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

Порт ввода-вывода часто не имеет средств помехозащиты. Несимметричные помехи, наведенные во внешних линиях связи, частично преобразуются в симметричные из-за неравенства входных сопротивлений ТС на зажимах ввода и воспринимаются ТС как полезный сигнал.

Порт корпуса подвержен воздействию электромагнитного поля и электростатического разряда. В конечном итоге электрическое и магнитное поля вызывают наведенные напряжения во внутренних цепях ТС, которые воспринимаются как полезный сигнал.

Воздействие помех в цепи заземления приводит к появлению напряжения помех на корпусе ТС, что эквивалентно воздействию несимметричных помех на портах питания и ввода-вывода относительно корпуса. Наносекундные ИП могут создать на проводнике заземления высокие падения напряжения. Полученные зависимости амплитуды и длительности ИП на цепи заземления от индуктивности этой цепи позволяют прогнозировать эффект от воздействия наносекундных ИП в цепи заземления.

В главе описывается также характер повреждения компонентов, даны некоторые характерные энергетические уровни их разрушения при воздействии ИП. Обобщенные данные по стойкости и помехоустойчивости элементов по отношению к ИП удобны для сравнения с прогнозируемыми значениями наведенных напряжений.

а) б)

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

Три основных объекта, анализируемых в ЭМС, а именно - источник помех, рецептор помех и механизм связи, позволяют разделить материал на три основных части, которые рассматриваются с различных точек зрения.

Понимание физики процессов в объектах (возникновение, распространение и воздействие помех) является базой для всех других уровней подхода к проблеме. Только овладение этими знаниями позволяет разрабатывать рекомендации по ЭМС и прогнозировать результат их применения, дает понимание смысла тех или иных требований, позволяет избежать ошибок при проведении экспериментальных работ. Уровень практики обеспечения ЭМС (подавление помех, выбор и прокладка кабелей, размещение оборудования, защита от помех) дает набор методов и средств решения проблемы. Знание подхода к стандартизации в области ЭМС и содержания основных нормативных документов оказывает значительную помощь при разработке требований по ЭМС для конкретного заказа, требований к приобретаемому оборудованию. К стандартизации тесно примыкают знания и умения по испытанию ТС на соответствие требований стандартов. Методы и средства измерения эмиссии помех, испытаний на помехоустойчивость, методики проверки выполнения требований по ЭМС крайне важны при проведении работ по обеспечению ЭМС. В большинстве случаев только экспериментальная проверка может подтвердить электромагнитную совместимость ТС и систем на судне.

В шестой главе описываются техническое и методическое обеспечение испытаний, средства имитации ИП, особенности измерения параметров ИП, созданная испытательная лаборатория технических средств по электромагнитной совместимости и обобщается многолетний опыт проведения испытаний оборудования на устойчивость к помехам.

При проведении испытаний на устойчивость к помехам необходимы испытательные генераторы, имитирующие помехи с параметрами, близкими к реальным.

Первым в СССР производителем имитаторов ИП для испытаний цифровой вычислительной техники на помехоустойчивость был СКБ вычислительных машин, г. Вильнюс. За рубежом аналогичные разработки выполнены фирмами Noise Laboratory (Япония) и Schaffner (Швейцария). Вопрос был мало изучен, и прорабатывались различные варианты. Первыми международными базовыми стандартами на устойчивость к импульсным помехам явились МЭК 801-4, МЭК 801-5. В СССР были внедрены стандарты предприятий и руководящие документы, требующие испытаний устройств числового программного управления на устойчивость к ИП. Аналогичные требования готовились для испытания судового оборудования.

