Обеспечение электромагнитной совместимости бортовых источников вторичного электропитания подавлением сетевых импульсных помех и рациональной компоновкой силовых элементов
| На правах рукописи | |
| ШКОРКИН Вячеслав Васильевич | |
| ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ БОРТОВЫХ ИСТОЧНИКОВ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПОДАВЛЕНИЕМ СЕТЕВЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ПОМЕХ И РАЦИОНАЛЬНОЙ КОМПОНОВКОЙ СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ | |
| Специальность 05.09.12 – Силовая электроника | |
| Автореферат диссертации на соискание ученой степени | |
| кандидата технических наук | |
| Томск – 2010 | |
| Работа выполнена в открытом акционерном обществе «Научно-производственный центр «Полюс» и на кафедре промышленной электроники Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники | ||
| Научный руководитель | Казанцев Юрий Михайлович | |
| доктор технических наук, профессор | ||
| Официальные оппоненты: | Семиглазов Анатолий Михайлович | |
| доктор технических наук, профессор | ||
| (Томский государственный университет | ||
| систем управления и радиоэлектроники); | ||
| Лукьяненко Михаил Васильевич | ||
| кандидат технических наук, профессор | ||
| (Сибирский государственный аэрокосмический университет, г. Красноярск) | ||
| Ведущая организация | Открытое акционерное общество | |
| «Государственный ракетный центр имени академика В.П. Макеева», г. Миасс | ||
| Защита состоится 18 февраля 2010 года в 15 час. 15 мин. на заседании диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.268.03 при ГОУ ВПО Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина 40. | ||
| С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. | ||
| Автореферат разослан «___» января 2010 г. | ||
| Ученый секретарь | ||
| диссертационного совета | ||
| канд. техн. наук, доцент | Мещеряков Р.В. | |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. В бортовых системах электроснабжения (СЭС) автономных объектов при работе электротехнического и радиоэлектронного оборудования возникают импульсные коммутационные помехи (ИКП) микро- и миллисекундной длительности. При воздействии мощной помехи по цепи питания возможны необратимые отказы импульсных источников вторичного электропитания (ИВЭП) из-за изменения структуры полупроводниковых материалов вплоть до их частичного или полного разрушения. Поэтому невозможно обеспечить длительный срок службы данных источников, 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 радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Снижение помехоэмиссии ИВЭП – основное средство обеспечения внутриаппаратурной электромагнитной совместимости (ЭМС).
Для ИВЭП, не имеющих своего замкнутого корпуса, проблема обеспечения ЭМС обостряется, поскольку снижается эффективность работы фильтров радиопомех, а установка электромагнитных экранов ограничена массогабаритными 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.
В теоретические исследования, разработку методов и средств обеспечения ЭМС значительный вклад внесли отечественные и зарубежные ученые: С.А. Лютов, А.А. Харкевич, А.Д. Князев, М.Л. Волин, Д. Уайт, Дж. Барнс, Т. Уильямс, Э. Хабигер и другие.
Цель работы – решение задачи эффективной защиты ИВЭП бортовых систем от ИКП и обеспечение их ЭМС с РЭА подавлением помех и рациональной компоновкой силовых элементов.
Для реализации поставленной цели определены следующие направления исследований:
1) теоретические и экспериментальные исследования способов защиты РЭА от ИКП микро- и миллисекундной длительности в высоковольтных бортовых системах электроснабжения;
2) синтез входных фильтров ИВЭП в низковольтных системах электроснабжения с ИКП и перенапряжениями секундной длительности;
3) оценка эффективности снижения помехоэмиссии путем рациональной объемной компоновки силовых элементов ИВЭП без введения в конструкцию дополнительных фильтров и электромагнитных экранов;
4) 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.
Достоверность и обоснованность результатов подтверждается математическими доказательствами, экспериментальными данными и опытом эксплуатации ИВЭП, выпускаемых серийно. Новизна технических решений подтверждается патентами РФ на изобретение и полезную модель.
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;
3) для снижения помехоэмиссии электромагнитных и силовых элементов ИВЭП предложено использовать результаты анализа углового распределения напряженности магнитного и электрического полей в ближней зоне;
4) для расчета поля рассеяния силовых дросселей тороидальной конструкции предложена модель в виде эквивалентного витка с током.
