Обеспечение электромагнитной совместимости технических средств по импульсным помехам в судовых электротехнических системах
Вид материала | Автореферат диссертации |
СодержаниеРазработанные имитаторы обеспечивают лаборатории России средствами испытаний на устойчивость к ИП. Основные публикации по теме диссертации Вилесов, Д.В. |
- 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.
Имитатор импульсного магнитного поля ИМП-1000 позволяет проводить испытания по ГОСТ Р 50649, ГОСТ Р 50652, создавая в катушке со стороной 1 м испытательное импульсное магнитное поле до 1000 А/м и колебательное затухающее магнитное поле до 100 А/м. Имитатор импульсных помех ИИП-1000 предназначен для создания ИП в электрических цепях с целью испытаний корабельных технических средств в соответствии с требованиями по импульсным коммутационным перенапряжениям. Устройство имитации помех УИП предназначено для испытаний изделий космической техники. Имитаторы импульсных помех ИИП-300, ИПП-200 используются для испытаний автомобильного оборудования.
Разработанные имитаторы обеспечивают лаборатории России средствами испытаний на устойчивость к ИП.
Измерение параметров импульсных токов и напряжений требуется при оценке помеховой обстановки в электрической сети, при аттестации имитаторов ИП при проверке эффективности средств помехозащиты, а также при измерении эмиссии ИП, требуемой некоторыми стандартами. В главе дан обзор и рекомендации по выбору измерительных приборов, по способам подключения к исследуемым цепям, включая использование делителей, токосъемников. Рассматриваются искажения формы импульсов, трудности и ошибки при проведении измерений. Например, показано, что при измерении амплитуды наносекундных ИП даже с помощью штатных делителей осциллографа возможно получение завышенных результатов из-за возникновения колебаний на фронте импульса. Наиболее точные результаты измерения ИП достигаются при применении делителей коаксиальной конструкции и, в частности, при использовании разработанного автором делителя ДНН-1000. Обычный делитель НР9258 дает завышение на 8%, а штатный делитель Р2200 – на 18% при штатной длине заземляющего проводника 15 см. Увеличение длины заземляющего проводника может привести к погрешности более 30%. Поэтому при измерениях наносекундных ИП необходимо использовать делители коаксиального типа и принимать во внимание необходимость минимизации длины между делителем и корпусом источника импульсного напряжения. Обнаружен также эффект влияния импульсного электромагнитного поля на штатные делители. При расположении рядом с делителями проводников, находящихся под импульсным напряжением, возможно появление наведенного напряжения, которое воспринимается как полезный сигнал амплитудой более 1 В. Такую же наводку может дать соседний делитель, подключенный для наблюдения импульсного напряжения с высокой амплитудой и расположенный рядом с рассматриваемым делителем.
Разработанные автором измерительные приборы применялись на начальном этапе получения данных о параметрах ИП на судах. Регистраторы ИП преобразовывали значения параметров ИП в сигнал, удобный для вывода на носитель информации. Анализаторы амплитуды подсчитывают количество импульсов, параметры которых имеют значения, превышающие заданные пороги. Различные схемы пороговых устройств для анализатора проверены автором при разработке средств фиксации редкоповторяющихся ИП. Разработанные автором анализаторы импульсных помех АИП-С, изготовленные в ЦНИИ «Морфизприбор» и «Счетчики импульсных напряжений для регистрации в сети питания ИП», изготовленные в ЛНПО «Электромаш», использовались для определения помеховой обстановки на судах и на промышленных предприятиях.
На базе кафедры электротехники и электрооборудования Санкт-Петербургского государственного морского технического университета создана лаборатория для испытаний технических средств по требованиям ЭМС. Оснащение лаборатории испытательным оборудованием осуществлено ООО «Элемком». В настоящее время лаборатория имеет аккредитацию в системах сертификации ГОСТ Р, РМРС, Российского речного регистра, Минтранса РФ, лицензию Госатомнадзора. Испытательное оборудование дает возможность проводить испытание на устойчивость ко всем основным видам помех, требуемых отечественными и международными стандартами. Измерительное оборудование позволяет измерять эмиссию различных видов помех и помеховую обстановку в лабораториях и на судах.
