложен упрощенный метод оценки параметров ИП при детерминированных условиях коммутации. Получены значения параметров помех для типовых случаев. Разработаны методы определения вероятностных характеристик амплитуды ИП. Определены волновые параметры судовых электротехнических кабелей и параметры электромагнитных связей цепей для расчета ИП. Определены уровни устойчивости образцов судового электронного оборудования к ИП. Получены экспериментальные данные о параметрах ИП на судах.

Практическая ценность. Модели возникновения и распространения ИП, полученные теоретически и экспериментально характеристики ИП обеспечивают исходными данными работы по стандартизации в области ЭМС. Разработанные методы и средства обеспечения ЭМС по ИП позволяют достичь соответствия ТС заданным требованиям. Разработанные методики измерения позволяют определять помеховую обстановку в СЭС, волновые свойства электрических сетей, электромагнитные связи цепей в реальных судовых условиях. Разработанные имитаторы, методики их аттестации и методики проведения испытаний обеспечивают лаборатории России средствами испытаний на устойчивость к помехам. Полученные научные и практические результаты применимы в учебном процессе подготовки специалистов по электротехническим и приборостроительным специальностям.

Реализация результатов работы.

Разработанные предложения по совершенствованию требований Российского морского регистра судоходства (РМРС) по ЭМС учтены в новых публикациях «Правил классификации и постройки морских судов. Часть IV. Радиооборудование. Часть V. Навигационное оборудование», «Правил технического наблюдения за постройкой судов и изготовлением материалов и изделий для судов».

Созданная испытательная лаборатория аккредитована РМРС с 1992 года (свидетельства 92.038.011, 98.005.011, 02.00001.011, 06.00998.011) как технически компетентная в отношении испытаний по ЭМС в соответствии с требованиям РМРС.

Методики испытаний на соответствие требованиям РМРС и ГОСТ Р 50746-2000 по ЭМС применены при проведении испытаний продукции, результаты испытаний и разработанные рекомендации по помехозащите внедрены на ФГУП НПО «Аврора».

Разработанные программы и методики аттестации имитаторов помех утверждены и применяются при аттестации испытательного оборудования в ФГУ «Тест-Санкт-Петербург».

Разработанные имитаторы ИП выпущены и поставлены в следующем количестве: имитаторы ИИП-1000, ИИП-4000, ИИП-4000Д, ИИП-10000 по ГОСТ Р 51317.4.5 – более 100 шт.; имитаторы пачек помех ИПП-4000 по ГОСТ Р 51317.4.4 – более 100 шт.; имитаторы ИИП-4000КЗП, ИИП-2500У по ГОСТ Р 51317.4.12 – более 20 шт.; имитаторы магнитного поля ИМП-1000 по ГОСТ Р 50649, ГОСТ 50652 – 10 шт.

Разработанные средства испытаний поставлены и используются на следующих предприятиях: “Московский государственный университет путей сообщения” (МИИТ), г. Москва; НПП “Прорыв”, г. Петрозаводск; ПГУ путей сообщения, г. Санкт-Петербург; НИИ “Радио”, г. Москва; FF-Automation, г. Хельсинки; ФГУП ЛО НИИР, г. Санкт-Петербург; ВНИИ противопожарной обороны МЧС РФ, г. Санкт-Петербург; ОАО «ЧНППП “ЭЛАРА”», г. Чебоксары; ГУП “Гипротранссигналсвязь”, г. Санкт-Петербург; АНО НТЦ “Норма”, г. Санкт-Петербург; Санкт-Петербургский электротехнический завод; ГУП «Омское производственное объединение “Иртыш”»; г. Омск; ПО “Квант”; г. Новгород, ООО “ТКС”, г. Санкт-Петербург; Красноярский ЦСМ и С; ГУ Сертификационный центр “ПРОДЭКС”, г. Москва; ГУП “Сертификационный испытательный центр”, г. Санкт-Петербург; НПП “ЭКРА”, г. Чебоксары; НПКП “Стандарт-Сервис”; г. Ивано-Франковск, ФГУП ЦНИИ “Электроприбор”, г. Санкт-Петербург; ОАО “Радиоавионика”, г. Санкт-Петербург; ЗАО “Институт сотовой связи”, г. Москва; Государственный ПО “Воткинский завод”, г. Воткинск; ЗАО «Научно-производственное предприятие “ТОРМО”» г. Екатеринбург; ФГУП “Нижегородский завод им. М.В. Фрунзе”, г. Нижний Новгород; ООО «НЕСАН», г. Томск; ЗАО «Аргус-Спектр», г. Санкт-Петербург; ООО НПФ “Гейзер”, г. Юбилейный Московской обл.; ОАО «Пятигорский завод “Импульс”»; ОАО «Фирма “ОРГРЭС”», г. Москва; «Производственное объединение “Старт”», г. Заречный Пензенской области; ООО “Инкотекс”, г. Москва; РУП "Белэлектромонтажналадка", г. Минск; НТЦ “Механотроника”, г. Санкт-Петербург; ЗАО Инженерно-техническая фирма “Системы и технологии”, г. Владимир; ОАО “Чебоксарский электроаппаратный завод”; ЗАО СНПО «Импульс», г. Северодонецк; ООО “Телекарт-прибор”, г. Одесса; ООО НПО “Энергопром–инжиниринг”; ОАО Завод измерительных приборов “Энергомера”, г. Невинномысск; OAO “Морион”, г. Пермь; ФГУП НИИ “Полюс”, г. Москва; ФГУП НПО “Аврора”, г. Санкт-Петербург; ВНИИР, г. Чебоксары; ООО “ПромАвтоматика”, г. Санкт-Петербург; ООО “Центр испытаний и экспертиз”, г. Екатеринбург; ООО “АББ Автоматизация”, г. Чебоксары; ФГУ “Воронежский ЦСМ”; ОАО “Дивногорский завод низковольтной аппаратуры”, г. Дивногорск; ОАО РНИИ “Электронстандарт”, г. Санкт-Петербург; ООО “Росток-ВЦ”, г. Киев; ООО НПП “Югпромавтоматизация”, г. Ростов-на-Дону; ООО “ЭПОТОС”, г. Москва; ООО “Альянс-Профит” г. Санкт-Петербург; ООО “ИТЦ”, г. Санкт-Петербург; ООО «Производственное объединение “ОВЕН”», г. Москва; ООО “ЛЭМЗ-Электроника”, г. Санкт-Петербург; ВНИИ им. Менделеева, г. Санкт-Петербург; ЗАО “НЭСКО”, г. Нижний Новгород; ФГУП “ЭЗАН”, г. Черноголовка Московской области; ООО “Тест БЭТ”, г. Москва; ООО “СИСТЕЛ 2000”, г. Москва; ООО НПО “Мир”, г. Омск-105; ООО “Инфотэкс Автоматика Телемеханика”, г. Екатеринбург; Центр “Укрчастотнагляд”, г. Киев; ТОО “КАЗЭКСПОАУДИТ”, г. Алматы; ФГУП «ГРЦ ”КБ им. акад. В.П. Макеева"», г. Миасс; ЗАО “Светлана–Оптоэлектроника”, г. Санкт-Петербург; ФГУ “Нижегородский ЦСМ”, г. Нижний Новгород; ООО СЗНТЦИС “Регламентсерт”, г. Санкт-Петербург; “Томская электронная компания”, г. Томск; ОАО СКБ ВТ “Искра”, г. Санкт-Петербург; ООО НПФ “СВИТ”, г. Гатчина; ООО “Испытательный центр технических и программных средств железнодорожного транспорта”, г. Москва; ФГУП НПП “Алмаз”, г. Саратов.