Практическая ценность:
1 Реализованные устройства защиты от ИКП имеют улучшенные массогабаритные характеристики и обеспечивают бесперебойное питание защищаемых потребителей при возникновении перенапряжений в бортовых системах электроснабжения автономных объектов.
2 Рекомендации по практическому снижению помехоэмиссии конструкторскими средствами сокращают затраты времени на проектирование и отработку технической документации по изготовлению ИВЭП.
3 Комплексное использование разработанных методик измерения амплитуды и спектрального состава пульсаций напряжения и выходного импеданса с среднеквадратичной погрешностью не хуже 4,5 % позволяет обеспечить внутрисистемную ЭМС энергопреобразующей аппаратуры бортовых систем электропитания в диапазоне частот от 10 Гц до 10 МГц.
Реализация результатов работы. Результаты работы используются в производственной деятельности предприятий: ОАО «НПЦ «Полюс», ФГУП «НПО автоматики им. академика Н.А. Семихатова», ОАО «Пермская научно-производственная промышленная компания», ЗАО «Наука и серийный выпуск», а также в учебном процессе Томского университета систем управления и радиоэлектроники при подготовке студентов направления 210100 – «Электроника и микроэлектроника» по дисциплине «Электромагнитная совместимость устройств промышленной электроники».
Основные положения, выносимые на защиту:
1) 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;
2) 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 распределения напряженности магнитного поля в ближней зоне, позволяют снизить поле 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:
1) разработаны имитационные модели и принципиальные схемы устройств защиты от ИКП в низковольтных и высоковольтных бортовых СЭС;
2) проведены исследования распределения напряженности магнитного и электрического полей силовых элементов ИВЭП в ближней зоне;
3) предложена новая методика расчета поля рассеяния силовых дросселей тороидальной конструкции на этапе проектирования ИВЭП;
4) разработана методика измерения выходного комплексного сопротивления ИВЭП в диапазоне частот от 10 Гц до 10 МГц.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались на международных научно-технических конференциях «Электромеханические преобразователи энергии» (Томск, ТПУ, 20 – 22 октября 2005 г. и 17 – 19 октября 2007 г.); XVII науч.-техн. конф. «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, ВИТУ, 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 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.
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.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проблемы обеспечения ЭМС импульсных ИВЭП с бортовой РЭА, сформулированы цели работы и направления исследований, указана научная новизна, а также приведены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрена электромагнитная обстановка в бортовых СЭС, проведен обзор работ по обеспечению ЭМС импульсных ИВЭП постоянного напряжения с РЭА. Приведено описание средств измерений, используемых в работе.
Вторая глава содержит теоретическое обоснование предложенных способов защиты ИВЭП и питаемой ими РЭА от воздействия ИКП в низковольтных и высоковольтных бортовых СЭС автономных объектов, результаты исследований разработанных устройств на имитационных моделях и их экспериментальную проверку.
Способ защиты РЭА от ИКП миллисекундной длительности реализован на основе концепции использования энергии помех для питания защищаемого потребителя (патент РФ № 2 309 534), в соответствии с которой построена схема устройства защиты (рисунок 1).
Рисунок 1 Схема устройства защиты от ИКП: СМ – силовой IGBT-модуль;
УЗМ – устройство запуска модуля; ДТХ – датчик тока Холла;
УКН – устройство контроля напряжения
Проведен аналитический расчет начальных значений параметров элементов входного RC-фильтра. Показано, что при воздействии единичного экспоненциального импульса напряжение на выходе фильтра
достигает максимальное значение в момент времени
,
где 
; 
; – постоянная времени импульса.
На разработанной имитационной модели устройства защиты от ИКП (рисунок 2,а) определены уточненные значения параметров элементов, обеспечивающих требуемую степень защиты. Значение емкости конденсатора входного фильтра уточнено в процессе моделирования и составляет 385 мкФ, в то время как при использовании пассивного RC-фильтра для защиты потребителя мощностью 3 кВт суммарная ёмкость батареи конденсаторов 63 000 мкФ.
В процессе синтеза учитывались следующие ограничения:
напряжение на конденсаторах входного фильтра ограничено предельным напряжением перехода коллектор-эмиттер IGBT-модуля Uк.э 1,2 кВ;
значение сопротивления резистора R1 ограничено потерями мощности в установившемся режиме и не должно превышать 3 – 5 % от номинальной мощности потребителя;
индуктивность дросселя ограничена частотными свойствами IGBT-модуля.