Разработанный автором «имитатор импульсных помех с длительностью импульсов до 100 мкс» изготовлен на ЛНПО «Электромаш», г. Ленинград в начале 1980-х годов мелкой серией и начал использоваться для проведения испытаний числового программного управления (ЧПУ). По разработанной документации были изготовлены такие же имитаторы в ЦНИИ «Морфизприбор», г. Ленинград, для испытаний судового оборудования, а также на ряде других предприятий. В конце 1980-х годов под руководством автора разработаны имитаторы ИП, соответствующие МЭК 801-4, МЭК 801-5 (позднее ГОСТ 29156-91 и ГОСТ 50008-92), и начато единичное производство имитаторов. С 1992 года имитаторы импульсных помех ИИП-2000, ИИП-4000, имитаторы пачек помех ИПП-2000, ИПП-4000 постоянно выпускаются ООО «ЭЛЕМКОМ». К настоящему времени выпущены и используются в испытательных лабораториях различных предприятий России, Украины, Белоруссии, Казахстана, Финляндии более 200 приборов этих типов. ООО «ЭЛЕМКОМ» является вторым в СССР и первым в России производителем комплекта имитаторов помех, необходимого для проведения испытаний на помехоустойчивость в соответствии с современными Российскими и международными стандартами. Имитаторы выполнены на отечественной элементной базе по оригинальным на момент разработки схемам и аттестуются ФГУ "Тест-С.-Петербург" как испытательное оборудование. Основные подходы к разработке имитаторов помех, схемные решения приведены в данной главе. Технические характеристики некоторых разработанных приборов представлены в табл. 2.

Таблица 2 Основные технические характеристики имитаторов ИП производства ООО «ЭЛЕМКОМ»

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.

импульсный помеха судовой электронный

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

1. Воршевский А.А. Импульсные напряжения в электроэнергетических системах / А.А. Воршевский, В.Г. Паршин // Судостроение. - 1987. - № 9. - С.30-31.

2. Вилесов Д.В. Проблема электромагнитной совместимости судовых технических средств / Д.В. Вилесов, А.А. Воршевский, О.В. Евдокимов, В.Г. Паршин // Судостроение. - 1990. - № 1. - С.28-30.

3. Аполлонский С.М. Электромагнитная совместимость в системах электроснабжения / С.М. Аполлонский, Д.В. Вилесов, А.А. Воршевский // Электричество. - 1991. -№ 4. - С.1-6.

4. Воршевский А.А. Возникновение, распространение и воздействие импульсных помех в судовых электроэнергетических системах / А.А. Воршевский// Судостроение. - 2007. - №4. С.46-48.

5. Воршевский А.А. Обеспечение электромагнитной совместимости судовых технических средств в условиях импульсных помех / А.А. Воршевский // Морской Вестник.- 2007. - №3 (23). - C.46-48.

6. Воршевский А.А. Трехфазный анализатор амплитуды импульсных помех / А.А. Воршевский // Тез. докл. 3-й Всесоюзной науч.-техн. конф. «Помехи в цифровой технике-82». - Паланга, 1982. - С.30-32.

7. Воршевский А.А. Измерение импульсных искажений напряжения на су- дах // А.А. Воршевский // Тр. Ленингр. кораблестроит. ин-та: Судовая электроника. - Л., 1983. - С.34-39.

8. Воршевский, А.А. Испытание электронного и электротехнического оборудования на защищенность от импульсных помех и провалов напряжения в питающей сети / А.А. Воршевский, Д.В. Вилесов // Тез. докл. Всесоюзной науч.-техн. конф. «Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств в подвижных объектах». - Рига, 1985. - С.104-106.

9. Воршевский А.А. Методы оценки амплитуды наведенных импульсных помех в судовых информационных кабелях / А.А. Воршевский, Д.В. Вилесов // Тез. докл. ВНТК «Методы и средства борьбы с помехами в цифровой технике». - Вильнюс. 1986. - С.90-92.

10. Воршевский А.А. Имитатор с широким диапазоном регулирования параметров и формы имитируемых импульсных помех / А.А. Воршевский // Тез. докл. Всесоюзной науч.-техн. конф. «Методы и средства борьбы с помехами в цифровой технике». - Вильнюс, 1986. - С.23-25.

11. Worshevsky A.A. Параметры кратковременных переходных напряжений в судовой электрической системе (Parameters of short time voltage transients in shipboad electrical system). International EMC symposium, Wroclaw, Poland, 1986. - P.874-882.