Разработанное устройство имитации помех УИП, ИНЛЖ.103.3.362.001 используется в ОАО “НИИ ТМ” для испытаний ТС космического назначения.

Комплект поставленного испытательного оборудования обеспечивает возможность проведения сертификационных испытаний по ЭМС на соответствие Правилам РМРС и ГОСТ Р 50746 в ФГУП “Электроприбор”.

Созданная в ООО “ЭЛЕМКОМ” под руководством А.А. Воршевского испытательная лаборатория по электромагнитной совместимости аккредитована Российским Морским Регистром судоходства (№ 06.00998.011 до 21.06.2011 г.), Российским Речным Регистром (№2621 до 20.02.2009 г.), Минтрансом РФ (№ АКР.0103-18 РМФ до 01.03.2011 г.) и имеет лицензию Госатомнадзора России (СЕ-12-101-1578 до 10.02.2008 г.). Разработанные методики испытаний на соответствие требованиям стандартов по ЭМС применяются при проведении испытаний судовых технических средств и оборудования атомных станций.

Разработанная “Программа и методика испытаний по электробезопасности и электромагнитной совместимости электрооборудования, установленного на судне специального назначения’, ИНЛЖ.001877.001 ПМ одобрена Российским Речным Регистром и применена при проведении испытаний оборудования на заказе ОАО «Судостроительный завод “Северная верфь”». Результаты проведенных испытаний электрооборудования на ЭМС на судне специального назначения и разработанные рекомендации позволили обеспечить требуемую помехоустойчивость систем судна.

Разработанные на основе результатов проведенных научных исследований учебные программы дисциплин “Электромагнитная совместимость электрооборудования”, “Электромагнитная совместимость судовых технических средств” впервые в России включены в учебные планы специальностей 1404, 1406 с 1988 года. Созданная испытательная лаборатория, разработанные учебные лабораторные стенды по ЭМС, компьютерные мультимедиа программы “Испытания на помехоустойчивость”, “Экранирование”, “Наведенные напряжения”, сайт www.elemcom.ru, опубликованные в СПб ГМТУ в соавторстве 3 учебных пособия по ЭМС, методические указания к лабораторным работам по ЭМС, первый в России учебник «Электромагнитная совместимость судовых технических средств» по направлениям 652900, 552600 обеспечивают учебный процесс по ЭМС дисциплинам и дают выпускникам СПб ГМТУ самые новейшие знания и умения в области электромагнитной совместимости.

На защиту выносятся:

– разработанные упрощенные схемы замещения для расчета микросекундных ИП;

– гистограммы плотностей вероятностей амплитуды ИП;

– данные об амплитудах ИП в точке возникновения в СЭС;

– разработанные модели распространения ИП по кабелю, учитывающие потери в кабелях, волновые эффекты при распространении по сети, при переходе через распределительные щиты, участки неоднородности;

– значения параметров судовых кабелей и СЭС в целом, необходимые для расчетов ИП;

– оценки максимальной величины амплитуды ИП на удаленной от места возникновения помехи точке сети и условия их возникновения;

– определенные максимальные значения наведенных ИП в кабельной трассе с кабельными соединителями и токовводами;

– оценки эффективности фильтров для защиты от микросекундных и наносекундных ИП с учетом паразитных параметров элементов;

– импульсный метод измерения параметров связи кабелей, параметров трансформаторов и устройств гальванической развязки;

– предложения по совершенствованию документов РМРС;

– принципы и приоритеты, предлагаемые к использованию при проведении работ по обеспечению ЭМС;

– комплект имитаторов помех, разработанный для проведения испытаний на устойчивость к ИП.

Апробация работы. Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете на кафедре электротехники и электрооборудования. Основное содержание докладывалось на международных симпозиумах по ЭМС в г. Вроцлав, Польша (1986, 1988, 1990), г. Нагоя, Япония (1989), г. Вашингтон, США (1990), г. Пекин, Китай (1992, 1997), г. Бордо, Франция (1994), г. Сендаи, Япония (1994, 2004), г. Альбукерк, США (1996), г. Токио, Япония (1999), г. Стамбул, Турция (2003), г. Эйндховен, Нидерланды (2004), г. Санкт-Петербург, Россия (2003, 2005, 2007), на всесоюзных и общероссийских конференциях по ЭМС, проведенных в г. Рига (1985), г. Вильнюс (1986), г. Москва (1986), г. Новороссийск (1990), г. Санкт-Петербург (1993, 1996, 1998, 2000, 2002, 2004, 2006), на заседаниях секции “ЭМС в техно- и биосфере” Дома ученых имени М. Горького РАН (2006, 2007).