При возникновении в сети питания ИКП устройство переходит в режим релейного стабилизатора напряжения. Энергия помехи пачками импульсов передается в цепь питания потребителя. Процесс передачи энергии помехи (рисунок 2,б кривая 1) иллюстрируют кривые 2 и 3.
а
б
Рисунок 2 Имитационная модель устройства защиты (а) и результаты
моделирование переходных процессов напряжения (б):
1 – на входе устройства защиты; 2 – на конденсаторах входного
фильтра; 3 – на выходе устройства
Результаты испытаний промышленного образца устройства защиты от ИКП приведены на рисунке 3. Погрешность расчетов не превышает 10 %.
При длительном аварийном повышении напряжения бортовой сети свыше 400 В устройство отключает питание потребителя.
Рисунок 3 Осциллограммы напряжений при воздействии ИКП: Uвх – на
входе устройства защиты; UСвх – на конденсаторах входного фильтра;
Uвых – на выходе; ICвх суммарный ток батареи конденсаторов Свх;
Iк – пачки импульсов тока коллектора СМ
При энергии импульса 1000 Дж до 20 % энергии ИКП рассеивается в тепло на резисторе входного фильтра R1 (рисунок 4), а основная часть используется для питания защищаемого потребителя.
Рисунок 4 Энергия а, мощность б и ток в на резисторе R1
Основные электрические параметры устройства защиты:
входное напряжение Uвх = 160 360 В;
мощность нагрузки до 3 кВт;
амплитуда помехи Uимп = ±1000 В при длительности до 4 мс
и длительности фронта импульса tф=10 мкс;
энергия поглощаемых импульсов до 1000 Дж.
Для ИВЭП, работающих в низковольтных бортовых СЭС, реализована концепция совмещения функций защиты от ИКП и фильтрации радиопомех входным фильтром, а также защиты от перенапряжений секундной длительности (рисунок 5).
Рисунок 5 Схема совмещенного фильтра
Параметрический синтез фильтра проведен на математической модели. В процессе синтеза учитывались следующие ограничения:
– первое звено фильтра должно ослаблять амплитуду импульсных помех на 20 дБ, что позволяет использовать во входных цепях ИВЭП низковольтные электролитические конденсаторы;
– второе звено и фильтр в целом должны обеспечивать требуемую степень фильтрации радиопомех.
Звено активного подавления, состоящее из линейного стабилизатора с малым падением напряжения вход-выход, обеспечивает защиту ИВЭП от перенапряжений секундной длительности.
Аналитический расчет начальных параметров первого звена фильтра проведен для наихудшего случая. Показано, что при 0ТИ<<1 относительное значение выходного напряжения фильтра при воздействии экспоненциального импульса определяется выражением
,
где 
; ТИ – активная длительность импульса.
Начальные значения параметров элементов второго звена рассчитаны по известным методикам.
Проведено испытание фильтра в составе ИВЭП при воздействии ИКП амплитудой 600 В длительностью 10 мкс (рисунок 6) и на электромагнитную совместимость (рисунок 7).
 |  | |
| Рисунок 7 Огибающие напряжений радиопомех, создаваемых ИВЭП: 1 – норма по ГОСТ 19705-89; 2 – ИВЭП без фильтра; 3 – типовой фильтр радиопомех; 4 – двухзвенный совмещенный фильтр | ||
| Рисунок 6 Напряжение на входе фильтра Uвх, на выходе первого звена фильтра U1, на выходе второго звена фильтра U2 | ||
Синергетический эффект в совмещенном фильтре заключается в дополнительном ослаблении напряжения радиопомех на 10 дБ в полосе частот от 1 до 30 МГц (кривая 4 на рисунке 6).
В третьей главе приведены результаты исследования углового распределения напряженности магнитного и электрического полей силовых элементов ИВЭП в ближней зоне, выявлены факторы, влияющие на амплитуду и фазовое положение максимумов напряженности магнитного поля, создаваемого электромагнитными элементами, приведена методика расчета поля рассеяния силовых дросселей тороидальной конструкции, сформулированы рекомендации по практическому снижению помехоэмиссии от электромагнитных и активных помехообразующих элементов конструкторскими средствами.
