автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка помехоподавляющих сетевых устройств для систем питания цифровой аппаратуры

:ЛШКГРАДСШ1Й ОРДЕНА ТРЛСВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ 1ШСШТ7Т точней МЕХАНИКИ и оптики

/'.öj: ,

На правах рукоппеп УДК 621.372.54: 311.S: 681.31

¡Леаьасз Еагенн5 Наколаезэт

РАЗРАБОТКА. ПШЖШОДАВЛНШгХ СЕТЕВЫХ УСТРОЙСТВ ЯШ СИСТЕМ ПИТАНИЯ ЦИФРОВОЙ АППАРАТУРА

ЙпецЕильносгь: 05.I3.Ü5 - Элемента и устроЗства выш!с_титолъно:1 техндки и сястеи управления

AB ТОРЕ§ЕРД Т

диссертации на соисканяэ учёной степени кандидата техяэтесшгх науз

Zsezsград I53C

РаСота выполнена на кафедре "Теоретические осноеи влектро5е-хнекй в общая аяенгротехшиш" Ульянов оного полгтехнического пво-тгтуга.

Научный руководитель - кавдцдаг »езснкческпх ваук. дели»

EU. C&BHKQ3C5QG.

Еаучнк£ коасультшк: - васагуненнай деятель науки к иехншсь

PCS-CP, доктор технических наук, про^йсао| P.I. ЬШЯЕ.

Офщкалнне опповенгн-веслугешшй деятель шукк и техшпя;

PCX?, доктор технических наук, npoctecooi Т.А. ШАЗЕНКО.

- кандидат ^технически: наук, дсцекг В „б. ШШЛШ.

Ведущая орг^ьлзацва указала s решении Совета,

Защита состоится "30" октября I9S0 года е J5'1-4' часо? Е аудитория it ка заседания спецкалпгкроввнкого оовега

& К 0532605 по присугдешш учёаой степени кандидата технически;: каук в Ленинградское институте точное механики Е опизкд, Адрэс: 197101, г. Ленинград, ул. СабяквСкая, /\"Д4, jUIEO.

В связи со смертью ШУКАЛОВА В.&. утверждён официальным оппонентом к.т.н., доцент КУЦЮ М.Е.. Дата защиты переносится на 20.11,

Двторефбрат разослан ~ —у-. ____ ..

У'вшй секретарь кандидат техшгчеекгх наук,

спсакиагзпроЕЕЕНОГо совета доцеят А .В, ЗШАХСВ

ОБНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Диссертационная работа сгасвяшепа разработке томехоподаншшадх устройств для систем питания цифровых технических средств. Цифро-эяе технические средства (ЦТС) янроко применяются з вычислительной технике, з измерительных et информационных системах я в системах регулирования и управления. Элементная база этих устройств весьма насыщена запоминаэдимп и формирующим схемами, для которых характерен г.ялнй уровень энергии полезных сигналов. По литературным данным уровень этих сигналсз аа 4-6 порядков нсаьиа уровня некала? ель них электромагнитных воздействий (помех), поступающих и потребителя из сети по цепям питания. Это обусловливает заывтнуэ воспря-иу&тзостъ ЦТС к помехам. Поэтому качество и надёжность работы ЦТС о^условчпвпется не только оригинальностью структур этих устройств, но и их ломехозаазшёнеосты). Эта задача сейчас составляет основу проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС).

Проблема CiiC в последние годы стала приобретать острый характер. Требования к проектировании приборов с точет зрения их помехо-зазждённссти непрерывно меняется л ужесточаются. Особенно это стало заметно при внедрении в РЗА палупроводниковых приборов, ЕИС, СБ'С, которые, как известно, более чувствительны к электромагнитным лемехам, че:л старцо ламповые схемы я электромеханические системы. Внедрение UTC казалось би сняло эту трудность, поскольку эти средства менее чувствительны к наводимым электромагнитным помехам. Однако теперь возникла новая проблема е зяедзтэ ПТС от импульсных помех, порождаемых з цепях питания различными иомиутацаонпымя процессами. Импульсные помехи достигав* значительных величия (до 10Ш-I5CÜ В и выше) я имеют са.мые разнообразные длительности { от 10 яс по ICC тс ) и с фронтом нарастания до 10 аа! Импульсные помеха буквально "препшаот" лхмЗой стабилизатор и любую систему автоматического регулирования. Она особенно опасны дли 3Ш, так как вызывают в них нежелательные, а иногда а яедолусгикве сбоя в работе. Это требует поиска элективных средств борьбы с импульсными помехами.

