автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электромагнитная совместимость судового электрооборудования при импульсах напряжения

Ленинградский ордена Ленина государственный морской технический университет

На правах рукописи УДК 621.317.1(621.391.82)

ПАРШИН Владимир Георгиевич

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ СУДОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПРИ ИМПУЛЬСАХ НАПРЯЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 - "Электротехнические комплексы

и системы, включая их управление и регулирование"

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Автореферат

Ленинград 1991 г.

Работа выполнена в отраслевой лаборатории судовой маг-нитоэлектродинамики и специальных устройств кафедры теоретических основ электротехники Государственной морской академии им.адм.С.О.Макарова,

Научный руководитель - доктор технический наук, профессор ВИЛЕСОВ Д.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор АПОЛЛОНСКИЙ С.М.

кандидат технических наук ЩЕРБАКОВ М.Г.

Ведущее предприятие - Центральный научно-исследовательский институт морского флота

Защита состоится I■нюлд 1991 г. в И час. на заседании специализированного совета Д 053.23.02 Ленинградского государственного морского технического университета по адресу: Ленинград, Лоцманская ул., 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЛГМТУ.

Автореферат разослан " V" мая 1991 г.

Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенные печатью предприятия, просим направлять по адресу: 190008, г.Ленинград, Лоцманская ул., 3.

Ученый секретарь специализированного совета канд.техн.наук, доцент В.Ф.ДИДЕНКО

"■• ■ - ; ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

. .л/ !

,пунктуальность темы. Широкая автоматизация флота позволи-.спарвизбс^и его на новый технический уровень. Однако сбои электронного оборудования (ЭО) технических средств, возникающие на судах со знаком автоматизации А1 и А2, приводят к серьезным нарушениям функционирования судна вплоть до аварийных ситуаций. Они снижают безопасность мореплавания и влекут за собой экономические потери, вызванные невыполнением своих функций средствами автоматизации. Эксплуатационные данные сбоев, под которыми понимаются отказы и ложные срабатывания ЭО дистанционного автоматического управления, аварийно-предупредительной сигнализации, автоматизации электроэнергетической станции и других жизненоважных для судна систем свидетельствуют о росте их количества из-за нежелательного взаимного электромагнитного влияния судовых технических средств друг на друга. Электронное оборудование на судах получает питание от силовых цепей переменного тока с напряжением менее 400 В. В этих цепях могут возникать импульсы напряжения, способные вызывать его сбои. Необходимость обеспечения бессбойной работы ЭО заставила эксплуатационников сформулировать две задачи:

- определить импульсную электромагнитную обстановку, в условиях которой размещено судовое ЭО;

- обеспечить электромагнитную совместимость (ЭМС) ЭО с судовыми техническими средствами, содержащими электротехнические и электронные элементы.

Под ЭМС судового ЭО понимается способность технических средств не оказывать электромагнитное влияние на работу других технических средств и не быть подверженными электромагнитным воздействием от таких средств. Решение проблемы ЭМС актуально не только для флота, но и для других отраслей техники, а также в решении задач человек - окружающая среда, что отражено в тематике международных симпозиумов по ЭМС 19881989 гг. проводимых в ПНР, Швейцарии, Японии, США.

Расширение использования энергетической электроники и микропроцессорной техники на судах усложняет обеспечение их совместной бесперебойной работы. Разработкам отдельных помехозащитных средств посвящено большое число исследований, но

задача обеспечения ЭМС ЭО, устанавливаемого на судах не решалась в комплексе с учетом реальных источников помех.

Поэтому решение задач ЭМС судового электрооборудования является актуальной задачей.

Цель и основные задачи работы. Целью диссертационной ра боты является получение критериев оценки ЭМС судового ЭО при импульсах напряжения.

С учетом поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

- проведение анализа известных нормативных показателей, которые используются в документах классификационных общестЕ и государственных стандартах для обеспечения ЭМС судовых технических средств;

- исследование закономерностей возникновения и распространения импульсов напряжения, наблюдаемых в электроэнергетических системах судов Минморфлота в нормальных эксплуатационных условиях;

- разработка обоснований для создания нормативной документации по обеспечению ЭМС судовых технических средств пр* импульсах напряжения и составление методики оценки сМС.

Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены с использованием теорий вероятности * длинных линий, методов математической статистики и спектрал1 ного анализа, исходя из амплитуд импульсных искажений напряжения, измеренных на судах Минморфлота, и подтвержден! экспериментами, проведенными в судовых условиях при эксплуатации средств автоматизации.

Новые научные результаты и основные положения, выносимые на защиту. В диссертационной работе получены следующиб новые научные результаты, которые выносятся на защиту:

- определены закономерности возникновения импульсов напряжения в судовых электроэнергетических системах (СЭЭС) пс данным измерений, проведенных на ряде судов Минморфлота, находящихся в условиях нормальной эксплуатации;

- разработана математическая модель для оценочной расчета распространения импульсов напряжения в электрических цепях;

- экспериментальным и расчетные путем определены, параметры импульсов напряжения в цепях питания судовых средси

втоматизации и восприимчивость к ним входящего в состав этих редств ЭО.

Практическая ценность. Полученные в диссертационной ра-оте результаты имеют значение для улучшения технико-экс-луатационных показателей:

- выполнен сравнительный анализ известных национальных отечественных документов по методам испытаний ЭО примени-

ельно к судовым техническим средствам;

- разработана методика оценки ЭМС судовых средств авто-¡атизации при импульсных помехах в цепях питания;

- разработаны обоснования для создания нормативной до-:ументаиии Регистра СССР по обеспечению ЭМС судовых техни-:еских средств при импульсах напряжения;

- создана модификация имитатора импульсных помех для пределения восприимчивости ЭО в судовых условиях.

Основные результаты диссертационной работы могут быть (спользованы при проектировании и эксплуатации судового лектро-электронного оборудования.

Реализация научно-технических результатов. Полученные I диссертационной работе основные научные положения и реко-юндации внедрены в Регистре СССР в качестве требований к юмехозащите судовых средств автоматизации. Предложения по юрмированию импульсных коммутационных помех использованы [ентральннм научно-исследовательским институтом судовой 1лектротехники в рамках темы 5.1.

Внедрение основных результатов диссертационной работы юдтверждено соответствующими документами.

Апробация работы. Основные результаты, полученные в дис-¡ертационной работе, были доложены и обсуждены на пятой научно-технической конференции по судовому магнетизму "Ис-юльзование методов магнитодинамики, магнитной девиации и Ж в проблеме освоения мирового океана", апрель 1984 г., '.Ленинград; семинарах ЭМС судового электронного и электротехнического оборудования"секции судового магнетизма НТО' ш.акад.А.Н.Крылова, сентябрь 1985 г., ноябрь 1986 г., г.Ле-1инград; семинарах секции электрооборудования ЛБНТО водного транспорта, апрель 1985 г., апрель 1986 г., г.Ленинград; семинарах "Проблемы ЭМС в радиоприемных устройствах" научно-технической школы "Помехи и борьба с ними в радиоприемных и

усилительных устройствах" НТО радиоэлектронных средств

им.А.С.Попова, март 1985 г., март 1986 г., г.Москва; научно-технической конференции "ЭМС радиоэлектронных средств в подвижных службах", май 1985 г., г.Даугавпилс; Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "ЭМС радиоэлектронных средств, июнь 1986 г., г.Харьков; всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства борьбы с помехами в цифровой технике", октябрь 1986 г., г.Вильнюс; международном симпозиуме "сМС", июнь 1988 г., г.Вроцлав, ПНР; научно-технических конференциях ЛВИМУ им.адм.С.О.Макарова, апрель 1985 г., апрель 1986 г., апрель 1987 г., г.Ленинград. Модификация . имитатора импульсных помех отмечена в 1987 г. бронзовой медалью ВДОХ СССР, дипломом лауреата Всесоюзного смотра научно-технического творчества молодежи.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Общий объем работы - 185 страниц, в том числе 49 рисунков, 21 таблица, 44 страницы - приложений; список литературы включает 89 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе в результате анализа электромагнитных возмущений и характеристик используемых для их описания и нормирования сформулирована задача оценки БМС судового ЭО при импульсах напряжения.