При работе силового дросселя тороидальной конструкции часть магнитного потока уходит из сердечника, замыкаясь через воздух, и создает магнитный поток рассеяния. Поскольку напряженность магнитного поля, создаваемого произвольной системой токов на расстоянии, значительно превышающем её линейные размеры, равна векторной сумме магнитных моментов отдельных замкнутых контуров, то для расчета поля рассеяния дросселя его можно заменить «магнитным диполем» (рисунок 8) с моментом
pm=ISк,
где I – ток, протекающий через обмотку дросселя, А;
Sк – площадь контура, ограниченная средней линией сердечника, м.
Рисунок 8 Замена тороидального дросселя эквивалентным витком
 |  |
| Рисунок 9 Угловое распределение напряженности магнитного поля и условная система отсчета: 1 – эксперимент, Hmax=27 дБ (мкА/м); 2 – расчет, Hmax=27,1 дБ (мкА/м) | |
На рисунке 9 представлены измеренное значение напряженности магнитного поля, создаваемой силовым дросселем на сердечнике МП 140 типоразмера К17106,5 при действующем значении протекающего через обмотку тока 1 А, расчетное значение напряженности магнитного поля и условная система отсчета при вращении дросселя на поворотном столе.
Для оценки адекватности предложенной модели дросселя тороидальной конструкции как излучателя магнитного поля проведена экспериментальная проверка на сердечниках из Мо-пермаллоя марки МП 140 по ряду из наиболее часто применяемых типоразмеров в схеме импульсного стабилизатора напряжения понижающего типа.
Показано, что при равномерном распределении витков дросселя по периметру сердечника формула для расчета поля рассеяния силового дросселя тороидальной конструкции имеет вид
,
где H – напряженность поля, А/м;
n – число слоев намотки дросселя (n=1, 2, 3);
ILд – действующее значение пульсирующей составляющей тока, А;
– площадь, ограниченная средней линией сердечника, м2;
r – расстояние от контура до измерительной антенны, м.
На амплитуду напряженности поля рассеяния электромагнитных элементов, кроме значения напряжения, приложенного к обмотке (следовательно, значения рабочей индукции) и силы тока, протекающего через обмотку, влияет неравномерность намотки.
Установлено, что фазовый сдвиг (положение максимумов в угловом распределении напряженности магнитного поля в относительной системе отсчета) у силовых дросселей тороидальной конструкции остается постоянным во всех режимах работы ИВЭП, не зависит от рабочей частоты, скважности, приложенного к обмотке напряжения и силы тока, равномерности намотки. На значение фазового сдвига (рисунок 9,а) влияют геометрические размеры сердечника, количество витков в обмотке, тип ферромагнетика и значение проницаемости.
 |
| Рисунок 10 – Снижение суммарного поля рассеяния двух дросселей |
Показано, что для снижения поля рассеяния дросселя его целесообразно разделять на два меньших типоразмеров. Причем для наибольшей компенсации суммарной напряженности поля (не менее чем на 20 дБ) дроссели должны быть включены встречно и размещены на несущем основании так, чтобы места установки выводов были в параллельных плоскостях (рисунок 10).
Показано, что установка дросселей и трансформаторов с кольцевыми магнитопроводами в проволочный сетчатый экран, изолированный от корпуса и соединенный с шиной «–» входного напряжения питания, уменьшает напряженность магнитного и электрического полей на 5 – 6 дБ.
Установлено, что поле рассеяния силовых дросселей уменьшается на 6 10 дБ (рисунок 11), если выводы обмотки направить вовнутрь (патент РФ на ПМ № 66 598).
 |  |  |
Рисунок 11 Угловое распределение поля рассеяния дросселя:
1 – общепринятое исполнение; 2 – выводы направлены вовнутрь
Предложены способы снижения помехоэмиссии от активных помехообразующих элементов: транзисторов и диодов. В ИВЭП с частичным резервированием, когда силовые транзисторы включены параллельно, их рациональным размещением на несущем основании суммарное значение напряженности магнитного поля возможно снизить вдвое (рисунок 12), если их рассматривать как излучающие рамки, развернутые на 180° относительно друг руга.
 |  |
Рисунок 12 Угловое распределение напряженности магнитного поля
двух транзисторов IRHMS57264SE в азимутальной плоскости
Установлено, что устройства и цепи, находящиеся под переменным электрическим потенциалом относительно шин питания (цепи, включенные в диагональ мостовых преобразователей и имеющие с ними гальваническую связь драйверы), создают напряженность электрического поля на 20 – 30 дБ выше, чем аналогичные устройства, связанные гальванически с шинами питания.
 |
| Рисунок 13 Вычисление модуля импеданса |Zвых| и фазового сдвига °: I~ тест-сигнал; U~ – амплитуда пульсаций выходного напряжения |
Сделан вывод, что конструкторскими средствами возможно снижение помехоэмиссии от силовых транзисторов и диодов на 10 – 15 дБ.