С первой аккредитации РМРС (первое свидетельство 92.038.01 от 30.12.1992 г.) созданная под руководством автора испытательная лаборатория провела испытания на электромагнитную совместимость более 700 образцов различного оборудования. Многолетний опыт испытаний на ЭМС по требованиям РМРС позволяет сделать вывод, что из впервые предъявленных на испытание технических средств около половины не выдерживают испытания. Этот процент значительно ниже для продукции, разрабатываемой и выпускаемой производителями, продукция которых неоднократно предъявлялась на испытания и которые учитывают в последующих разработках полученный опыт.
Наносекундные ИП почти в четверти случаев первичных испытаний изделий приводят к сбоям. Установка помехоподавляющего фильтра в цепи питания, разнесение силовых и информационных узлов изделия в корпусе, экранирование внешних связей, правильное выполнение соединения экранов кабелей с корпусом, установка оптронной развязки между блоками системы практически всегда позволяет повысить помехоустойчивость до требуемой величины. Микросекундные ИП в цепях питания могут привести даже к разрушению вторичных источников электропитания и входных фильтров. Установка варисторов в большинстве случаев решает задачу защиты от этого вида помех.
Проведение испытаний судовых систем на помехоустойчивость после установки на судно до настоящего времени не входит в программу швартовных испытаний. Между тем как наносекундные ИП в сети питания с амплитудой 2 кВ приводили к самопроизвольному изменению показаний системы управления курсом, к сбросу показаний измерителя ветра на обследованном судне. Указанные сбои могли представлять опасность для мореплавания. Установка дополнительных фильтров, выполнение качественного заземления всех частей корпусов обеспечили требуемую помехоустойчивость.
Проведенные эксперименты подтверждают необходимость проверки помехоустойчивости систем после установки на судно.
Во многих случаях достаточно простыми помехозащитными мероприятиями удается довести оборудование до соответствия требованиям по помехоустойчивости и помехоэмиссии. Опыт общения с разработчиками и изготовителями судового оборудования подтверждает крайнюю необходимость во внедрении дисциплины по ЭМС в учебные планы электротехнических и приборостроительных специальностей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Импульсные помехи, возникающие в СЭС при штатных и аварийных коммутациях, содержат компоненты как микросекундного диапазона длительностей, так и длительностью в десятки-сотни наносекунд. Наносекундные ИП могут быть рассчитаны методом распространяющихся волн на основании приведенных в работе выражений. Микросекундные ИП предлагается рассчитывать с помощью разработанных упрощенных схем замещения, в которых волновые свойства сети эквивалентированы цепями с сосредоточенными параметрами. Величина погрешности расчета амплитуды и длительности помех по сравнению с результатом эксперимента не превышает 20%.
2. 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. Частота появления ИП, амплитуда которых превышает заданную величину, может использоваться для разработки требований к защищенности оборудования от ИП. Искомая характеристика может быть определена путем проведения большого объема измерений амплитуды ИП на судах или на основе полученных методом статистических испытаний гистограмм плотностей вероятностей амплитуды ИП.
3. Амплитуда ИП в точке возникновения в СЭС с номинальным напряжением 380 В может достигать 1400 В. Это значение превышает амплитуду импульса напряжения, рекомендуемого МЭК 60945 для испытаний судового оборудования на устойчивость к ИП (1 кВ). Длительность ИП принимает значения от долей до десятков микросекунд, а длительность фронта ИП может быть от 10 нс до единиц микросекунд. Частота следования ИП с амплитудой более амплитудного значения фазного напряжения на обследованных судах не превышает одного раза в сутки.
4. Электромагнитные процессы в СЭС в наиболее общей форме рассматриваются с точки зрения электромагнитной топологии с использованием формулы Baum-Lui-Tesche. Моделирование распространения сигналов по многопроводным линиям может быть выполнено на основе супертеории линий передачи. Разработанные упрощенные модели распространения ИП по кабелю пригодны для оценочных расчетов при отсутствии полной информации о системе. Полученные решения 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 кабелей. Сравнение результатов расчетов и измерений амплитуды при распространении ИП по кабелям длиной от 5 до 100 м показывает, что погрешность расчета не превышает 10% для симметричных помех и 20% для несимметричных помех. Требуемые для моделей распространения помех параметры судовых кабелей определяются расчетом по приведенным в работе формулам или путем измерения по разработанной методике.