В проблеме подавления импульсных лемех имеется ряд трудностей. Сто обусловлено гея, 'что полезными сигналами ЦТС является не радиосигналы, а илхулъсь- с сговоренными уровнями. Поэтому для исключения лечного срабатывания логических схем необходимо подавлять импульсные помеха прежде всего по амплитуде, а не по спектральному составу в ограниченной ойласта частот, кат это делается а практике по-

давления радиопомех. Необходимо учитывать такие, что спектр подавляемая импульсных помех располагается практически 20 всём частотное диапазоне, поэтсшу в формировании временного отклика средств защиты будет участвовать вся область частотной характеристик, как в полос! затухания, так и в яалоое прозрачности. Ишш словами, помехоподаз-ляпзае оэойоЕва средств гашга для ЦТС долкшз определяться совокупностью как частотных свойств средств защиты, так с спектральных свойств Емпздьокг псыех. Б эгс:л к Судет состоять специфика, котору: необходимо учитывать при проектировании сомехоподааляащзх средств заагш ЦТС от импульсных яоыех. Тогда как традиционно при подавлении радпопоаех свойства средств защита рассматриваются в "чистом" в: де, т.е. обособленно от сигналов помех.

И, пакоаец, прп решении задач проектирования средств запдатн ПТС необходимо руководствоваться высокими требовакншд;, предъявляемый к источникам их питания в спецЕфзческташ требованиями Тре сования, предъявляемые к источникам вторичного электропитания С11ВЭП ПТС, обычно следуидие: высокая стабильность параметров напряжений; калнй уровеаъ пулъсатй; лимитируемый уровень ослабления выходного напряжения по сетевому воздействие и т.п. Данные по допустшлк?.". импульсным помезсам регламентируется соответствуюазпзз ГОСТами к отраслевики стандартами по 3"С. Требована по подавлению импульсных поме зеоьиа высоки (до 60 дБ и более!).

В практике борьбы с сетевыми импульсными помехами широкое расп ространзние получил централизованный подход. Если ранее такой подхо реализовывадся на основе электромашинках систем двигатель-генератор то в последнее десятилетие сгаст: переходить к использовании так на-знваейзых остевых фильтров ССФ), включаемых в сеть питания. Условно все ОФ моево разбить па два вида: фильтры радиопомех и фильтры ком-мутапиоаянх вапульсвах помех. Фильтры первого вида изучены достаточ до полно, для них создана изящная теория и решены задачи их проекте ровааия. Фильтра второго вида практически не изучены. В недолгой практике проектирования таких фильтров преобладали згашричеокие методы. Изучении свойств таких фильтров в созданию основ их проектпро аанпя посвящена наотояаая работа.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка теоретических полозений, позволяющих создать основы проектирования помехоаодавдянцет фильтров для задиты систем питания цифровой аппаратура от импульсшж помех, поступающих со стороны электрической се

Поставленная цель потребовала решения четырёх основных задач:

- построения влемевтов феноменологической теории сетевых филь-

ров импульсных помех на основе введённого понятия идеального СФ, позволяющего отразить существенные свойства изучаемого объекта;

- построения электрических моделей реальных СФ и установления соотношений между параметрами фильтра, параметрами моделей и параметрами импульсной помехи, необходимых для реализации электрического расчёта помехоподавлявщих фильтров;

- проектирования индуктивного элемента фильтра на допустимую проходную (паразитную) ёмкость обмотки;

- экспериментального подтверждения получзаных результатов. Решены также две промежуточные задачи, имеющие самостоятельное значение в других областях практики:

- обоснование электрической модели (схемы замещения) катушки индуктивности, как важнейшего элемента поыехоподавляпцих фильтров, справедливой для широкополосного сигнала, каким является импульсная помеха;

- разработка метода синтезирования электрических моделей линейных пассивных четырёхполюсников, как базы построения более точных ехал замещений индуктивного элемента фильтра.

Общая методология исследования. Базируется на общей теории линейных электрических цепей и систем при-совместном рассмотрении свойств фильтров со свойствами импульсных помех на основе частотных и временных методах анализа, на положениях теории моделирования а синтеза цепей с использованием различии уровней идеализации исследуемого объекта.

- Научная - новизна.

