Содержание к диссертации
Аннотация 2
Введение 5
Глава 1 Обзор работ по обеспечению электромагнитной
совместимости источников вторичного электропитания с бортовой
радиоэлектронной аппаратурой 11
1.1 Электромагнитная обстановка в бортовых
системах электроснабжения 11
1.2 Способы снижения помехоэмиссии от ИВЭП 16
Помехоподавляющие фильтры 17
Экранирование 20
Оптимизация параметров линий связи 22
Заземление, металлизация 23
Рациональная компоновка 25
Схемотехнические методы обеспечения электромагнитной совместимости 26
Средства измерения в области электромагнитной совместимости 30
Основные факторы, влияющие на точность измерения
параметров радиопомех 33
Выводы по первой главе 35
Глава 2 Защита ИВЭП и питаемой ими радиоэлектронной аппаратуры
от импульсных коммутационных помех 36
Импульсные коммутационные помехи в бортовых системах электроснабжения 36
Анализ способов защиты от ИКП 39
Устройство защиты РЭА от ИКП миллисекундной длительности
в высоковольтных системах электроснабжения 43
2.4 Защита ИВЭП от перенапряжений и ИКП микросекундной длительности
в низковольтных бортовых системах электроснабжения 51
Выводы по второй главе 61
Глава 3 Рациональная компоновка как способ снижения помехоэмиссии ...62
Исследование блоков ИВЭП на помехоэмиссию 62
Исследование на помехоэмиссию электромагнитных
элементов ИВЭП 67
Расчет поля рассеяния силовых дросселей тороидальной конструкции...70
Снижение поля рассеяния дросселей тороидальной конструкции 77
Снижение помехоэмиссии от активных помехообразующих элементов 81
3.6 Рекомендации по практическому снижению помехоэмиссии
конструкторскими средствами 83
Выводы по третьей главе 84
Глава 4 Методики измерения амплитуды и спектрального
состава пульсаций напряжения и выходного комплексного сопротивления
(импеданса) ИВЭП 86
Предъявляемые требования к выходному импедансу ИВЭП 86
Расчет выходного импеданса ИВЭП на имитационной модели 90
Измерение импеданса двухканальным осциллографом 93
Измерение пульсаций выходного напряжения и импеданса
с использованием анализатора спектра 96
4.5 Разработка пробника напряжения на диапазон
частот 20 Гц-10 кГц 100
Выводы по четвертой главе 103
Заключение 104
Список использованных источников 108
Приложения:
А. Методика расчета LC-фильтров радиопомех в среде MathCAD
с учетом паразитных параметров элементов 122
Б. Акты о внедрении 125
Введение к работе
В бортовых СЭС автономных объектов при работе электротехнического и радиоэлектронного оборудования возникают ИКП микро- и миллисекунднои длительности. При воздействии мощной помехи по цепи питания возможны необратимые отказы ИВЭП из-за изменения структуры полупроводниковых материалов вплоть до их частичного или полного разрушения. Поэтому невозможно обеспечить длительный ресурс данных источников и питаемой ими РЭА, не защищая их от воздействия ИКП.
ИВЭП относятся к устройствам, которые влияют на внутреннюю электромагнитную обстановку автономных объектов и являются опасными источниками помех для бортовой РЭА, а также для средств автоматики, навигации, вычислительной техники. Снижение помехоэмиссии ИВЭП - основное средство обеспечения внутриаппаратурной ЭМС.
Для ИВЭП, не имеющих своего замкнутого корпуса, проблема обеспечения ЭМС обостряется, поскольку снижается эффективность работы фильтров радиопомех, а установка электромагнитных экранов ограничена массога-баритными характеристиками изделия. В таких конструкциях рациональная компоновка ИВЭП имеет существенное значение.
Бортовые ИВЭП в системах с разветвленной сетью потребителей различного назначения должны иметь установленный техническим заданием (ТЗ) на разработку выходной импеданс в диапазоне частот от 10 Гц до 10 МГц. Завышенное значение импеданса на отдельных участках диапазона частот может привести к возникновению косвенных кондуктивных помех и потере устойчивости системы в целом, в то время как каждый её элемент в автономном режиме работает устойчиво во всём диапазоне изменения входных и выходных параметров.
Таким образом, повышение устойчивости ИВЭП к воздействию ИКП, снижение помехоэмиссии, достоверное определение выходного импеданса имеют актуальное значение при обеспечении внутриаппаратурной и внутрисистемной ЭМС аппаратуры ракетно-космической техники.
ЭМС как новое научное направление появилось в семидесятых годах прошлого века и было вызвано двумя взаимосвязанными обстоятельствами — понижением уровня полезного сигнала радиоприемных устройств и увеличением мощности электромагнитных излучений, создаваемых техническими средствами (ТС). Возникла проблема обеспечения одновременной и совместной работы указанных устройств.
В настоящее время ТС подвергаются следующим основным видам испытаний на помехоустойчивость [35]:
к наносекундным и микросекундным импульсным помехам;
к радиочастотному электромагнитному полю;
к постоянному магнитному полю и магнитному полю промышленной частоты;
к электростатическим разрядам.
Также появляются новые виды испытаний, не регламентированные государственными стандартами, например, измерение выходного импеданса ИВЭП.