В судовых электрических сетях возникают импульсные искажения напряжения, под которыми здесь понимается разность между изменяющимся мгновенным значением напряжения в данной точке сети и напряжением имеющим место в этой точке в установившемся режиме без искажения. Каждое импульсное искажение напряжения случайно по времени своего возникновения и по значениям своих параметров. Наиболее важным параметром, характеризующим импульсные искажения напряжения в судовых электрических сетях, являются их амплитуды. Но даже они оказываются изученными ,в судовых цепях переменного тока недостаточ-

но, только лишь для детерменированных условий или очень узкого диапазона длительностей импульсов напряжения.

В известных публикациях международной электротехнической комиссии, требованиях морских классификационных обществ и ряде национальных стандартов по ЕМС предусматривается нормирование устойчивости ЭО к импульсам напряжения, а сущест-. венное для обеспечения SMC судового электронного и электротехнического оборудования нормирование импульсов напряжения в нормативных документах Регистра СССР отсутствует. Различие амплитуд импульсов напряжения, принятых в зарубежных стандартах и нормах, предопределяет необходимость научно-технических разработок для подготовки соответствующих положений Правил Регистра СССР.

Во второй главе найдены теоретические плотность распределения и вероятность амплитуд импульсных искажений напряжения, имеющих длительность фронта нарастания от 10 не до 100 мкс.

Первичный статистический материал составляют результаты измерений амплитуд импульсных искажений напряжения в цепях переменного тока 380 и 220 В выполненные во время обычной эксплуатации 7 судов Минморфлота в 14 независимых точках с наименьшим значением импеданса сети. В итоге обработки первичного статистического материала получены две статистические совокупности, включающие 4790 импульсных искажений напряжения в диапазоне от 50 до 550 В зарегистрированных за 1991 час и 463 - в диапазоне от 100 до 800 В зарегистрированных за 4133 часа. Расчеты показали, что огибающие гистограмм этих совокупностей подчиняются закону, имеющему экспоненциальную qj и логарифмически нормальную (J," составляющие плотности распределения амплитуд В общем виде выражения, описывающие плотность распределения и вероятность возникновения, импульсного искажения напряжения с амплитудой в диапазоне от и0 до и , имеют следующий вид:

rty'f и>и0)-С^'(Ц>и0) (I)

Теоретические плотность распределения ; ( ц> юо) (составляющие

ц,1 ( и > 100) и у" (и > 100)) и вероятность С) ( и >100) (составляющие ( «>100) и И >100)) возникновения импульсных искажений напряжения с амплитудами в диапазоне от 100 В до и

Q (u>Uo) = c,a-exp(-±LJdl)) + Je)tp(.l)¿x -

' V23Í-00

= QVu>u0)+Q"(u>u O) &

где с, и с2 - коэффициенты, учитывающие вклад каждой составляющей в общий закон распределения, c,*c¿zl ; й, и йг -теоретические среднии составляющих общего закона распределения; цс - значение напряжения, соответствующее началу отсчета амплитуд; 6* - среднеквадратическое отклонение.

На рисунке показаны графики теоретических плотности распределения cj. (и>Ю0) (составлящие q,1 (и>100) и q," (и >100)) и вероятности Q (ы> 100) (составляющие Q'(">100) и Q"(U> 100)) возникновения импульсных искажений напряжения с амплитудами в диапазоне от 100 В до U . Две составляющие закона указывают на наличие не менее двух различных источников импульсных искажений напряжения. Экспоненциальная составляющая имеет преимущество в области низких амплитуд (менее 200 В), а логарис[мически нормальная составляющая - в области высоких значений (более 200 В). Для совокупности более 100 В импульсные искажения напряжения с амплитудой выше 200 В в 32 случаях из 100 имеют плотность распределения подчиняющуюся экспоненциальной составляющей и в 68 случаях - логарифмически нормальной составляющей. амплитуд импульсных искажений напряжения для экспоненциальной составляющей не превышает 350 В, а для логарифмически нормальной - 850 В.