В четвертой главе приведены разработанные методики измерения амплитуды и спектрального состава пульсаций напряжения и выходного комплексного сопротивления (импеданса) энергопреобразующей аппаратуры бортовых СЭП КА в диапазоне частот от 10 Гц до 10 МГц.
Разработана методика измерения импеданса с использованием двухканального осциллографа (рисунок 13). Методика позволяет измерить в ИВЭП модуль выходного импеданса, а также фазовый сдвиг между током и напряжением в диапазоне частот от единиц герц до десятков килогерц.
Измерение собственных пульсаций выходного напряжения проводится при минимальном и максимальном значениях тока на активной нагрузке. При измерении импеданса управляемая нагрузка создает тест-сигнал синусоидальной формы. Амплитуда тест-сигнала устанавливается с учетом требований к ИВЭП по пульсациям тока нагрузки.
На имитационной модели проведен расчет выходного импеданса ИВЭП, представляющего собой импульсный стабилизатор напряжения понижающего типа.
Расчетные значения импеданса и экспериментальные данные приведены на рисунке 14.
 | |
| а | б |
Рисунок 14 – Модуль выходного импеданса (а) и фазовый сдвиг (б):
1 – норма по стандарту питания Европейского космического
агентства (ESA); 2 – расчетные значения, полученные на модели;
3 – экспериментальные данные
При сравнении видно, что расчетные значения модуля и фазового сдвига, полученные на имитационной модели качественно совпадают с экспериментальными данными, полученными при измерении выходного импеданса промышленного образца ИВЭП.
На частотной характеристике выходного импеданса (рисунок 14,а) следует выделить две характерные зоны:
зона канала управления (диапазон частот от 10 Гц до 8 10 кГц), где значение модуля импеданса минимально и обусловлено быстродействием регулятора;
зона выходного фильтра (диапазон от 8 10 кГц до 45 50 кГц). Растущая ветвь определяется действием индуктивности выходного фильтра ИВЭП, падающая – его емкостью. Максимум модуля выходного импеданса приходится на точку параллельного резонанса выходных фильтров ячеек, а на более высоких частотах – последовательным резонансом цепи "индуктивность выходного кабеля – емкость выходного фильтра". В промежутке между резонансами сопротивление Zвых носит чисто емкостный характер.
В области высоких частот (диапазон от 45 50 кГц до 10 МГц) на величину модуля выходного импеданса существенное влияние оказывают паразитные параметры элементов фильтра и монтажа. В указанном диапазоне частот измерение импеданса проводится с использованием специальной высокочастотной нагрузки.
Поскольку амплитуда синусоидальной составляющей тока тест-сигнала с повышением частоты снижается, то в диапазоне частот от 50 кГц до 10 МГц выходной импеданс следует измерять анализатором спектра. Анализатор спектра позволяет точно настроиться на частоту тест-сигнала. Кроме того, он необходим для измерения собственных пульсаций выходного напряжения ИВЭП в частотной области.
Погрешность измерения модуля импеданса с использованием анализатора спектра (рисунок 15) рассчитывается как среднеквадратичная погрешность используемых средств измерения (анализатора спектра FSP 30, пробника напряжения и токосъёмника ТСР 303 совместно с усилителем ТСРА300)
дБ,
что соответствует 4,4 % при заданной погрешности не более 5 %.
Рисунок 15 Измерение пульсаций напряжения ИВЭП и выходного
импеданса: 1 – испытуемый ИВЭП; 2 – токосъёмник ТСР 303;
3 – усилитель ТСРА300; 4 – управляемая нагрузка; 5 – пробник
напряжения; 6 – коммутатор каналов АК 11; 7 – анализатор спектра
Комплексное использование разработанных методик позволяет проводить измерение выходного импеданса энергопреобразующей аппаратуры бортовых СЭП и спектральный состав собственных пульсаций выходного напряжения в заданном диапазоне частот 10 Гц – 10 МГц в условиях воздействия помех, вызванных работой силовых ключей и при имитации реального тока нагрузки.
