Возникновение и распространение импульсных помех в судовых электроэнергетических системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский Государственный Морской Технический Университет

Учебник пособие

Возникновение и распространение импульсных помех в судовых электроэнергетических системах

Д.В. Вилесов, А.А. Воршевский,

В.Е. Гальперин, С.А. Сухоруков

Санкт-Петребург 1987

Предисловие

Современное судно является сложной системой включащей в себя многие технические средства с различными функциями и принципами действия. При этом характерно широкое использование в них электротехнических и элеетронных элементов. Электромагнитные процессы) происходящие при работе каждого такого элемента, в той или иной мере влияют на процессы, протекающие в других элементах, и, в свою очередь оказываются подверженными влияние с их стороны. Подчас это взаимное электромагнитное влияние может приводить к сбоям в работе отдельных технических средств и серьезным нарушениям нормального функционирования судна в целом. В электроэнергетических системах возникают основные, наиболее сильные электромагнитные возмущения распространяющиея кондуктивно и пространственно. Соображения обеспечения надежной и бесперебойной работы судов обусловливают необходимость мер гарантирующих нормальную совместную (в электромагнитном смысле) работу всех технических устройств и систем. Непрерывно происходящие рост мощности судовых электротехнических устройств, повышение чувствительености устройств судовой радиоэлектроники и расширение использования бортовых средств вычислительной техники в такой мере усугубили сложность обеспечения их совместной бесперебойной работа, что в судостроении возникла острая проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) судовых технических средств. Современные и эффективные решения задач ЭМС при создании и эксплуатации судов возможны лишь при условии специальной подготовки инженеров-кораблестроителей в этой области. Они должны уметь прогнозировать и оценивать работу электротехнического и электронного оборудования в реальной электромагнитной обстановке судка и знать методы предотвращения и устранения возможных наблюдаемых сбоев из-за взаимного влияния. Именно с этими целями в Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете при подготовке инженеров по электротехническим специальностям, предусматривается изучение электромагнитной совместимости судовых технических средств в виде отдельной дисциплины. Изучение вопросов электромагнитной совместимости в судовых электроэнергетических системах затруднено, так как нет необходимых учебных материалов. Это и определило замысел авторов дать студентам кораблестроительных вузов с электротехническим профилем подготовки сжатое изложение основных вопросов ЭМС в настоящем учебнике.

Содержание учебника должно дать студентам возмож ность самостоятельно изучить элементы теории электромагнитной совместимости применительно к задачам ее обеспечения в условиях судовых электроэнергетических систем (СЭЭС). Предполагается, что изучение теоретического материала будет сопровождаться выполнением соответствующих учебных расчетных и экспериментальных работ. Данный учебник рассчитан на студентов старших курсов, имеющих законченную общетехническую подготовку и подготовку по фундаментальным электротехническим дисциплинам.

1. Проблема электромагнитной совместимости судового электротехнического и электронного оборудования

1.1 Общие понятия

Технические устройства судна, работа которых связана с использованием электротехнических и электронных элементов, оказывают взаимное электромагнитное влияние при достаточно близком их взаимном расположении и при существовании между ними кондуктивных связей. Это влияние сказывается в возникающих при совместной работе изменениях напряжений и токов в цепях и напряженностей, составляющих поля в окружающем пространстве. Если такое влияние превосходит уровни, характерные и определенные два каждого из них, то нормальное функционирование этих технических средств нарушается. Происходят либо временные нарушения режима работы (сбои) устройств, либо недопустимые необратимые изменения их параметров (выход из строя).

Внешнее электромагнитное воздействие на техническое устройство, которое вызывает нарушение его нормального функционирование называется эяектромагнитной помехой (ЭМП). Предельные уровни электромагнитных воздействий, при которых нарушается нормальная работа технического устройства, определяют его восприимчивость к помехам.

ЭМП, которые проявляются в виде отклонений от нормальных значений напряжений и токов, называются помехами проводимости (кондуктивные помехи). ЭМП в форме свободного электромагнитного поля, характеризуемого напряженностями его составляющих, называются помехами излучения (полевые помехи).

Способность совокупности любым образом связанных технических средств функционировать совместно, не создавая электромагнитных помех, называется электромагнитной совместимостью (ЭМС) этих средств.

Процесс взаимного электромагнтного влияния технических средств связан тремя компонентами (рис.1.1): I) источником электромагнитного воздействия; 2) путями распространения воздействия; 3) рецепторами (обьект воздействия).

Источниками ЭМП на судне обычно являются: 1) устройства систем генерирования и распределения электрической энергии (синхронные генераторы, трансформаторы, шинопроводы, кабельные трассы, коммутационные аппараты); 2) устройства преоб разования электрической энергии (электроприводы, полупроводниковые преобразователи, аппаратура управления, электротехнологические установки, газосветные приборы); 3) радиолокационные и гидролокационные установки. Электротехнические установки создают помехи проводимости и помехи полевые (поммехи излучения). Кроме того ЭМП могут возникать как следствие внешнего атмосферного электромагнитного воздействия на судно (грозовые разряда, работа радиопередающих установок).