Публикации. Основные материалы диссертации отражены в 76 научных публикациях. В том числе 23 статьи, 35 докладов в трудах симпозиумов, 18 тезисов докладов. Тридцать три работы выполнены в личном авторстве, доля автора в остальных от 25% до 75%. В изданиях, рекомендованных перечнем ВАК для докторских диссертаций, опубликованы 5 статей: 2 – в личном авторстве, 3 – в соавторстве с долей автора от 33 до 50%.

Личный вклад. В диссертации излагаются результаты, вклад в которые автора был существенным на всех этапах, включая постановку задачи, проведение теоретического исследования и непосредственное участие в экспериментах в лаборатории и на судах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы из 182 наименований и приложений. Основная часть работы изложена на 400 страницах текста, включающего 337 рисунков и 74 таблицы.


^ КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, дан обзор истории работ в области ИП в России и за рубежом, показан вклад автора в разработку темы, приведена структура работы.

В первой главе рассмотрены вопросы прогнозирования параметров ИП в точке возникновения. Разработаны модели для расчета микросекундных и наносекундных переходных процессов при включении нагрузок. Учтено влияние удаленных элементов СЭС на параметры импульсных помех и влияние кабеля между включаемой нагрузкой и выключателем. Определены возможные параметры ИП при однофазных коммутациях, при коммутациях в трехфазной сети и ИП при однофазных замыканиях на корпус. Даны результаты экспериментального исследования ИП в точке возникновения.

Импульсные помехи представляют собой импульсы напряжения, наложенные на рабочее напряжение в сети и приложенные к техническим средствам симметрично или несимметрично. ИП сопровождаются также импульсами тока. Основными источниками ИП на судах являются штатные и аварийные коммутации, работа отдельных потребителей электроэнергии, внешние электромагнитные воздействия.

При включении нагрузки возникает ИП амплитудой UИ, длительность фронта которой может быть менее 10 нс. Импульс содержит как компоненты микросекундного диапазона длительностей (рис. 1,а), так и длительностью в десятки-сотни наносекунд (рис. 1,б).





а)

б)

Рис. 1. Изменения напряжения в сети при включении нагрузки в масштабе:

а) – микросекундном, б) – наносекундном.


Реальная судовая электротехническая система содержит большое количество элементов, соединенных кабелями в единую сеть. Для точного расчета ИП требуется знание волновых параметров всех элементов и кабелей, их геометрическое расположение, данные о прокладке каждого кабеля в кабельных трассах. Для оценки наиболее значимых параметров ИП (максимальной амплитуды, возможных длительности импульсов и длительности фронта) необходимы упрощенные методы расчета, не требующие полной информации о СЭС.

Замыкание контактов выключателя S приводит к возникновению переходного процесса и изменению напряжения в точке коммутации (рис. 2,а). Параметры начального изменения напряжения в основном определяются сверхпереходной индуктивностью генераторов, волновыми сопротивлениями кабелей и параметрами включаемой нагрузки.

Расчет изменения напряжения в наносекундном диапазоне длительностей может быть выполнен методом распространяющихся волн, при котором кабели замещаются длинными линиями с распределенными параметрами (волновое сопротивление Z, длина l, скорость распространения v), а другие потребители – волновыми сопротивлениями ZH.

Моделирование влияния удаленных нагрузок на процесс возникновения ИП показало, что для микросекундных длительностей их можно заменить цепями с сосредоточенными параметрами, рассчитанными по приведенным в работе формулам. Кабель с высокоомной нагрузкой может быть заменен RC-цепью, параметры которой зависят от волнового сопротивления кабеля, нагрузки и длины кабеля. Кабель с низкоомной нагрузкой может быть заменен RL-цепью, параметры которой зависят от волнового сопротивления кабеля, нагрузки, источника помех и длины кабеля.

В большинстве случаев волновое сопротивление удаленных от точки коммутации трансформаторов, асинхронных двигателей, реакторов, индуктивных элементов фильтров, как правило, больше волнового сопротивления кабелей. При этом условии кабель увеличивает длительность фронта формируемой импульсной помехи. При низком волновом сопротивлении нагрузки, что справедливо для низкоомной активной нагрузки типа мощного нагревателя, кабель приводит к возрастанию амплитуды формируемой помехи по сравнению с отсутствием кабеля. Постоянно включенный в сеть конденсатор приводит к увеличению длительности фронта создаваемой при коммутации нагрузки импульсной помехи и снижению ее амплитуды. Группа радиально расходящихся от точки возникновения помехи кабелей разной длины с нагрузками на концах дает некоторый усредненный эффект по сравнению с одиночным кабелем. Увеличение разброса в длине кабелей и увеличение их числа способствует сглаживанию переходной характеристики и приближению ее к обычной экспоненциальной кривой.

Импульсные помехи микросекундной длительности могут быть приближенно оценены с помощью разработанной автором схемы замещения (рис. 2,б), которая содержит индуктивность L=10...100 мкГн, отражающую индуктивность генераторов и кабелей, и сопротивление R=5...50 Ом, определяемое волновыми сопротивлениями кабелей и нагрузок в СЭС. Эквивалентная емкость С обычно не превышает 10 нФ и учитывается для расчета помех при включении конденсаторов с соизмеримой емкостью. Сравнение результатов расчетов, выполненных по схеме замещения, с результатами экспериментов на судах показывает, что погрешность определения амплитуды и длительности микросекундных ИП не превышает 20%.

Кабель между включаемой низкоомной нагрузкой и распределительным щитом снижает амплитуду помехи и увеличивает длительность ее фронта по сравнению с прямым включением нагрузки.

Максимально возможная амплитуда ИП в точке возникновения при включении большинства нагрузок не превышает амплитудного значения номинального напряжения Um, при коммутации трехфазной батареи конденсаторов может достигать 2,4Um, а для некоторых условий – 4,4Um. При включении трехфазной нагрузки из-за неодновременности замыкания контактов выключателя возникает несколько ИП. Рассмотрены все варианты замыкания и размыкания контактов. Однофазное дуговое замыкание на корпус может создать ИП более четырех амлитудных значений фазных напряжений с большой несимметричной составляющей.