В приложениях приведены методика расчета LC-фильтров радиопомех в среде MathCAD с учетом паразитных параметров элементов и акты о внедрении результатов диссертационной работы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные результаты диссертационной работы, представляющие решение задачи обеспечения электромагнитной совместимости бортовых ИВЭП с РЭА подавлением сетевых импульсных помех и рациональной компоновкой силовых элементов, заключаются в следующем:
1 Решена проблема защиты потребителей энергии мощностью до 3 кВт в судовой СЭС постоянного тока от ИКП длительностью до 4 мс, амплитудой до 1 кВ сверх текущего значения напряжения питания 160 – 360 В (патент РФ № 2 309 534). При этом 80 % энергии помех используется для питания защищаемого потребителя.
2 Разработан и внедрен в производство совмещенный фильтр, защищающий ИВЭП в низковольтных СЭС самолетов и вертолетов от ИКП нано- и микросекундной длительности амплитудой до ±600 В, перенапряжений секундной длительности амплитудой до 65 В и снижающий собственные кондуктивные помехи до заданных значений.
3 Получены расчетные соотношения для определения параметров входных RC- и LC-фильтров ИВЭП, обеспечивающих снижение амплитуды ИКП до требуемых значений.
4 Предложена новая методика расчета поля рассеяния силовых дросселей тороидальной конструкции на этапе проектирования ИВЭП.
5 Рекомендации, полученные по результатам исследования распределения напряженности магнитного и электрического полей в ближней зоне, позволяют снизить помехоэмиссию электромагнитных элементов не менее чем на 20 дБ и на 10 – 15 дБ силовых транзисторов и диодов.
6 Разработана методика измерения амплитуды и спектрального состава пульсаций напряжения и выходного комплексного сопротивления ИВЭП бортовых систем электропитания в диапазоне частот от 10 Гц до 10 МГц, имеющая практическое значение для обеспечения внутрисистемной электромагнитной совместимости аппаратуры ракетно-космической техники.
Опубликованные работы по теме диссертации
1. Шкоркин В. В., Потапов А. Т., Селяев А. Н. Устройство защиты радиоэлектронной аппаратуры от импульсных коммутационных помех в бортовых сетях постоянного тока // Известия ТПУ, 2006. Т. 309, № 1. С. 173 – 175.
2. Шкоркин В. В., Селяев А. Н. Способ защиты электроприемников от импульсных коммутационных помех по цепям питания // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы Междунар. науч.-техн. конф. (Томск, 20 – 22 октября 2005 г.). Томск: ТПУ, 2005. С. 334 – 337.
3. Шкоркин В. В., Гребенев И. Е., Селяев А. Н. Паразитные излучения в однотактном обратноходовом преобразователе напряжения и способы снижения радиопомех от него // Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность «ЭМС 2006»: Сб. докл. Девятой рос. науч.-техн. конф. (Санкт-Петербург, 20 – 22 сентября 2006 г.). СПб: ВИТУ, 2006. С. 355 – 359.
4. Гаврилов А. М., Шкоркин В. В., Селяев А. Н. Влияние электромагнитных элементов импульсного преобразователя напряжения на уровень излучаемых радиопомех // Энергетика: экология, надежность, безопасность: Сб. докл. 12-й Всерос. науч.-техн. конф. (Томск, 6 – 8 декабря 2006 г.). Томск: ТПУ, 2006. С. 121 – 123.
5. Шкоркин В. В., Потапов А. Т. Источник питания для оптоволоконного гироскопа // Электронные и электромеханические системы и устройства: Сб. науч. тр. Новосибирск: Наука, 2007. С. 116 – 120.
6. Шкоркин В. В., Потапов А. Т. Защита от перенапряжений в низковольтных сетях питания // Электронные и электромеханические системы и устройства: Сб. науч. тр. Новосибирск: Наука, 2007. С. 139 – 143.
7. Шкоркин В. В. Выбор конструкции магнитопроводов трансформаторов на ферритах с учетом электромагнитной совместимости // Научная сессия ТУСУР-2007: Материалы докл. Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Тематический выпуск «Системная интеграция и безопасность» (Томск, 3 – 7 мая 2007 г.). Томск: В-Спектр, 2007. Ч. 4. С. 106 – 108.