Рецептором называется любое техническое устройство (элемент или система), на которое воздействует ЭМП. Рецепторы являются приемниками ЭМП. На судах рецепторами, особенно чувствительными к электромагнитным воздействиям, являются средства вычислительной техники, средства радиоэлектронной техники, радиолокационная и навигационная аппаратура, внутрисудовые информационные системы, элементы и устройства автоматики и управления судовыми техническими средствами. Рецепторы оказываются подверженными воздействию ЭМП по цепям питания электроэнергией и информационным цепям, а так-же воздействию ЭМП излучения. Различные рецептора оказываются наиболее восприимпчивыми к определенным видам ЭМП.

ЭМП проводимости распространяются на судах по проводам и кабелям, а также по проводящим конструктивным элементам (корпусные конструкции, оплетка кабеля, валы и др.). ЭМП полевые распространяются в пространстве между источниками и рецепторами.

Любое техническое устройство в общем случае может являться источником ЭМП для других устройств и одновременно быть рецептором ЭМП в отношении электромагнитных воздействий других устройств (см. рис 1.1).

Технические средства судна работают совместно. Каждый рецептор оказывается под совместным электромагнитным воздействием ряда других средств. Совокупность одновременно существующих электромагнитных воздействий на рецептор определяет электромагнитную обстановку (ЭМО), в которой он должен функционировать. Прогнозирование, определение ЭМО, зависящей от действия нескольких и тем более многих источников воздействий (помех), является сложной расчетной задачей.

Взаимное электромагнитное влияние некоторых характерных элементов СЭЭС показано на условной схеме (рис 1.2).

Напряжение u судового синхронного генератора (СГ) искажается (рис.1.3) из-за несинусоидальности тока i полупроводникового преобразователя (ПП),что обусловливает кондуктивные 1 и полевые 2 ЭМП (см.рис .1.2) для других потребителей электроэнергии (асинхронного двигателя (АД), средств вычислительной техники (ВТ) и радиолокационных систем (РЛС)). Вместе с тем, нормальная работа системы автоматического регулирования на пряжения (АРН) этого генератора нарушается из-за ЭМП в виде искажении синусоидальности напряжения 3. Полупроводниковый преобразователь двигателя постоянного тока (ДПТ) вызывает искажение формы напряжения и тока 4 в СЭЭС (ЭМП) и появление в окружающем пространстве существенных по величине полевых ЭМП, влияющих на работу средств ВТ 5 и РДС 6.

Электронные схемы блоков управления (У) преобразователя также оказываются чувствительными рецепторами в отношении воздействующих кондуктивных 1 и полевых 7 ЭМП. Радиоэлектронные средства РЛС судна, с одной стороны, восприимчивы к кондуктивным 1 и полевым 6 ЭМП, а с другой - создают электромагнитное излучение (поле) не только полезной направленности 8, но и побочное (паразитное), которое вызывает ЭМП, в частности, для средств ВТ 9. Коммутации автоматического выключателя (А) и в щеточном аппарате ДПТ создают в СЭЭС существенные ЭМП прежде всего кондуктивного характера 10 и 11.

Следует отметить, что человек также подвержен влиянию электромагнитных процессов и является рецептором ЭМП, начиная с определенных ему свойственных уровней восприимчивости, существенно зависящих от их продолжительности.

1.2 Характеристики электромагнитных помех

ЭМП описываются отклонениями от нормальных значений параметров состояния электрических цепей (напряжений и токов) и электромагнитного поля в рассматриваемом пространстве (напряженности электрического и магнитного полей). В зависимости от видов электромагнитных процессов и специфической восприимчивости рассматриваемых рецепторов для описания ЭМП выбираются конкретные количественные показатели - параметры помех.

ЭМП подразделяются на импульсные, периодические и постоянные в зависимости от характера их протекания во времени. Распространенным видом ЭМП в СЭЭС являются импульсные искажения напряжения. Импульская помеха напряжения uи рассматривается как разность между мгновенными значениями напряжения u при помехе и неискаженного в ее отсутствии нормального напряжения uнорм,т.е. uи=u - uнорм .

Импульсные помехи напряжения описываются следующими па раметрами (рис.1.4):

амплитудой Uи , длительностью tи , длительностью фронта tф , а в случае пачки импульсов (см. рис.1.4,в) - частотой следования пачек fп, длительностью пачек Тп и частотой следования импульсов в пачке fи. Аналогично описываются ЭМП при импульсах тока и напряженностей электрического и магнитного полей.

Кратковременные провалы напряжения и перенапряжения в питающей сети характеризуются глубиной провала и амплитудой перенапряжения, которые определяются так же, как и амплитуда импульса.