5. Потери при распространении в кабеле уменьшают наносекундные ИП по амплитуде в 1,3-2,5 раза при длине кабеля 100 м, но практически не изменяют амплитуды микросекундных ИП. Наибольший вклад в изменения параметров импульсных помех при распространении дают эффекты отражений и преломлений волн в точках изменения волнового сопротивления.
6. Многократные отражения волн на пути распространения из-за разделки и изменения высоты прокладки кабелей могут дать увеличение амплитуды помехи до 4 амплитуд падающей волны при высоком сопротивлении нагрузки. Генетический алгоритм поиска 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 такое сочетание условий маловероятно. Многократные отражения в кабеле теоретически могут дать перенапряжения на удаленной нагрузке до 7,5 амплитуд фазного напряжения электропитания. Требование к устойчивости судового оборудования к микросекундным ИП должно быть установлено на уровне не менее 2 кВ.
7. Распространяющиеся по кабелю ИП наводят напряжения в соседних информационных кабелях. Полученные решения уравнений позволяют определить параметры наносекундных наведенных ИП и прогнозировать их форму. По результатам расчета амплитуда наведенного напряжения в цепи рецептора помех может достигать 0,3 амплитуд напряжения импульса в цепи источника помех, а на нагрузке с высоким сопротивлением – даже 0,6. Амплитуда микросекундных ИП, наведенных на кабеле в трассе, может быть оценена на основе приведенных в работе значений параметров связи. Наведенные ИП в соседнем неэкранированном кабеле могут достигать 300 В на жилах и 10–30 В между жилами и практически не меняются при использовании кабельных соединителей. Волновые эффекты распространения могут дать удвоение этих напряжений. В кабеле с одним наружным экраном и при наличии в трассе кабельных соединителей можно ожидать наведенные ИП до 3 В на жилах относительно корпуса и до 0,4 В между жилами. Соединительный ящик может увеличить эти напряжения соответственно до 5 и 3 В. Наведенные ИП между жилами кабелей с пожильным экранированием не превышают 0,4 В.
8. Микросекундные ИП ослабляются LC-фильтром с приемлемыми значениями индуктивности и емкости лишь в несколько раз, а фильтр с малыми значениями L и C дает увеличение помехи. Наносекундные ИП могут быть ослаблены в десятки-сотни раз с помощью фильтров, выполненных на элементах с малыми значениями паразитных параметров. При паразитной емкости катушки индуктивности более 10 пФ или паразитной индуктивности конденсатора более 1 нГн коэффициент вносимого затухания фильтра не превосходит 10 раз. Приведенные графики позволяют быстро оценить значения параметров элементов фильтра, обеспечивающих требуемое затухание ИП. Необходимо учитывать возможное снижение коэффициента при реальных значениях параметров сети и защищаемого оборудования.
9. Трансформаторы пропускают несимметричные ИП с небольшим ослаблением, не зависящим от коэффициента трансформации. Симметричное напряжения может преобразовываться в несимметричное на вторичной обмотке до 40%, что может быть рассчитано на основе предложенной модели. Параметры трансформаторов, необходимые для расчета, предлагается определять импульсным методом по разработанной методике. Средства гальванической развязки предлагается проверять на помехоустойчивость и вносимое затухание в соответствии с разработанной методикой. Целесообразна разработка стандарта по ЭМС, распространяющегося на устройства гальванической развязки.
10. Модель проникновения ИП из сети питания в цепи питания чувствительных элементов через электромагнитные связи цепей внутри ТС позволяет прогнозировать напряжения на элементах. Наведенное напряжение пропорционально скорости изменения напряжения и тока помех в цепи первичного питания. Приведенные графики позволяют определить по известной емкости связи амплитуду напряжения, наведенного на шинах питания электронных узлов наносекундными ИП. Приведенные зависимости амплитуды и длительности ИП на цепи заземления от индуктивности этой цепи позволяют прогнозировать эффект воздействия на ТС. При правильном применении методов и средств помехозащиты цифровые устройства удовлетворительно работают при воздействии в питающей сети ИП с амплитудой до нескольких тысяч вольт.