Амплитуда ИП в сети при отключении индуктивной нагрузки в основном определяется свойствами дуги между расходящимися контактами выключателя и при использовании существующих судовых коммутационных аппаратов не превосходит амплитуды фазного напряжения. Генерируемая пачка импульсных помех содержит десятки-сотни импульсов, а длительность пачки может превышать 500 мкс. Максимальная измеренная частота следования импульсов составляет 13 МГц. Зафиксированы случаи перехода дуги в тлеющий разряд с последующим многократным зажиганием дуги и возвращением к тлеющему разряду.

Длительность ИП при коммутациях принимает значения от долей до десятков микросекунд, а длительность фронта ИП – от 10 нс до единиц микросекунд. Максимальная амплитуда ИП в точке возникновения в СЭС с номинальным значением напряжения 380 В может достигать 1400 В. Это значение превышает амплитуду импульса напряжения 1 кВ, рекомендуемого МЭК 60945 для испытаний судового оборудования на устойчивость к микросекундным ИП.

Результаты проведенного экспериментального исследования ИП на судах различного водоизмещения и назначения (полярный ледокол «Красин», сухогруз «Сестрорецк», научное судно «Академик Александр Карпинский», плавбаза «Ленинский путь», плавучие краны «Богатырь», «Волгарь», буксиры «Дионисо» и «Ераклий») подтвердили справедливость принятых в настоящей работе допущений и правильность полученных теоретических выводов.








б)

а)




Рис. 2. Схемы для расчета ИП: а) – структура СЭС, учитывающая распределительные щиты второго и третьего уровня, б) – упрощенная схема замещения для расчета микросекундных ИП


Во второй главе рассматриваются вероятностные характеристики амплитуды ИП, методы их определения, проводится прогнозирование распределения амплитуды ИП в СЭС методом статистических испытаний и результаты их экспериментального исследования, рассматривается подход к разработке требований к защищенности оборудования от ИП на основе вероятностных характеристик.

Импульсные помехи в СЭС с точки зрения теории вероятности могут быть представлены как случайный импульсный поток со случайными временами появления и случайными величинами параметров каждого импульса. Малая длительность ИП по сравнению с интервалом времени между коммутациями в судовой сети позволяет определить ИП в СЭС как поток с взаимно неперекрывающимися во времени импульсами (ординарный поток).

Случайный импульсный поток ИП в СЭС состоит из суммы потоков ИП, возникающих при коммутациях i-го потребителя электроэнергии или электрической цепи. Частота следования ИП f связана с частотой ИП в отдельных потоках fi формулой , где N – количество отдельных потоков, равное количеству коммутируемых цепей и потребителей в СЭС. Практически интерес представляют импульсы, параметры которых удовлетворяют неравенству An≥An.f, где An.f – фиксированная величина параметра, например, величина, допустимая для конкретного электронного оборудования.

Частота следования импульсов, параметры которых удовлетворяют неравенству, может быть определена по формуле



где p(An) – плотность вероятностей параметра An.

Для определения этой частоты необходимо знать частоту коммутаций в сети f и плотность вероятностей параметра An.

При инженерных расчетах величины fi могут быть ориентировочно заданы, исходя из средних значений количества включений и выключений в единицу времени каждого типа судовых потребителей электроэнергии.

Плотность распределения вероятностей параметра An выражается через плотность распределения pi(An) для коммутации i-й цепи или потребителя следующим образом:

Таким образом, определив плотности вероятностей параметров ИП на шинах главного распределительного щита (ГРЩ) при включениях и отключениях каждого судового потребителя электроэнергии и электрических цепей, а также, зная частоту этих коммутаций, можно рассчитать вероятностные характеристики ИП, необходимые для обоснования требований к защищенности от ИП судового электронного и электротехнического оборудования.

Основным параметром, определяющим степень опасности ИП для электронной техники, является амплитуда. За показатель защищенности электронного оборудования также принимается максимальная амплитуда импульсов напряжения определенной формы, при воздействии которых оборудование работает без сбоев.

При коммутациях в трехфазной сети одновременно возникают ИП, наложенные на фазные и линейные напряжения. Амплитуды ИП на фазах связаны между собой полученными определенными соотношениями, что дает возможность сократить число величин, подлежащих статистическому исследованию или измерению. В качестве базовых величин принимаются амплитуды ИП между фазами и корпусом, т.к. они учитывают как симметричную, так и несимметричную составляющие.

Частота появления ИП, амплитуда которых превышает заданную величину, требуемая для разработки требований к защищенности оборудования от ИП, может быть определена путем проведения достаточного большого объема измерений на судах или расчетным путем на основе плотностей вероятностей амплитуды ИП, при включении типичных нагрузок.

Амплитуда ИП при коммутации конкретной цепи или нагрузки зависит от волновых параметров сети и цепи (нагрузки), а также от угла коммутации α, последовательности коммутации контактов выключателя и от временных задержек между коммутацией контактов (углов β и γ). Углы α, β, γ и последовательность коммутации контактов при каждом включении или отключении цепи являются случайными величинами. Аналитически получены выражения для расчета плотности распределения вероятностей амплитуды ИП для ряда случаев коммутации. Плотности вероятностей амплитуды ИП при коммутациях нагрузок цепей, аналитическое определение которых затруднено, найдены методом статистических испытаний (методом Монте-Карло). Для получения каждого графика проведен расчет до 1000000 реализаций.

Вероятностные характеристики амплитуды ИП определяются на ЭВМ для возможных вариантов коммутации нагрузок, рассмотренных в главе 1, с учетом возможного разброса момента замыкания и размыкания контактов выключателя (рис.3,а). Оценено влияние математического ожидания момента запаздывания замыкания контактов m(β) и среднеквадратического отклонения σ(β), емкости сети СС на плотности распределения вероятностей амплитуды ИП и статистические оценки амплитуды. Получены десятки графиков соответствующих зависимостей (рис.3,б).