12. Worshevsky A.A., Wilesov D.V. Импульсный метод измерения электрической и магнитной связи (Impulse technique of measurements of magnetic and electric coupling). Proceeding of 9 International Wroclaw Symposium on EMC, Wroclaw, Poland, 1988. - P.477-481.

13. Воршевский А.А. Приборное обеспечение испытаний электронного оборудования на электромагнитную совместимость / А.А.Воршевский, Д.В. Вилесов // Тр. науч.-техн. конф. по кораблестроению «Перспективы и проблемы судовой электротехники и электроники». - Варна, 1989. - С.27-30.

14. Воршевский А.А. Аппаратура для испытаний электронного оборудования на электромагнитную совместимость по цепям питания / А.А. Воршевский // Тез. докл. ВНТК «ЭМС судовых технических средств». - Л.: Судостроение, 1990. - С.141-142.

15. Worshevsky A., Wilesov V., Saluleev V. Влияние кабельных соединителей на электромагнитую связь электрических цепей (Influence of cable connectors on EM coupling of electrical circuits). Proceeding of 10 International Wroclaw Symposium on EMC, Wroclaw, Poland, 1990. - P.306-309.

16. Worshevsky A. Анализ стандартов по устойчивости к импульсным помехам (Analysis of impulse noise immunity standards). Proceeding of IEEE International Symposium on EMC, Washington, USA, 1990. - P.504-506.

17. Worshevsky A.A. Цифровое моделирование импульсных помех в электрической системе во временной области (Digital simulation of pulse noise in electrical system in time domain). Proceeding of International Symposium on EMC, Beijing, China, 1992. - P.140-142.

18. Worshevsky A.A. Сертификация продукции по ЭМС в системе сертификации ГОСТ в России (EMC certification of products in GOST certification system in Russia). Proceeding of International Symposium on EMC, Sendai, Japan, 1994. - P.466-468.

19. Worshevsky A.A. ЭМС/ЭМИ деятельность в России (EMC/EMP activity in Russia). Proceeding of International Symposium on electromagnetic environment, Bordeaux, France, 1994. - P.101-105.

20. Worshevsky A., Koprienko V., Theiler T., Dikvall T., Lovstrand K.G. Сравнительные ЭМИ испытания шкафа мобильной связи в двух ЭМИ лабораториях. (Comparative EMP Testing of a mobile communications shelter at two EMP test laboratories). The World of Electromagnetics. Albuquerque, New Mexico, USA, 1996. - P.383.

21. Воршевский А.А. Испытание блоков бесперебойного питания и средств защиты от помех в соответствии с ГОСТ Р 50745-95 / А.А. Воршевский: сб. докл. 5-й Российской науч.-техн. конф. «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов». - Санкт-Петербург, 1998. - С.513-519.

22. Worshevsky A.А., Worshevsky, A.А. Расчет затухания импульсных напряжений в фильтрах (Сalculation of surge attenuation in filters). Proceedings of International Symposium on EMC. Tokyo, Japan, 1999. - P.48-50.

23. Вилесов Д.В. К формированию требований по обеспечению электромагнитной совместимости судового оборудования / Д.В. Вилесов, А.А. Воршевский.: сб. докл. 6-й Российской науч.-техн. конф. «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов». - Санкт-Петербург, 2000. - С.345-353.

24. РД 31.64.26-00. Нормы и правила обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) на морских подвижных объектах и методы комплексной оценки ЭМС. Москва, 2000.- 104 c.

25. Worshevsky A.A. Требования по электромагнитной совместимости к судовому оборудованию (Electromagnetic compatibility requirements for shipboard equipment). Proceedings 2001 of St. Petersburg Chapter, St.Petersburg ETU (LETI) Publishing House, 2001- P.102-105.

26. Вилесов Д.В. Изменения требований к судовому оборудованию по электромагнитной совместимости. / Д.В. Вилесов, А.А. Воршевский, В.Б. Мачульский.: сб. докл. 7-й Российской науч.-техн. конф. «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов». - Санкт-Петербург, 2002. - C.164-169.

