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

Вид материала

Автореферат диссертации

Подобный материал:

• Устойчивость к радиочастотному, 635.67kb.
• Постановлением Госстандарта России от 14. 01. 92 №12 Настоящие методические указания, 769.54kb.
• Vii международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, 50.03kb.
• Правила технической эксплуатации судовых технических средств и конструкций рд 31. 21., 4945.87kb.
• Повышение эксплуатационной надежности электротехнических комплексов нефтедобычи с погружными, 312.89kb.
• В. А. Хачатурян управление электроснабжением нефтеперерабатывающих, 834.03kb.
• Обеспечение электромагнитной совместимости систем электроснабжения нефтегазового комплекса, 331.23kb.
• Учебное пособие для студентов 2ОО8, 551.16kb.
• Карта компетенции дисциплины, 45.29kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине б б 07 Электроника, 792.46kb.

Рис. 10. Проникновение ИП в информационные цепи через электромагнитные связи внутри ТС: а) – размещение узлов электронного устройства; б) – зависимости коэффициента затухания К_З наносекундной ИП 5/50 нс и длительности наведенного ИП от емкости связи цепей внутри ТС при сопротивлении цепи 50 Ом.


Наиболее восприимчивыми к ИП цепями являются цифровые микросхемы, которые изменяют свое состояние при появлении на шинах низковольтного питания ИП с амплитудой 2–3 В. Помехоустойчивость цифровых устройств оценивают зависимостью вероятности сбоев от амплитуды импульсных помех с фиксированными длительностью, фронтом и полярностью. Часто эта характеристика близка к пороговой и может быть описана пороговым значением амплитуды, при котором возникают постоянные сбои, и вероятностью сбоев при меньших амплитудах. Значение порога для цифровых устройств, спроектированных без учета ЭМС, может составлять десятки-сотни вольт. При правильном применении методов и средств помехозащиты цифровые устройства удовлетворительно работают при воздействии в питающей сети импульсов напряжения с амплитудой до нескольких тысяч вольт.

Воздействие помех на аналоговые устройства чаще всего проявляется в появлении дополнительных отклонений выходных величин, увеличении погрешности обработки сигналов, снижении чувствительности устройства и невозможности обработки сигналов малых уровней.

Устройства электроавтоматики, управляющие работой судовой электростанции, получают информацию для своей работы непосредственно от судовой сети, в которой могут возникать ИП с высокими амплитудами. Поэтому при проектировании устройств электроавтоматики необходимо уделять особое внимание восприимчивости их входных цепей к ИП.

Пятая глава посвящена практике обеспечения ЭМС. В ней дается общий подход к обеспечению ЭМС, рассматриваются пути совершенствования требований по ЭМС, методы и средства подавления ИП, защиты электронного оборудования от ИП и особенности проектирования судовых систем.

Обеспечение ЭМС подразумевает сопоставление уровней электромагнитных помех в месте установки ТС и устойчивости этих средств к помехам. Общим принципом обеспечения ЭМС технических средств является определение совместимости каждой возможной в системе пары источник помех–рецептор. Уровень помех, создаваемых источником или источниками на рецепторе, в общем виде является величиной случайной, так как зависит от режимов работы источников помех, режима работы электроэнергетической системы, от условий распространения помех, которые могут изменяться во времени. Обычно помехи больших уровней появляются с меньшей вероятностью. В главе 2 приведен способ определения вероятностных характеристик ИП. Помехозащищенность или помехоустойчивость рецептора характеризуются плотностью распределения вероятности сбоев в работе рецептора в зависимости от напряжения помехи. С ростом напряжения помех вероятность нарушения работы рецептора возрастает.

Уровень помех снижается путем применения методов и средств подавления помех в источнике, внесения изменений в механизм связи. Уровень помехоустойчивости повышают использованием методов и средств помехозащиты, повышением помехоустойчивости ТС.

Добиться идеального решения ЭМС технически сложно и может быть экономически не оправдано. Существуют источники помех, для которых невозможно точно указать максимальный уровень помех. Например, разряд молнии или аварийный процесс способны создать экстремально большой уровень ИП. Минимальный уровень помехоустойчивости носит также вероятностный характер. В некоторых режимах ТС может обладать пониженной устойчивостью к помехам.