а)

б)


Рис. 3. Вероятностные характеристики ИП: а) – плотности распределения вероятностей амплитуды ИП на фазах относительно корпуса для случаев включения трехфазных емкостных цепей; б) – зависимости математического ожидания, среднеквадратического отклонения и максимальной амплитуды ИП от относительной емкости включаемой батареи конденсаторов


Экспериментальные вероятностные характеристики амплитуды ИП определяются путем измерения амплитуды при многократных включениях и выключениях нагрузок с последующей статистической обработкой результатов измерений, а также методом длительных пассивных измерений. Для измерений амплитуды ИП в сети переменного тока используются регистратор VR101 фирмы Fluke, цифровые осциллографы TDS1022, TDS2024 фирмы Tektronix, анализаторы АИП-С. Гистограмма плотности распределения амплитуды ИП определяется на основе массива результатов измерений методом статистической обработки. Определены экспериментальные графики для сотен коммутаций конденсаторов, резистивных нагрузок, катушек индуктивности. Подтверждены экспериментально теоретические выводы. Оценено влияние тока отключаемой нагрузки и типа выключателя на вероятностные характеристики амплитуды ИП в сети и на отключаемой нагрузке. Например, получено, что практически отсутствует корреляция между максимальным напряжением на катушке и максимальной амплитудой ИП в сети из-за того, что амплитуда ИП определяется процессом горения дуги, а максимальное напряжение на катушке – процессом после погасания дуги. Получены графики для плотности распределения амплитуды ИП для однофазного замыкания на корпус и коммутации нагрузок на судах.

Включение трехфазных активных нагрузок создает ИП со следующими вероятностными характеристиками: m=(0,55÷0,63)UИ.М; σ=(0,16÷0,21)UИ.М. Причем большей величине временного разброса замыкания контактов соответствует меньшее значение m и большее значение σ. Полученные результаты справедливы также для случая включения незаряженной емкостной трехфазной цепи, если положить UИ.М=UФ.М. Включение трехфазной батареи конденсаторов с изолированной средней точкой, заряженной при предшествующем отключении, дает m=(0,78÷0,89)UФ.М; σ=(0,4÷0,62)UФ.М; UИ.М<2,36UФ.М. Наибольшая амплитуда ИП в сети наблюдается при коммутации заряженных емкостных цепей, включенных между фазами и корпусом при СH>>CC: m=1,7UФ.М; σ<1,1UФ.М; UИ.М=4,4UФ.М. Однофазные замыкания на корпус создают несимметричные ИП до 1200 В, при этом на замыкаемой фазе
m=(1,2–1,3)UФ.М; σ=0,5UФ.М, на остальных фазах m=(1,7–1,9)UФ.М; σ=(0,6–0,8)UФ.М. Погрешность экспериментального определения характеристик не превышает 15% с доверительной вероятностью 0,997.

Натурные эксперименты подтвердили возможность появления на ГРЩ ИП с амплитудой до 1200 В. Частота следования ИП с амплитудой более UФ.М на обследованных судах не превышает одного раза в сутки

В судовой сети с номинальным напряжением 380 В на ГРЩ частота следования импульсных помех с амплитудой, превышающей 1000 В, составляет единицы в год и связана в основном с аварийными процессами, а частота появления импульсов с амплитудой более 2000 В близка к нулю. Правила РМРС регламентируют устойчивость судового оборудования, устанавливая обязательные испытания наносекундными и микросекундными ИП амплитудой 2 и 1 кВ. При обеспечении устойчивости оборудования к ИП с амплитудой 1 кВ возможен сбой в его работе с вероятностью порядка нескольких процентов при однофазных замыканиях на корпус или разрядах молнии. При повышении требований по устойчивости судового оборудования до 2 кВ вероятность его сбоев приближается к нулю.

После установки на судно электронного и электротехнического оборудования его работоспособность в условиях реальных ИП может быть проверена в многократно повторяемых режимах дуговых замыканий одной фазы сети на корпус или с помощью разработанных имитаторов ИП.

В третьей главе определяется изменение параметров ИП при распространении в системе, учитывается распространение ИП вдоль кабельной трассы, распространение помех излучением, возникновение наведенных напряжений в кабельной трассе, приводятся результаты экспериментального исследования.

При обеспечении ЭМС необходимо принимать во внимание не только параметры помех в месте возникновения, но и изменение параметров при распространении до восприимчивой к помехам аппаратуре. Импульсные помехи распространяются от точки возникновения по общей сети питания, через элементы СЭС, такие как распределительные щиты, трансформаторы, фильтры, через гальванические развязки, электромагнитные связи кабелей в трассе (рис. 4).

Распространение ИП по кабелям носит волновой характер, так как длительность фронта помех соизмерима со временем пробега электромагнитных волн по судовым кабелям.

В начале главы дан обзор существующих современных методов расчета распространения помех, включая топологический подход Baum-Lui-Tesche и супертеорию линий передачи TLST. В работе поставлена задача получения упрощенных моделей, пригодных для оценочных расчетов при отсутствии полной информации о системе.




Рис. 4. Распространения импульсных помех в СЭС от точки возникновения (точка включения нагрузки Н у ГРЩ) до электронного оборудования ЭО, где СК, ИК – соответственно силовой и информационный кабели, РЩ – распределительный щит, Т – трансформатор, Ф – фильтр, Д – датчик, ГР – устройство гальванической развязки


Полученные выражения, описывающие изменения напряжения при распространении, учитывают потери в кабелях, волновые эффекты при распространении по сети, при переходе через распределительные щиты, участки неоднородности, такие как разделка кабелей и изменение высоты прокладки, и позволяют определить амплитуду, длительность и фронт ИП на оборудовании, удаленном от источника ИП. В частности, потери в проводниках приводят к появлению в переходной характеристике составляющей, описываемой интегралом вероятности: , а потери в диэлектрике дают зависимость вида arctg(t/τД). При формировании ИП в цепях с сосредоточенными параметрами ее фронт описывается экспоненциальной функцией.

В работе приведены необходимые для расчета значения параметров судовых кабелей, полученные теоретически и экспериментально, даны графики зависимостей волновых параметров от материала диэлектрика и геометрических особенностей кабелей. Например, значение волнового сопротивления судового кабеля КНР уменьшается от 105 Ом для кабеля КНР с сечением 3x1 мм2 до 30 Ом для кабеля КНР с сечением 3x240 мм2. Постоянная τМ уменьшается, постоянная τД изменяется мало, а их отношение m уменьшается от 250 до 10 при увеличении сечения кабеля от 3x1 мм2 до 3x240 мм2.