В третьей главе - разработана математическая модель для оценочного расчета изменения амплитуды импульсов напряжения при распространении в СЭЭС и определены их наибольшие значения во вторичных цепях питания ЭО.

Математическая модель для оценочного расчета распространения импульсов напряжения в цепях СЭЭС позволяет относительно просто определить значения их параметров во вторичных цепях питания ЕЮ по исходным значениям амплитуды К и длительности t-ч импульсов напряжения прямоугольной формы; переходной и импульсной функциям цепей,

состоящих из пт элементов с собственными значениями волновых сопротивлений источника рецептора (эквивалентные активной составляющей), кабеля 2-е, , а также известным нормируемым переходным и импульсным характеристикам согласованных симметричных кабельных цепей, по которым

находятся функции и- ^ и \|/ (

-Оъс

¿"■♦'2^иианн-Ы) д 2,1 ,

(3)

(4)

где к , С - индуктивность и емкость кабелей цепи на единицу длины, Гн/м' и Ф/м.

Значения коэффициента распространения ¿С и постоянной времени ¥ расчитаны здесь с учетом геометрии крепления кабелей на элементах корпуса судна (расстояния между ними Ь ). Значения волновых сопротивлений ¡2.;. электродвигателей, распределительных щитов, трансформаторов определены на судах экспериментально импульсным методом.

При практическом применении разработанной математической модели рекомендуется использование выражения (3), в случае когда длительность импульсов больше 0,05 , если меньше, то - выражения (4).

Проведенные с помощью предложенной модели расчеты с 50% погрешностью показывают, что значения амплитуды напряжения на рецепторе не превышают 50 В. Эта величина рассчитана для случаев распространения прямоугольных импульсов напряжения длительностью 0,1 мс, 10 не, I мке с амплитудой 1000 В от главного распределительного щита с учетом их трансформации и амплитудой 100 В от источника помех через общий распределительный щит вторичной цепи питания,постоянным то-

ком 30 судовых средств автоматизации. Уточненные наибольшие значения амплитуды импульсов напряжения во вторичной цепи питания Э0 судовых средств автоматизации с помощью сравнения спектральных плотностей мощности помех от отдельных источников составляют по цепям линия-линия и линия-корпус соответственно 62 и 56 В.

Методика оценки ЭМС ЭО технических средств должна основываться на предварительно установленных предельных значениях параметров импульсов напряжения в цепи питания с учетом необходимого коэффициента запаса. Согласно известным зарубежным стандартам коэффициент запаса принимается равным 6 дБ плотности напряжения или соответственно 3 дБ для плотности мощности.

В четвертой главе представлены результаты обеспечения ЗМС ЭО средств автоматизации на судне, находящемся в эксплуатации.

В натурных условиях при обычной эксплуатации судов установлено наличие во вторичных цепях питания постоянного тока средств автоматизации импульсов напряжения с амплитудами в пределах от 50 до 100 В.

Для проверки восприимчивости судового ЭО к импульсам напряжения может быть рекомендована специально с этой целью созданная модификация имитатора импульсов экспоненциальной формы. Стабильность параметров сигналов имитатора определяется разбросом параметров основных элементов его схемы.

Доказана восприимчивость 30 судовых средств автоматизации по цепям питания к импульсам напряжения с амплитудой от 20 до 100 В. В частности, имитационными импульсами напряжения в цепях питания средств автоматизации теплохода "Комсомольск" вызваны самопроизвольные изменения режима работы главного двигателя и ложные срабатывания системы пожарной сигнализации. Такие же сбои у этих систем были зафиксированы в обычных эксплуатационных условиях.