11. Соблюдение действующих требований РМРС к судовым ТС по эмиссии помех и помехоустойчивости является минимально необходимым условием обеспечения ЭМС. Существующие требования не содержат исчерпывающего алгоритма обеспечения ЭМС на системном уровне. Разработанные предложения по совершенствованию документов РМРС частично учтены в новых редакциях документов РМРС. В перспективе предлагается дополнить швартовные и ходовые испытания рядом дополнительных испытаний по ЭМС систем навигации и радиосвязи. В частности, испытания на устойчивость систем к наносекундным ИП амплитудой 2 кВ на судне позволяют выявить некачественно изготовленное оборудование и ошибки его монтажа, что дает возможность своевременно устранить дефекты и обеспечить безопасность мореплавания.
12. Приведенные в работе принципы и приоритеты, предлагаемые к использованию при проведении работ по обеспечению ЭМС, призваны дать разработчикам судового оборудования алгоритм в принятии решений в области ЭМС. Рекомендации по выбору средств защиты, по проектированию кабельных соединителей, токовводов содержат конкретные предложения по применению существующих изделий и конструированию перспективных. Процедура планирования работ по ЭМС на судах, обобщенные технические меры обеспечения ЭМС учитывают рекомендации международных документов и могут быть использованы проектными организациями.
13. Разработанные имитаторы ИИП-2000, ИИП-4000, ИИП-2500У, ИИП-1000, ИПП-2000, ИПП-4000 к настоящему времени выпущены ООО «ЭЛЕМКОМ» в количестве более 200 штук и используются в испытательных лабораториях различных предприятий России, Украины, Белоруссии, Казахстана, Финляндии. Имитаторы выполнены на отечественной элементной базе по оригинальным схемам и аттестуются территориальным органом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии ФГУ «Тест-Санкт-Петербург».
14. Рассмотренные в работе особенности, методы и средства измерений могут использоваться при проведении испытаний ТС на соответствие требованиям по ЭМС, определении помеховой обстановки, проверке эффективности средств защиты от помех и при калибровке имитаторов помех. В частности, показана возможность и условия появления погрешности до 30% при измерении амплитуды наносекундных ИП. Ряд разработанных и изготовленных средств измерений (делитель ДНН-1000, токосъемник) поверены и используются при аттестации имитаторов ИП.
15. Испытательная лаборатория, созданная на базе кафедры электротехники и электрооборудования СПб ГМТУ и оснащенная испытательным оборудованием ООО «Элемком», аккредитована в системах сертификации ГОСТ Р, РМРС, Российского речного регистра, Минтранса РФ, имеет лицензию Госатомнадзора. Лаборатория провела испытания более 700 образцов различного оборудования на ЭМС. Приведенная статистика результатов и использованных путей обеспечения ЭМС позволяет утверждать, что в подавляющем числе случаев возможна доработка изделий до требуемой устойчивости к ИП. Испытания на судах подтверждают необходимость проверки помехоустойчивости систем после установки на судно.
16. Крайняя необходимость во внедрении дисциплины по ЭМС в учебные планы электротехнических и приборостроительных специальностей подтверждается опытом общения с разработчиками и изготовителями судового оборудования в ходе проведения испытаний на ЭМС. Разработанные учебные программы дисциплин по ЭМС внедрены в учебный процесс в СПбГМТУ с конца 1980-х годов, учебные пособия для их обеспечения изданы в 1987–1989 годах. Новый учебник «Электромагнитная совместимость судовых технических средств», в который включены основные результаты научной работы автора, опубликован в 2006 году и предлагается для использования при обучении ЭМС в высших учебных заведениях.
Основные публикации по теме диссертации
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ИЦ СПбГМТУ, Лоцманская, 10
Подписано в печать 8.11.2007. Зак. 3498. Тир.120. 2,0 печ. л.