Оценка погрешности моделей распространения наносекундных импульсов проводится путем расчета среднеквадратического отклонения теоретических кривых от экспериментальной кривой напряжения по 2500 точкам. Сравнение расчетных кривых изменения напряжения на конце кабелей с экспериментами позволяет сделать вывод, что для кабелей длиной свыше 50 м более точный результат дает использование переходной характеристики затухания в металле, а для малых длин кабелей применима экспоненциальная зависимость. Погрешность расчета ИП при распространении по кабелям длиной от 5 до 100 м не превышает 10% для симметричных помех и 20% для несимметричных помех.

Наносекундные ИП (5/50 нс) при распространении в кабелях КНР длиной 100 м уменьшаются по амплитуде в 1,3–2,5 раза. Увеличение длины кабеля и уменьшение сечения приводит к уменьшению амплитуды и увеличению длительности фронта. Для кабеля длиной в несколько десятков метров длительность фронта импульса напряжения на дальнем конце растягивается до 0,1 мкс. С ростом длительности импульсов амплитуда на дальнем конце кабеля возрастает (рис. 5,а).

Микросекундные ИП (1/50 мкс) практически не изменяются за счет затухания по амплитуде при распространении по кабелям длиной до 100 м (рис. 5,б).






а)

б)

Рис. 5. Распространение симметричных ИП по кабелю длиной 50 м:

а) – напряжения на конце кабеля СМПВЭ 7x2,5 мм2 при подаче в его начало импульсов одинаковой амплитуды, но разных длительностей: 1 – 10 нс; 2 – 30 нс; 3 – 50 нс; б) – напряжения на ближнем uБ и дальнем uД конце кабеля КНР 3х10 мм2


На судне волновое сопротивление кабелей изменяется из-за разделки кабеля, соединения различных кабелей в распределительном щите, а для распространения несимметричных ИП – также из-за изменения высоты прокладки кабеля над судовыми конструкциями. Полученные выражения позволяют оценить амплитуду напряжения на конце кабеля и в случае неоднородностей.

Наибольший вклад в изменение параметров ИП при распространении дают эффекты отражений и преломлений волн в точках изменения волнового сопротивления. Напряжение на удаленном оборудовании определяется также сопротивлением этого оборудования. На параметры наносекундных ИП оказывает влияние даже разделка кабеля (рис. 6). Переход волны напряжения с кабеля через щит на многочисленные отходящие от щита кабели, приводит к наиболее существенному уменьшению ИП. Принятая для судов радиальная структура СЭС является наилучшей с точки зрения снижения уровней помех при распространении. Проведенные на
6 судах натурные измерения распространения ИП между главным распределительным щитом (ГРЩ) и удаленным щитом позволяют оценить суммарный эффект от потерь в кабеле, от неоднородностей, отражений от нагрузок и преломлений волн на щитах. Наносекундные ИП, приходящие по кабелю с волновым сопротивлением 50 Ом на ГРЩ и распространяющиеся далее на удаленный щит затухают более чем в 50 раз. Микросекундные ИП, возникающие на ГРЩ при включении конденсатора и распространяющиеся от ГРЩ до удаленного щита, уменьшаются до 0,4–0,8 от амплитуды в точке возникновения. Напряжение на удаленном оборудовании с высоким сопротивлением может в 2 раза превышать напряжение приходящей к нему по кабелю волны.






а)

б)

Рис. 6. Результат расчета напряжения на конце кабеля uH(t) при разделке кабеля у нагрузки: а) – изменение во времени, б) – зависимость амплитуды напряжения от волнового сопротивления участка разделки Z2 при различных сопротивлениях нагрузки

Многократные отражения волн на пути распространения из-за разделки и изменения высоты прокладки кабелей могут дать увеличение амплитуды ИП до
4 амплитуд падающей волны при высоком сопротивлении нагрузки. С учетом того, что импульсная помеха на ГРЩ может достигать 1 кВ, напряжение ИП на удаленном потребителе может достигать 4 кВ, что требует повышения требований к устойчивости судового оборудования минимум до 2 кВ. Проведенный генетическим алгоритмом поиск абсолютного экстремума дает еще большее максимально возможное напряжение на нагрузке (до 8 амплитуд падающей волны) при наличии неоднородностей кабеля перед ней с определенным сочетанием параметров. Однако выполнение этих условий маловероятно.

Импульсные помехи, обусловленные включением конденсатора, могут привести к четырехкратному перенапряжению на потребителе по отношению к фазному напряжению на ГРЩ. Многократные отражения в кабеле могут дать увеличение перенапряжения на удаленном потребителе до 2 кВ.

Наносекундные и микросекундные ИП могут быть отнесены по своему спектру к высокочастотным помехам. Поэтому любой металлический корпус оборудования является для них хорошим экраном, обеспечивающим ослабление на несколько порядков. В главе приведены удобные для практического использования графики определения коэффициентов экранирования различных металлов и обобщены представления о распространении помех излучением. Главным путем проникновения ИП внутрь судового электронного оборудования остаются внешние кабели.

Импульсные помехи, распространяющиеся по кабелю, наводят напряжения в соседних информационных кабелях. Полученные решения уравнений позволяют определить параметры наносекундных наведенных ИП и прогнозировать их форму (рис. 7). Параметры, необходимые для получения численных решений, определяются на основе геометрии трассы и кабелей.

Решения, описывающие наведенные напряжения на ближнем u и дальнем u конце кабеля, соседнего с кабелем-источником помех uS, описываются выражениями вида:









а)

б)

Рис. 7. Несимметричное импульсное напряжение на ближнем u (нагрузка 75 Ом) и дальнем u (без нагрузки) конце жилы кабеля КМПВЭ 37х1 мм2 длиной 10 м при подаче на соседнюю жилу импульса с фронтом длительностью 1 нс: а) – результат измерения; б) – результат расчета


Возникновение наведенных напряжений в кабельной трассе может рассматриваться как процесс распространения электромагнитных волн по волновым каналам многопроводной линии. Этот процесс зависит от числа, взаимного расположения, материала и размера проводников, их удаленности от корпуса (земли), материала изоляции. Распространение энергии в различных совокупностях параллельных проводников подразделяют на распространение по определенным волновым каналам. Для однородного участка кабельной трассы распространение по каждому каналу происходит независимо. В местах нарушения однородности происходит перераспределение между каналами. Суть подхода заключается в преобразовании напряжений и токов на проводниках к напряжениям и токам в каналах, расчете их изменений при распространении и отражении от нагрузок на концах кабеля с последующим обратным преобразованием к напряжениям на проводниках в требуемой точке.

