Введение к работе
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 эксперимиггалыга 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 92038011, 98005011, 0200001011, 0600998011) 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; НГЖП "Стандарт-Сервис", г Ивано-Франковск, ФГУП ЦНИИ "Электроприбор", г Санкт-Петербург, ОАО "Радиоавионика", г Санкт-Петербург, ЗАО "Институт сотовой связи", г Москва, Государственный ПО "Боткинский завод", г Воткинск, ЗАО «Научно-производственное предприятие "ТОРМО"» г Екатеринбург, ФГУП "Нижегородский завод им MB Фрунзе", г Нижний Новгород, ООО «НЕСАН», г Томск, ЗАО «Аргус-Спектр», г Санкт-Петербург, 000 НПФ "Гейзер", г Юбилейный Московской обл, ОАО «Пятигорский завод "Импульс"», ОАО «Фирма "ОРГРЭС"», г Москва, «Производственное объединение "Старт"», г Заречный Пензенской области, 000 "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, 000 "Телекарт-прибор", г Одесса, 000 НПО "Энергопром-инжиниринг", ОАО Завод измерительных приборов "Энергомера", г Невинномысск, ОАО "Морион", г Пермь, ФГУП НИИ "Полюс", г Москва, ФГУП НПО "Аврора", г Санкт-Петербург, ВНИИР, г Чебоксары, 000 "ПромАвтоматика", г Санкт-Петербург, 000 "Центр испытаний и экспертиз", г Екатеринбург, 000 "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, 000 НШ1 "Югпромавтоматизация", г Ростов-на-Дону, ООО "ЭПОТОС", г Москва, 000 "Альянс-Профит" г Санкт-Петербург, 000 "ИТЦ", г Санкт-Петербург, 000 «Производственное объединение "ОВЕН"», г Москва, 000 "ЛЭМЗ-Электроника", г Санкт-Петербург, ВНИИ им Менделеева, г Санкт-Петербург, ЗАО "НЭСКО", г Нижний Новгород, ФГУП "ЭЗАН", г Черноголовка Московской области, 000 "Тест БЭТ", г Москва, 000 "СИСТЕЛ 2000", г Москва, 000 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, 000 СЗНТЦИС "Регламентсерт", г Санкт-Петербург, "Томская электронная компания", г Томск, ОАО СКВ ВТ "Искра", г Санкт-Петербург, 000 НПФ "СВИТ", г Гатчина, 000 "Испытательный центр технических и программных средств железнодорожного транспорта", г Москва, ФГУП НПП "Алмаз", г Саратов
Разработанное устройство имитации помех УИП, ИНЛЖ103 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 000 "ЭЛЕМКОМ" под руководством А А Воршевского испытательная лаборатория по электромагнитной совместимости аккредитована Российским Морским Регистром судоходства (№ 06 00998 011 до 21062011 г), Российским Речным Регистром (№2621 до 20 02 2009 г), Минтрансом РФ (№ АКР0103-18 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 ш, 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
0989), 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 (19)9), г Стамбул, Турция (2003), г Эйндховен, Нидерланды (2004), г Санкт-Пет?рбург, 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