Для обеспечения ЭМС дистанционного автоматического управления главными двигателями по найденным допустимым значениям амплитуды импульсов напряжения выбрано помехозащитное средство, установка которого во вторичной цепи питания ЭО позволила устранить влияние импульсов напряжения на его работу. Экономическая эффективность помехозащитных средств оказывается достаточно существенной. Так, например, подтвержденный

годовой экономический эффект только за счет сокращения времени ремонта составил 4,6 тысячи рублей на одно судно.

По результатам экспериментальных и теоретических исследований выполненных в работе, разработана методика оценки ЭМС ЭО судовых средств автоматизации при импульсных напряжениях в их цепях питания, позволяющая выявлять на эксплуатируемых судах причины сбоев ЭО, восприимчивого к импульсам напряжения и определять технические мероприятия необходимые для обеспечения его ЭМС. Применением разработанной методики оценки ЭМС ЭО технических средств по цепи питания при импульсах напряжения в судовых условиях доказана возможность рекомендовать ее для практического использования. В частности, с помощью предложенной методики на теплоходе "Комсомольск" оказалось возможным найти устройства автоматики, которые при имеющих место и прогнозировании условий импульсных напряжений дают сбои (система дистанционного автоматического управления главными двигателями), еще работают, но близки к порогу сбоев (система пожарной сигнализации) и не чувствительны к возмущениям (ряд испытывавшихся технических средств).

В приложениях к диссертации приведены акты внедрения основных результатов работы, представлены перечень отказов и ложных срабатываний судовых средств автоматизации из-за воздействия электромагнитных помех на судах Минморфлота, 14 методов оценки ЭМС ЭО института электроники Дании, технические характеристики имитаторов помех и расчетные зависимости, требования к помехоустойчивости и рекомендации к помехозащи-те электро-электронного оборудования судовых средств автоматизации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

I. Проведенное изучение материалов по сбоям в работе средств автоматизации, содержащих электротехнические и электронные элементы судов Минморфлота показывает увеличение числа случаев нарушения их нормального функционирования вплоть до аварийных ситуаций из-за электромагнитного взаимодействия, возникающего между техническими средствами. Выявлено, что сбои возникают при нормальных режимах работы судового оборудования, отдельные виды процессов в котором прово-

пируют недопустимые по условиям ЭМС уровни помех. Переходные процессы в судовых силовых цепях вызывают импульсные напряжения, к которым особенно чувствительна информационная техника.

2. Выполненный анализ известных международных и национальных документов направленных на обеспечение ЭМС, показывает, что все они, кроме Правил Регистра СССР, предусматривают нормирование формы и параметров импульсов напряжения: амплитуды, длительности и скорости нарастания. Различие амплитуд импульсов напряжения, регламентируемых в различных зарубежных стандартах и нормах, предопределяет необходимость научно-технической разработки обоснований для создания соответствующих норм в отечественных документах, направленных на обеспечение ЭМС судовых технических средств.

3. Впервые для коммерческих судов проведено широкое изучение закономерности повторяемости амплитуд импульсных искажений напряжения в СЭЭС. Установлена возможность описания их плотности распределения законом, имеющим преимущественно экспоненциальную составляющую в области значений менее 200 В и преимущественно логарифмически нормальную составляющую для значений более 200 В.

4. Разработана математическая модель для оценочного расчета распространения импульсов напряжения в электрических цепях, позволяющая относительно просто определить значения амплитуды напряжения в цепях питания Э0 судовых средств автоматизации по значениям их первичных данных и нормируемым переходным и импульсным характеристикам согласованных кабельных цепей. Проведенные экспериментальные исследования в таких цепях подтвердили значения амплитуды импульсов напряжения, полученные теоретически. Наибольшие значения амплитуд и длительностей импульсов напряжения, определенные с помощью сравнения спектральных плотностей мощности помех от отдельных источников, составляют по цепям линия-линия и линия-корпус соответственно величины: 62 и 56 В.

5. Доказана восприимчивость Э0 судовых средств автоматизации по цепи питания к импульсам напряжения с амплитудой от 20 до 100 В путем испытаний с помощью специально созданной модификации имитатора сигналов экспоненциальной формы. Установка выбранных средств помехоэащиты у Э0, которое было

предварительно выявлено восприимчивым к импульсам напряжениям, позволила устранить влияние помех на работу средств автоматизации.