Для ТС, связанных с безопасностью, а именно к таким ТС относится судовое оборудование ходового мостика, следует использовать подход минимизации вероятности сбоев, а не минимизации затрат. Требования по ЭМС могут быть определены, если задаться значением допустимой вероятности сбоев и знать вероятностные характеристики помех и помехозащищенности ТС для различных вариантов применения методов и средств обеспечения ЭМС. Во многих случаях обеспечение ЭМС превращается в своего рода искусство, требующее хорошего понимания физических процессов, знания существующих методов и средств, владения измерительным и испытательным оборудованием.

Первым шагом в обеспечении ЭМС по фактору ИП являлась разработка требований к устойчивости судового оборудования к ИП. Автор принимал непосредственное участие в научно-исследовательских работах по изучению возникновения и распространения ИП в СЭС, проводимых по заданию ЦНИИ судовой электротехники и технологии в 1970–1980-х годах с целью разработки таких требований. Автор являлся также ответственным исполнителем, руководителем НИР по совершенствованию ЭМС требований, проводимых для РМРС в конце 1990-х – начале 2000-х годов.

Соблюдение действующих требований РМРС к судовым ТС по эмиссии помех и помехоустойчивости является минимально необходимым условием обеспечения ЭМС. Объединение отдельных ТС (блоков) в систему существенно изменяет характеристики ЭМС из-за появления дополнительных путей распространения помех и взаимодействий блоков между собой. Близкое расположение мощного и чувствительного оборудования на судне, необходимость прокладки различных кабелей в одной кабельной трассе, появление многообразных электромагнитных связей снижают помехоустойчивость системы по сравнению с отдельным ТС и требуют решения ряда дополнительных вопросов. Обеспечение ЭМС для систем требует проверок по выявлению возможных сбоев при различных комбинациях работы оборудования.

Основными направлениями совершенствования документов Российского Морского Регистра судоходства (РМРС) является следующее:

- включение в Правила классификации и постройки морских судов раздела или приложения, содержащего порядок рассмотрения и решения вопросов ЭМС на стадии конструирования, изготовления и эксплуатации, общие требования по обеспечению ЭМС;

- корректировка требований по ЭМС в соответствии с новыми международными документами и стандартами;

- включение в руководства процедуры и методики проверки выполнения требований по ЭМС при постройке судна, в ходе швартовных и ходовых испытаний, а также при эксплуатации судна, включая случаи ремонта, замены оборудования, установки нового оборудования, проведения регламентных работ. Предлагается, в частности, дополнить швартовные и ходовые испытания рядом дополнительных испытаний по ЭМС систем навигации и радиосвязи. Испытания на устойчивость к наносекундным ИП амплитудой 2 кВ, подаваемым на щит питания оборудования ходового мостика, позволяют устранить ошибки монтажа, выявить некачественно изготовленное оборудование, повысив тем самым безопасность мореплавания.

Снижение уровня помех, создаваемых источником, является важным направлением обеспечения ЭМС. Принцип «Лучше не создавать помехи, чем потом с ними бороться» можно рекомендовать к использованию при проведении работ по помехоподавлению. При этом рекомендуются следующие приоритеты: а) полное исключение генерации помех в источнике, а при невозможности этого – б) снижение уровня помех внутренними средствами и только в последнюю очередь – в) применение внешних средств подавления помех. Приведенные в работе примеры реализации такого подхода применительно к снижению уровней помех в СЭС при коммутациях нагрузок, работе полупроводниковых преобразователей, вторичных источников питания позволяют более эффективно применять указанные ниже методы и средства подавления помех.

Основными путями снижения ИП в электрической сети при коммутациях можно назвать следующие:

– проектирование СЭС таким образом, чтобы в них отсутствовали источники коммутационных импульсных помех с амплитудой большей удвоенного амплитудного значения фазного напряжения;

– устранение условий коммутации нагрузки, приводящих к появлению наибольших амплитуд помех, снижение скорости изменения токов и напряжений при коммутации;

– применение внешних помехоподавляющих устройств.