По результатам расчета, амплитуда наведенного напряжения в цепи рецептора помех может достигать 0,3 амплитуд напряжения источника помех, а на нагрузке с высоким сопротивлением даже 0,6. Форма наведенного напряжения на ближнем и дальнем концах цепи рецептора зависит от параметров кабельной трассы и формы исходного импульса в кабеле-источнике помех.

Для оценочных расчетов амплитуды микросекундных ИП, наведенных на проводнике неэкранированного кабеля из-за воздействия помех от соседнего кабеля длиной lK, можно предложить следующие значения параметров связи: емкость между кабелями С12<40∙lK пФ, взаимная индуктивность по цепям кабель-земля
М12<200∙lK нГн, взаимная индуктивность пар проводников кабелей М1122<30 нГн. Максимальное значение М1122 практически не зависит от длины lK. Для кабеля с экраном С12<0,1∙lK пФ, М12<0,1∙lK нГн, М1122<10 нГн. Если цепь 2 расположена в кабеле с пожильным экранированием, то С12<0,04∙lK пФ, а наведенное напряжение за счет магнитной связи меньше напряжения, вызванного протеканием наведенного тока по экрану. Сопротивление экрана RЭ<10∙lK мОм. Емкость жил кабеля на корпус зависит от расстояния от жил до корпуса и может быть положена С2<(20–200)∙lK пФ, где наибольшее значение соответствует жилам кабеля с заземленным экраном.

Значения параметров связи кабелей в трассе определяются расчетным путем или разработанным автором импульсным методом измерения (от 0,1 пФ, 1 нГн).

Полученные решения уравнений позволяют определить параметры наведенных импульсных напряжений и прогнозировать их форму. Наведенные напряжения в соседнем неэкранированном кабеле двадцатиметровой трассы могут достигать 300 В на жилах и 10–30 В между жилами и практически не меняются при использовании кабельных соединителей в трассе. Волновые эффекты распространения могут дать удвоение этих напряжений при неблагоприятном сочетании параметров нагрузок.

При вводе кабелей в соединители, применяемые для повышения технологичности электромонтажных работ, кабели разделывают, в результате чего в кабельной трассе оказывается вставка, в которой частично отсутствуют повив и экранирование жил, возможно нежелательное сближение отдельных проводников различных кабелей. Это приводит к возрастанию электромагнитных связей кабелей, возрастанию наведенных напряжений. Определены параметры связей кабелей в соединителях СКМ, СКР, СКУ, соединительном ящике СЯ, разъемах ШР, 2РМ, РП14, РПО, устройстве УКО, в токовводах на основе кабеля КМЖ и оценено их влияние на амплитуду наведенных ИП. В кабеле с одним наружным экраном и при наличии в трассе кабельных соединителей можно ожидать наведенные импульсные напряжения до 3 В на жилах относительно корпуса и до 0,4 В между жилами. Соединительный ящик в трассе может увеличить эти напряжения соответственно до 5 и 3 В. Наведенные напряжения между жилами кабелей с пожильным экранированием не превышают 0,4 В.

В четвертой главе рассматривается воздействие ИП на электронное оборудование, распространение помех через сетевые фильтры, трансформаторы, устройства гальванические развязки, механизм проникновения ИП к восприимчивым узлам и компонентам ТС, стойкость компонентов электронного оборудования, помехоустойчивость цифровых и аналоговых устройств.

Опыт испытаний на помехоустойчивость показывает, что около четверти образцов электронного оборудования, впервые предъявляемого на испытания по ЭМС, сбивается при воздействии наносекундных ИП. Фиксируются изменения показаний отображающих индикаторов, зависание процессоров, формирование или выполнение ложных команд. При воздействии микросекундных ИП в цепях питания у 7–9% впервые испытываемых изделий наблюдается разрушению вторичных источников электропитания или входных фильтров.

Фильтр, трансформатор или специальный защитный элемент описываются некоторыми параметрами связи (передачи, распространения). Затухание помех характеризуется коэффициентом вносимого затухания KЗ, под которым понимают отношение напряжений помех на рецепторе (нагрузке) при отсутствии элемента на пути распространения помех U1 и при его наличии U2.

Коэффициент вносимого затухания фильтра в реальных условиях эксплуатации зависит не только от параметров элементов фильтра, но и от сопротивления источника помех и сопротивления защищаемого оборудования. Можно рекомендовать производить расчет распространения помех для наихудшего случая сочетания этих параметров.

Реальные элементы фильтров обладают паразитными параметрами, ухудшающими свойства элементов на высоких частотах. Для точных расчетов необходимо использовать полные схемы замещения элементов, параметры которых предлагается определять расчетным путем, путем измерения или использовать полученные в работе значения.

Расчет прохождения ИП сводится к определению переходной характеристики при подаче ступеньки напряжения единичной амплитуды с последующим применением интеграла Дюамеля или к использованию PSpice-моделей.

Микросекундные ИП по ГОСТ Р 51317.4.5 длительностью 50 мкс ослабляются пассивным LC-фильтром с приемлемыми значениями индуктивности и емкости лишь в несколько раз, а фильтр с малыми значениями L и C дает увеличение помехи (рис. 8). В целом пассивные фильтры мало эффективны для защиты от микросекундных импульсных помех. Увеличение коэффициента затухания до значений, требуемых ГОСТ Р 50745 (4, 10, 50 раз) путем увеличения индуктивности и емкости приводит к чрезмерным габаритам и недопустимо большому падению напряжения на индуктивности при протекании тока основной частоты.