6. Оценку ЗМС ЭО судовых технических средств при импульсах напряжения в цепях питания рекомендуется проводить с помощью разработанной здесь методики. Целесообразность этого подтверждает положительный опыт ее практического использования в судовых условиях в целях предупреждения и устранения сбоев средств автоматизации из-за влияния импульсов напряжения. '

7. На основе выполненных исследований разработаны требования к помехоустойчивости и рекомендации к помехозащите электро-электронного оборудования судовых средств автоматизации, позволяющие учесть при проектировании и приемке морских судов влияние электромагнитных помех . на работу 30 и, тем самым, обеспечить уменьшение его сбоев в процессе эксплуатации, что непосредственно ведет к повышению безопасности мореплавания.

8. Дальнейшие работы по обеспечению ЭМС судовых технических средств должны обеспечиваться совершенствованием и созданием новых средств измерения параметров судовой электромагнитной обстановки.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. ЕВДОКИМОВ О.В., ПАРШИН В.Г. Влияние на судовые системы автоматики электромагнитных помех и оценка их уровня. Морской транспорт. Сер.: Техническая эксплуатация флота, М., В/О Мортехинформреклама, 1984, вып.5(577), с.19-27.

2. ЕВДОКИМОВ О.В., ПАРШИН В.Г. Электромагнитная совместимость и помехоустойчивость судового электрооборудования и средств автоматизации. Морской транспорт. Сер.: Техническая эксплуатация флота, М., В/О Мортехинформреклама, 1984, вып.22(594), с.16-23.

3. ЕВДОКИМОВ О.В., ПАРШИН В.Г., БЕЛОВ А.Н. Учет специфики электромагнитной обстановки в различных помещениях разных типов судов при разработке требований Регистра СССР к помехозащите и помехоустойчивости электрооборудования и средств автоматизации. В кн.: Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств в подвижных системах. Тезисы докла-

дов Всесоюзной научно-технической конференции. Республиканский дом техники,-1985, с.101-103.

4. ПАРШИН В.Г. Критерии электромагнитной совместимости судовых средств автоматизации с коммутационными импульсами в сети. В кн.: Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств. Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического симпозиума. М., Радио и связь, 1986, с.117.

5. БЕЛОВ А.Н., ЕВДОКИМОВ О.В., ПАРШИН В.Г. Восприимчивость судовых средств автоматизации к импульсным помехам. В кн.: Помехи в цифровой технике-86. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. Вильнюс, Дом техники Литовского PC НТО, 1986, с.72-75.

6. ЕВДОКИМОВ О.В., ПАРШИН В.Г., МЕЛЬНИКОВ A.A. Оценка электромагнитной обстановки на судах. Морской транспорт. Сер.: Техническая эксплуатация флота, М., В/О Мортехинформреклама,

1986, вып.20(640), с.1-6.

7. ВИЛЕСОВ Д.В., ЕВДОКИМОВ О.В., ПАН11ИН В.Г. Электромагнитная совместимость электронного оборудования судовых технических средств. Судостроение за рубежом, 1986, №12 ( 242), с.23-38.

8. ВОНПЕВСКИЙ A.A., ПАРШИН В.Г. Импульсные напряжения судовой электроэнергетической сети. Судостроение, 1987, № 9, с.30-31.

9. БЕЛОВ А.Н., ЕВДОКИМОВ О.В., ПАРШИН В.Г. Распространение помех по корпусу судна. Морской транспорт. Сер.: Техническая эксплуатация флота, М., В/О Мортехинформреклама,

1987, вып.7(651), с.5-16.

10. ЕВДОКИМОВ О.В., ПАРШИН В.Г., БЕЛОВ А.Н. Электромагнитная совместимость электрооборудования и средств автоматизации на транспортных судах. Доклады международного симпозиума по электромагнитной совместимости, Вроцлав (ПНР),

1988, с.873-874.