Обеспечение электромагнитной совместимости бортовых источников вторичного электропитания подавлением сетевых импульсных помех и рациональной компоновкой силовых элементов – часть 1

Энергетика      Постоянная ссылка | Все категории

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).

Энергетика      Постоянная ссылка | Все категории
Мы в соцсетях:




Архивы pandia.ru
Алфавит: АБВГДЕЗИКЛМНОПРСТУФЦЧШЭ Я

Новости и разделы


Авто
История · Термины
Бытовая техника
Климатическая · Кухонная
Бизнес и финансы
Инвестиции · Недвижимость
Все для дома и дачи
Дача, сад, огород · Интерьер · Кулинария
Дети
Беременность · Прочие материалы
Животные и растения
Компьютеры
Интернет · IP-телефония · Webmasters
Красота и здоровье
Народные рецепты
Новости и события
Общество · Политика · Финансы
Образование и науки
Право · Математика · Экономика
Техника и технологии
Авиация · Военное дело · Металлургия
Производство и промышленность
Cвязь · Машиностроение · Транспорт
Страны мира
Азия · Америка · Африка · Европа
Религия и духовные практики
Секты · Сонники
Словари и справочники
Бизнес · БСЕ · Этимологические · Языковые
Строительство и ремонт
Материалы · Ремонт · Сантехника