а)

б)

Рис. 8. Зависимость коэффициента вносимого затухания микросекундных ИП от параметров LC-фильтра и от нагрузки при сопротивлении источника помех 2 Ом:

а) – нагрузка отсутствует; б) – сопротивление нагрузки изменяется при С=1 мкФ


Наносекундные ИП по ГОСТ Р 51317.4.4 длительностью 50 нс могут быть ослаблены в требуемое ГОСТ Р 50745 число раз (10, 50, 200 раз) с помощью пассивных фильтров с малыми значениями паразитных параметров. LC-фильтр в виде идеальной катушки индуктивности LФ, устанавливаемой последовательно с защищаемой нагрузкой, и конденсатора СФ, устанавливаемого параллельно нагрузке, обеспечивает затухание наносекундных импульсных помех в 100 раз при LФ>0,3 мГн, СФ>0,1 мкФ для стандартной нагрузки 50 Ом (рис. 9,а).

С ростом паразитной емкости катушки индуктивности СК коэффициент вносимого затухания индуктивного фильтра падает и при СК > 10 пФ не превосходит 10 раз.
С ростом индуктивности выводов конденсатора LB коэффициент вносимого затухания емкостного фильтра уменьшается и при LB > 1нГн не превосходит 10 раз (рис. 9,б).






а)

б)

Рис. 9. Распространение наносекундных ИП через LС-фильтр: а) – зависимость коэффициента вносимого затухания идеального LС-фильтра от емкости конденсатора для различных индуктивностей катушки при нагрузке 50 Ом; б) - зависимость вносимого затухания наносекундных ИП при LФ=100 мкГн с различной паразитной индуктивностью конденсатора (сплошные линии – LВ=0 нГн, точки – LВ=1 нГн, пунктир – LВ=10 нГн) от паразитной емкости катушки СК.


Полученные графики позволяют быстро оценить значения параметров элементов фильтра, обеспечивающих требуемое затухание импульсных помех.

Трансформаторы используются как в СЭС, так и в составе вторичных источников питания. В самом общем случае каждый элемент обмотки трансформатора можно считать связанным с другими элементами этой же фазы и соседних обмоток. Полные решения сориентированы в основном на поиск пространственного распределения напряжений вдоль обмоток, определения перенапряжений между витками и между секциями, что необходимо с точки зрения выбора изоляции обмоток, но не важно для целей оценки распространения импульсов через трансформатор.

Расчет распространения микросекундных ИП через трансформаторы может выполняться на основе схем с сосредоточенными параметрами. Значения параметров C12, C2, LS и CS, необходимые для расчета, определяются импульсным методом. Для низковольтных обмоток Ls имеет порядок 10-6 Гн, а Сs – 10-10 Ф.

В трансформаторах для симметричных составляющих ИП преобладает путь проникновения через магнитную связь между обмотками, а для несимметричных составляющих – через емкостную связь. Несимметричные ИП проходят через трансформатор с небольшим ослаблением, не зависящим от коэффициента трансформации. Симметричные напряжения передаются на вторичную обмотку с коэффициентом трансформации, вызывая симметричное напряжение на вторичной обмотке. Экспериментально обнаружено также преобразование симметричного напряжения u11, приложенного на первичную обмотку, в несимметричное напряжение на вторичной обмотке u2≈(0,25–0,4)u11, что обусловлено конструкцией трансформатора. Первый слой первичной обмотки, связанный с выводом 1, наиболее удален от вторичной обмотки. Последний слой обмотки, связанный с выводом 1’ непосредственно примыкает к ней. Это приводит к тому, что емкость С12 между первым слоем и вторичной обмоткой много меньше емкости С1’2 между последним слоем и вторичной обмоткой, что и приводит к появлению несимметричного напряжения на вторичной обмотке:

,

где С2 – емкость вторичной обмотки относительно корпуса.

Установлено, что многие устройства гальванической развязки не обеспечивают эффективной защиты оборудования от ИП из-за достаточно высокой проходной емкости. Целесообразна разработка стандарта по ЭМС, распространяющегося на устройства гальванической развязки.

ИП проникают внутрь ТС через электромагнитные связи цепей первичного питания и информационных цепей внутри ТС (рис. 10,а). Магнитная связь определяется расположением цепи-источника импульсного тока внутри ТС и цепи-рецептора помех (цепи питания электронных узлов). Наведенное напряжение пропорционально скорости изменения тока помех i1 в цепи первичного питания, т.е. большее наведенное напряжение дает ток с большей амплитудой и с более коротким фронтом. Ток в цепи заземления экрана кабеля i3 также может дать дополнительную магнитную связь, определяемую взаимным расположением цепи заземления и цепи рецептора помех. Электрическая связь характеризуется емкостью между цепями внутри ТС. График, приведенный на рис.10,б, позволяют определить по известной емкости связи амплитуду напряжения, наведенного на шинах питания электронных узлов наносекундными ИП, действующими в питающей сети. Рассмотренная модель проникновения ИП из сети питания в цепи питания чувствительных элементов через электромагнитные связи цепей внутри ТС позволяет прогнозировать наведенные напряжения.

Порт ввода-вывода часто не имеет средств помехозащиты. Несимметричные помехи, наведенные во внешних линиях связи, частично преобразуются в симметричные из-за неравенства входных сопротивлений ТС на зажимах ввода и воспринимаются ТС как полезный сигнал.

Порт корпуса подвержен воздействию электромагнитного поля и электростатического разряда. В конечном итоге электрическое и магнитное поля вызывают наведенные напряжения во внутренних цепях ТС, которые воспринимаются как полезный сигнал.

Воздействие помех в цепи заземления приводит к появлению напряжения помех на корпусе ТС, что эквивалентно воздействию несимметричных помех на портах питания и ввода-вывода относительно корпуса. Наносекундные ИП могут создать на проводнике заземления высокие падения напряжения. Полученные зависимости амплитуды и длительности ИП на цепи заземления от индуктивности этой цепи позволяют прогнозировать эффект от воздействия наносекундных ИП в цепи заземления.

В главе описывается также характер повреждения компонентов, даны некоторые характерные энергетические уровни их разрушения при воздействии ИП. Обобщенные данные по стойкости и помехоустойчивости элементов по отношению к ИП удобны для сравнения с прогнозируемыми значениями наведенных напряжений.









а)

б)




оставить комментарий
страница1/4
Воршевский Александр Алексеевич
Дата28.09.2011
Размер0,7 Mb.
ТипАвтореферат диссертации, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы:   1   2   3   4
плохо
  1
отлично
  1
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

наверх