В теоретические исследования, разработку методов и средств обеспечения ЭМС значительный вклад внесли отечественные и зарубежные ученые: С.А. Лютов [66 - 68], А.А. Харкевич [113; 114], А.Д. Князев [58 - 60], М.Л. Волин [21; 22], Д. Уайт [106; 107; 134], Дж. Варне [6], Т. Уильяме [108; 109], Э. Хабигер [136] и другие.
Цель работы — решение задачи эффективной защиты ИВЭП бортовых систем от ИКП и обеспечение их электромагнитной совместимости с РЭА подавлением помех и рациональной компоновкой силовых элементов.
Для реализации поставленной цели определены следующие направления исследований:
теоретические и экспериментальные исследования способов защиты РЭА от ИКП микро- и миллисекундной длительности в высоковольтных бортовых системах электроснабжения;
синтез входных фильтров ИВЭП в низковольтных системах электроснабжения с ИКП и перенапряжениями секундной длительности;
оценка эффективности снижения помехоэмиссии путем рациональной объемной компоновки силовых элементов ИВЭП без введения в конструкцию дополнительных фильтров и электромагнитных экранов;
разработка методики измерения собственных пульсаций напряжения в частотной области (диапазон 10 Гц - 10 МГц) и выходного комплексного сопротивления (импеданса) энергопреобразующей аппаратуры при имитации реальных токов нагрузки.
Методы исследования базируются на общих положениях теории электрических цепей, теории электромагнитного поля, теории сигналов, алгебраических и дифференциальных уравнений, вычислительных методах и использовании современных инструментальных систем и методов математического моделирования. Экспериментальные исследования ЭМС проводились в регламентированных условиях согласно действующим стандартам на макетах и промышленных образцах.
Научная новизна:
1) предложен способ защиты от импульсных перенапряжений миллисекундной длительности в высоковольтных бортовых СЭС, при котором энергия помех не рассеивается в тепло специальными разрядными цепями, а используется для питания потребителя;
2) получены расчетные соотношения для определения параметров
входных RC- и LC-фильтров ИВЭП, обеспечивающих снижение воздействия
ИКП экспоненциальной формы до заданного уровня;
для снижения помехоэмиссии электромагнитных и силовых элементов ИВЭП предложено использовать результаты анализа углового распределения напряженности магнитного и электрического полей в ближней зоне;
для расчета поля рассеяния силовых дросселей тороидальной конструкции предложена модель в виде эквивалентного витка с током.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Электромеханические преобразователи энергии» (Томск, ТПУ, 20 - 22 октября 2005 г. и 17 - 19 октября 2007 г.); XVII научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства» (Томск, ФГУП «НПЦ «Полюс», 20 — 21 апреля 2006 г.); Девятой российской научно-технической конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность» (Санкт-Петербург, Военный инженерно-технический университет, 20 - 22 сентября 2006 г.); Двенадцатой всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, ТПУ, 6 — 8 декабря 2006 г.); всероссийских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР» (Томск, 3 — 7 мая 2007 г. и 5 - 8 мая 2008 г.); 7 Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (Санкт-Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 26 - 29 июня 2007 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Измерения и испытания в ракетно-космической промышленности» (Москва, ЦЭНКИ, 20 - 22 октября 2009 г.).
Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 20 печатных работах, в том числе одной статье в центральной периодической печати из перечня ВАК, одном патенте РФ на изобретение, одном патенте РФ на полезную модель, двух учебно-методических пособиях.
Достоверность и обоснованность результатов подтверждается математическими доказательствами, экспериментальными данными и опытом эксплуатации РІВЗП, выпускаемых серийно. Новизна технических решений подтверждается патентами РФ на изобретение и полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 136 наименований. Работа изложена на 121 листе машинописного текста, содержит 5 таблиц, 67 рисунков, 2 приложения.
Основные положения, выносимые на защиту:
предложенный способ защиты РЭА от ИКП миллисекундной длительности обеспечивает бесперебойное электроснабжение защищаемого потребителя при возникновении перенапряжений в высоковольтных бортовых СЭС, при этом 80 % энергии помех используется для питания потребителя;
полученные аналитические зависимости позволяют определить параметры элементов входных RC- и LC-фильтров ИВЭП, обеспечивающих снижение амплитуды ИКП до заданных значений;
3) рекомендации по снижению помехоэмиссии конструкторскими
средствами, полученные по результатам исследования углового распределе
ния напряженности магнитного поля в ближней зоне, позволяют снизить по
ле рассеяния силовых дросселей тороидальной конструкции не менее чем на
20 дБ;
4) разработанные методики измерения амплитуды и спектрального состава пульсаций напряжения и выходного импеданса позволяют проводить измерения параметров энергопреобразующей аппаратуры бортовых СЭП КА в заданном диапазоне частот с погрешностью не хуже 4,5 %.
Личный вклад автора:
разработаны имитационные модели и принципиальные схемы устройств защиты от ИКП в низковольтных и высоковольтных бортовых СЭС;
проведены исследования распределения напряженности магнитного и электрического полей силовых элементов ИВЭП в ближней зоне;
предложена новая методика расчета поля рассеяния силовых дросселей тороидальной конструкции на этапе проектирования ИВЭП;
разработана методика измерения выходного комплексного сопротивления ИВЭП в диапазоне частот от 10 Гц до 10 МГц.