Периодические ЭМПП (u , i , Е , H) описываются параметрами частотных характеристик в нужных диапазонах спектра частот (низких, средних и высоких). При этом значения переменных выражаются либо в физических единицах (А ,В, ...), либо в децибеллах. В частности, расчет напряжения в децибеллах производится по формуле

U=20lg(U[B]/10-6[B])

Примером простого описания периодических искажений напряжения в физических единицах является амплитудно-частотная зависимость гармонических составляющих кривой. В нижеследующей таблице дано несколько значений действующих напряжений гар моник U малых порядков K=щ/314. Для кривой, изображенной на рис 1.З:

На рис.1.5 показаны в качестве примеров графики частотных характеристик ЭМП (напряжения U и магнитного поля Н) в логарифмических масштабах.

Периодические искажения (в основном напряжения) описывается также обычными параметрами несинусоидальных периодически изменявшееся величин (коэффициент амплитуды, несинусоидальности). Например, искажение кривой напряжения, изображенной на рис1 .З, определяется коэффициентом несинусоидальности 0,11.

ЭМП подразделяются также по длительности их действия (длительные, непродолжительные, кратковременные), по регулярности возникновения, по диапазонам частот.

Параметры кондуктивных ЭМП рассматриваются для определенных цепей, по которым они достигают рецепторов. Так, напряжения помехи могут быть симметричными (между фазами линии) и несимметричными (между фазами и корпусом). Параметры полевых помех определяются для конкретных сочетаний пространственных координат их источников и рецепторов.

Выбор характеристик ЭМП, существенных для решения задач ЭМС, определяется исследованиями их воздействий на различные виды оборудования (рецепторы).

электромагнитный судовой оборудование

1.3 Вопросы обеспечения электромагнитной совместимости

Количественные характеристики (параметры) ЭМП и чувствительность электротехнического и электронного оборудования регламентируются нормативно-технической документацией (стандартами). В настоящее время это нормирование находится в стадии становления. Действующие националыные стандарты (нормы) в области ЭМС отличаются как составом регламентируемых параметров, так и числовыми значениями. В национальных стандартах и правилах разных стран (ФРГ, США, Дания и др.) используется от нескольких до полутора десятков нормируемых характеристик ЭМС. Примером такой характеристики является следующая совокупность параметров импульсного напряжения экспоненциальной формы (см.рис1.4,а), нормируемых для цифровых технических средств, питаемых от сети переменного тока 220 В, 50 Гц: длительность импульсов tп=50 мкс, длитель ность переднего фронта tф= 1,2 мкс, амплитуда импульсов Uп - от 500 до 2000 В, частота следования импульсов 1 Гц.

Нормирование уровней ЭМП устройств-источников и восприимчивости устройств-рецепторов является совершенно необходимой организационной основой решения задач обеспечения ЭМС.

Техническое обеспечение ЭМС реализуется путем совершенствования принципов работы, конструкций, схем, режимов работы отдельных устройств-рецепторов, направленного на снижение их восприимчивости к ЭМП, иначе говоря, повышения их помехоустойчивости.

Другая, весьма важная группа технических мероприятий по ЭМС, направлена на улучшение ЭМО особенно для наиболее чувствительных рецепторов. Такими мероприятиями является: пространственное разнесение источников и рецепторов ЭМП, а также связанных с ними кабельных трасс, группирование кабелей с учетом их взаимного электромагнитного влияния, экранирование кабелей, применение волоконно-оптических кабелей, использование фильтров, “заземление” корпусов приборов и устройств. Благодаря таким мерам повышается помехозащищённость судовых технических средств от ЭМП. Средствами удучшения ЭМО является также технические меры по снижению уровней ЭMП их источников.

Мероприятия по обеспечению ЭМС во многих случаях оказываются весьма дорогостоящими, и стоимость их реализации существенно увеличивается по мере создания судна на разных стадиях проектирования, постройки и ввода в эксплуатацию. Выявление необходимых для обеспечения ЭМС мероприятий и их реализация должны быть проведены в возможно более ранний период создания судна. Последнее определяет большую значимость методов расчетной оценки и проектного обеспечения ЭМС судовых технических средств.

Комплексная, многосвязная задача обеспечения ЭМС электро-технического и электронного оборудования судов охватывает следующие основные направлений:

изучение закономерностей физических процессов возник-иовтяя, распространения и воздействия ЭМП;

разработку приборов и методов измерения параметров ЭМО;

определение параметров оценки восприимчивости оборудования к ЭМП;

создание норм, регламентирующих уровни создаваемых ЭМП и уровни воспрюмчивости к помехам;

разработку средств и методов снижения ЭМП источников н новывения помехозащищенности технических средств;

создание методов испытаний помехоустойчивости технических средств, контроля ЭМО на судах и диагностики причин нарушений ЭМС;

разработку системных методов проектирования судов,обеспечивающих ЭМС электротехнического и электронного оборудования.

Размещено на Allbest.ru