Для снижения амплитуды ИП при включении батареи заряженных конденсаторов могут быть рекомендованы следующие меры:

– устранение батарей конденсаторов с часто коммутируемых участков сети;

– разряд конденсаторов после отключения через дополнительные резисторы, что позволяет снизить максимальную амплитуду импульсов приблизительно в 2 раза;

– сетевые фильтры на входе часто включаемых потребителей должны содержать катушки индуктивности между конденсаторами и сетью, что позволяет снизить амплитуду импульсных помех и скорость изменения напряжения при включении в сеть;

– батареи конденсаторов большой переключаемой емкости должны включаться полупроводниковыми ключами в моменты времени равенства напряжения на конденсаторе и в сети.

Применение помехоподавляющих устройств в сети менее эффективно, чем подавление помех непосредственно в источнике. Установка конденсаторов в какой-либо точке сети снижает напряжение помех в этой точке, однако увеличивает токи помех в кабеле, что может привести к увеличению напряжений, наведенных в соседних кабелях трассы. Включение самого участка сети с установленными конденсаторами может привести к появлению ИП больших амплитуд. Увеличение емкости сети относительно корпуса приводит к увеличению амплитуды ИП при однофазных замыканиях. Подавление коммутационных ИП в сети возможно также с помощью нелинейных элементов, применяемых для защиты от грозовых перенапряжений.

При проведении работ по повышению помехоустойчивости и помехозащите оборудования рекомендуются следующие подходы:

– защита от помех на всех путях их воздействия: по портам питания, корпуса, ввода-вывода и порту заземления;

– защита от всех видов помех: кондуктивных и излучаемых, симметричных и несимметричных, непрерывных и импульсных, высокочастотных и низкочастотных, широкополосных и узкополосных;

– защита на дальних подступах: выделение зон для установки ТС, снижение уровней помех на входе в каждую зону путем применения средств помехозащиты;

– учет паразитных параметров реальных элементов;

– контроль конструкции и реализации: размещения узлов и элементов, экранирования, электрических контактов конструктивных элементов, минимизации индуктивности цепей заземления;

– повышение устойчивости к помехам внутренними методами: использование специальных схемных решения цепей ТС, выбор параметров используемых сигналов, выбор методов и алгоритмов обработки сигналов.

Использование принципа «Лучше обеспечить устойчивость самого ТС к помехам, чем защищать его от помех» позволит во многих случаях сэкономить средства, затраченные на обеспечение ЭМС.

Приведенные в работе конкретные данные по средствам помехозащиты, характеристикам помехозащитных элементов, рекомендации по выбору и прокладке кабеля, по конструкции кабельных соединителей и токовводов, экранированию и заземлению, рассмотренная процедура организации работ по обеспечению ЭМС, включая конкретные технические аспекты, могут непосредственно использоваться при проведении работ по ЭМС на судах.

Многолетний опыт работ по ЭМС позволяет сказать, что наиболее действенным подходом к обеспечению ЭМС являются фундаментальные знания в этой области. Только понимание физических процессов и механизма действия средств обеспечения ЭМС позволяет принять грамотное и эффективное решение. Механическая установка фильтров, конденсаторов в цепях ТС может привести к противоположному результату. В большинстве практических случаев прямая и полная реализация известных приемов и средств по ЭМС оказывается затруднительной или невозможной. Обеспечение ЭМС требует рассмотрения возможных вариантов решений, прогнозирования их эффективности, принятия компромиссов с существующей конструкцией и размещением ТС.

Насущной необходимостью является внедрение в учебные планы электротехнических специальностей университетов страны курсов по ЭМС.

Предлагаемая структура ЭМС знаний (табл. 1) призвана помочь в овладении искусством ЭМС. Автором опубликован учебник «Электромагнитная совместимость судовых технических средств», разработаны и внедрены в учебный процесс в Санкт-Петербургском морском техническом университете дисциплины «Электромагнитная совместимость судовых технических средств», «Электромагнитная совместимость электрооборудования», базирующиеся на этой структуре.

Таблица 1

Структура необходимых для обеспечения ЭМС знаний

Точка зрения на проблему	Знания в области ЭМС
Объект	Источник	Связь	Рецептор
Физический процесс	Возникновение	Распространение	Воздействие
Обеспечение ЭМС	Подавление	Выбор и размещение	Защита
Стандартизация	Нормы эмиссии	Рекомендации по размещению	Требования к помехоустойчивости
Испытания	Измерения эмиссии помех	Проверка монтажа и конструкции	Испытания на помехоустойчивость