8. Шкоркин В. В. Снижение помехоэмиссии от транзисторов конструкторскими средствами // Научная сессия ТУСУР-2007: Материалы докл. Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Тематический выпуск «Системная интеграция и безопасность» (Томск, 3 – 7 мая 2007 г.). Томск: В-Спектр, 2007. Ч. 4. С. 108 – 110.
9. Шкоркин В. В., Селяев А. Н. Диаграммы направленности излучений от дросселей и трансформаторов с магнитопроводами из Мо-пермаллоя в импульсных источниках питания // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: Тр. II Всерос. науч.-тех. конф. с междунар. участием. (Тольятти, 16 – 18 мая 2007 г.). Тольятти: ТГУ, 2007. Ч. 1. С. 358 – 361.
10. Шкоркин В. В. Рациональная компоновка как способ снижения помехоэмиссии от импульсных источников вторичного электропитания // 7-й Междунар. симп. по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии: Тр. симпозиума (Санкт-Петербург, 26 – 29 июня 2007 г.). СПб: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007. С. 58 – 61.
11. Шкоркин В. В. Снижение излучаемых радиопомех от трансформаторов в бортовых источниках вторичного электропитания // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы междунар. науч.-тех. конф. (Томск, 17 – 19 октября 2007 г.). Томск: ТПУ, 2007. С. 196 – 199.
12. Гаврилов А. М., Шкоркин В. В., Селяев А. Н. Улучшение качества выходного напряжения импульсного преобразователя энергии системы электропитания автономного объекта // Научная сессия ТУСУР-2008: Материалы докл. Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых: В 5 ч. (Томск, 5 – 8 мая 2008 г.). Томск: В-Спектр, 2008. Ч. 2. С. 322 – 325.
13. Шкоркин В. В., Селяев А. Н. Методика измерения выходного импеданса импульсных стабилизаторов напряжения // Научная сессия ТУСУР-2008: Материалы докл. Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых: В 5 ч. (Томск, 5 – 8 мая 2008 г.). Томск: В-Спектр, 2008. Ч. 2. С. 325 – 327.
14. Шкоркин В. В. Методика измерения пульсаций напряжения в частотной области // Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность «ЭМС 2008»: Сб. докл. Десятой рос. науч.-техн. конф. (Санкт-Петербург, 24 – 26 сентября 2008 г.). СПб: ВИТУ, 2008. С. 474 – 477.
15. Шкоркин В.В., Старов Д.В. Синтез входных фильтров источников вторичного питания в низковольтных системах электроснабжения с импульсными коммутационными помехами микросекундной длительности // 8-й Междунар. симп. по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии: Тр. симпозиума (Санкт-Петербург, 16 – 19 июня 2009 г.). СПб: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009. С. 61 – 64.
16. Шкоркин В.В. Измерение выходного импеданса источников вторичного электропитания // Измерения и испытания в ракетно-космической промышленности: Сб. докл. Всерос. науч.-техн. конф. (Москва, 20 – 22 октября 2009 г.). М.: МАПиП, 2009. С. 131 – 134.
17. Электромагнитная совместимость устройств промышленной электроники: Руководство к организации самостоятельной работы. А.Н. Селяев, И.Е. Гребенев, А.Н. Лапин, В.В. Шкоркин / Томск: ТУСУР, 2007. 45 с.
18. Руководство к выполнению лабораторных работ по курсу «Электромагнитная совместимость устройств промышленной электроники» / А.Н. Селяев, И.Е. Гребенев, А.Н. Лапин, В.В. Шкоркин. Томск: ТУСУР, 2007. 64 с.
19. Патент РФ на ПМ № 66 598. МПК H 01 F 27/04. Конструкция установки выводов тороидального дросселя с минимальными полями рассеивания / В.В. Шкоркин, А.М. Гаврилов, А.Н. Селяев (ТУСУР). Опубл.: 10.09.2007. Бюл. № 25.
20. Патент РФ № 2 309 534. МПК H 03 K 17/08. Устройство защиты от импульсных коммутационных перенапряжений / А.Т. Потапов, В.В. Шкоркин (ОАО «НПЦ «Полюс»). Опубл.: 27.10.2007. Бюл. № 30.