27. Worshevsky A.A. Требования по помехоустойчивости к оборудованию, отвечающему за безопасность (Immunity requirements for safety determining equipment). Proceedings of IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility. Istanbul, Turkey, 2003. - P. TU-A-P1-13.

28. Vodopjanov G., Worshevsky, A. ЭМС стандартизация в России (EMC Standardization in Russia). Proceedings of IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility. Istanbul, Turkey, 2003. - P. WE-P-I4.3.

29. Агафонов А.М. Создание испытательного импульсного и затухающего колебательного магнитного поля / А.М. Агафонов, А.А. Воршевский: сб. науч. докл. 5-го Международного симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. - Санкт-Петербург, 2003. - С.296-298.

30. Воршевский А.А. Определение гармоник потребляемого тока и фликера, создаваемого электрооборудованием, альтернативным методом / А.А. Воршевский // Технологии ЭМС. - 2004. - № 1. - С.29-35.

31. Воршевский А.А. Факторы, определяющие изменение параметров импульсных помех, при распространении по кабелю / А.А. Воршевский, Фам Тхань Хьет.: сб. докл. 8-й Российской науч.-техн. конф. «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов». - Санкт-Петербург, 2004. - С.129-133.

32. Воршевский А.А. Перенапряжения на удаленном электронном оборудовании при коммутации конденсаторов в электрической сети. / А.А. Воршевский.: сб. докл. 8-й Российской науч.-техн. конф. «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов». - Санкт-Петербург, 2004. - С.117-120.

33. Kouprienko V., Worshevsky A. ЭМС и высокоэнергетические установки в Санкт-Петербургском регионе (EMC and high energy test facilities in Saint-Petersburg region). Proceedings of 2004 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility. “EMC Europe 2004”, Eindhoven, The Netherlands, September 6-10, 2004. - Р. W8.2.

34. Worshevsky A. Эффекты распространения импульсных помех в электрической системе (Effects of pulse noise propagation in electrical system). Proceedings of 2004 International Symposium on Electromagnetic Compatibility. Sendai, Japan, June 1-4, 2004. - Р. 4E4.

35. Worshevsky A.A. ЭМС требования Российского морского регистра судоходства для электронного, электротехнического оборудования и систем (Russian register of shipрing EMC requirements for electrical and electronic equipment and systems). Proceedings of 6th International Symposium on EMC and Electromagnetic Ecology. Saint-Petersburg, Russia, 2005. - P.324-327.

36. Agafonov A., Worshevsky A. Измерения импульсных напряжений в ЭМС (Pulse voltage measurement in EMC). Proceedings of 6th International Symposium on EMC and Electromagnetic Ecology. Saint-Petersburg, Russia, 2005. - P.187-189.

37. Worshevsky A.A., Pham T.K., Nguen M.D. Распространение импульсных помех в судовых электрических кабелях с неоднородностью параметров (Propagation of pulse noise in shipboard electrical cables with nonuniform parameters). Proceedings of Asian-Pacific Conference on environmental electromagnetics. Dalian, China, 2006. - P.710-713.

38. Worshevsky A.A., Nguen M.D. Вероятностные характеристики импульсных напряжений, вызванных коммутацией индуктивной нагрузки (Probability characteristics of pulse voltages caused by arc process of inductive load switchings). Proceedings of 7th International Symposium on Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Ecology. Saint-Petersburg, Russia, 2007. P.64-66.

39. Воршевский А.А. Испытания на электромагнитную совместимость электронного оборудования, расположенного на ходовом мостике судна / А.А. Воршевский, П.А. Воршевский, А.М. Агафонов // Технологии ЭМС. - 2007 - № 2 (21). - C.10-21.

40. Воршевский А.А. Электромагнитная совместимость судовых технических средств по импульсным помехам, возникающим, распространяющимся и воздействующим в судовой электроэнергетической системе / А.А. Воршевский // Технологии ЭМС. - 2007 - № 3 (22) - C.23-32.

Размещено на Allbest.ru