1.-Предложена теория идеального С® импульсных помех.- При этом установлены закономерности принципиального характера между помехо-подавлявдши свойствами фильтра- и параметрами импульсных помех,и на этой базе раскрыты дути решения проблем проектирования фильтров, а именно:

- определены предельные возможности ® с точки зрения подавления шиульсной помехи;

- выявлена необходимость включения дополнительно к СФ ещё одного помехоподавляодего звена на выход 1ШЭП;

- предложена методология эквивалеатирования импульсных помех но равновеликости откликов на выходе фильтра. 5 ^

2. Предложена и реализована новая идея синтеза пассивных четы-оёхполвешков по передаточной функции для поиска линейных электрических моделей физических объектов;

3. Определена более точная электрическая модель многослойной

катушки индуктивнос1е,

Практическая "ценность.

1, Предложено всмахоподаэдявдее устройство (ППУ), позволяющее эффективно подавлять пипульсные помехи в широком диапазоне их длительностей,

2„ Разработана методика электрического-расчета СФ г ППУ г предложен шкез программ пс проектированию таких фильтров.

2. Разработана и прэллокена для прошииенности методика по испытанию поцехоподандяхщш: устройств.

Реализация результатов работы. Диссертационная работа выполнялась е райках научно-исследовательских работ в периоды 1982-1989 гг. На основе экспериментальных в теоретических исследований при участки автора разработана и внедрены в промышленность: ППУ; пакеты программ по проектировании 05 и ППУ; усовершенствованная методика ес-онтанай поиехоподазляшшх фильтров.

В работе автор защищает;

- теорию идеального сетевого фильтра импульсных помех;

- структуру ГОЦ, состоящую из комбинации двух фильтров;

- методологии зкЕязалентирования импульсных помех для проектирования поыехоподавляющих фильтров;

- алгоритм расчета помеховодавляшцшс фильтров на базе предло-Еенних электрических моделей различных порядков по степени учета паразитных параметров фильтров;

- подход по построению более точных схеи замещений индуктивного элемента фильтра на основе синтеза по передаточной функции;

- метод синтеза лввеЁдвх пассивных четырехполюсников по передаточной функции;

- методику проектарованжя индуктивного элемента фильтра на допустимую проходнузз (паразитную) ёмкость обмотки.

Апробация работы. ОоноЕВне теоретические полонендя и результат работы долоЕвдв на Всесоюзной ковферанции "Методы и средства борьбы с поиехаки в цифровой технике" (Вильнюс, 1986 г.), на 3-еы Всесоюзном совещании "Проблемы электромагнитной совместимости силовых полупрозодниновкх преобразователей" (Таллин, 1986 г.), на З-ей Всесоюзной конференции "Проблемы нелинейной электротехники" (Киев, 1963 г.), ш Ю-оы мевдународноа симпозиуме по К,!С (Вроцлав, 19Э0

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 12 научных работ.

Струагурз и объём диссертации. Дяссертацйояная работа состоит из введения, шести глав а заключения, излокенянх на 120 страницах машинописного текста, иллюстрированного 45 рисунками, 13 таблицами. Работа вклпчает также приложение на 33 страницах и список используемой л цитируемой литературы» содержащий 102 наименования.

КРАТКОЕ С0ДЕР2АНИЕ РАБОТЫ

Зо заецеапи определены актуальность темы и цель работы. Поставлена задача разработки теоретических положений по основам проектирования ломехоло."азляяших ({ильтров для защиты цифровых систем от :siny~ льсвнх помех, поступающих из сета питания. Методологически эти положения долг.ни строиться на основз совместного рассмотрения свойств ■фильтров со свойствами импульсных помех. Определён круг задач исследования, отмечена новизна и её практическая ценность.

В первой главе дан аналитический обзор состояния вопроса в области проектирования сетевых фильтров импульсных помех. При этом уг.елено особое з издание обзору возможных структур СЗ и изучения их псмехозодавляваях свойств, выбору путей построения методик электрического рэсчёта СФ а поиску электрических схем замещения пстхопо-давлявдих фильтров.

Обзор литературных источников показывает, что в практике первые схемные рехения для построения сетевых фильтров импульсных помех искались интуитивно, без каких-либо теоретических обоснований. Структуры таких фильтров ничем не отличались от 05, предназначенных для борьбы с радиопомехами. Ога представляли собой обычно фильтры нихнях частст, которые строятся на основе одяого-дзух иялуятизно-ё'мкосгяых каскадов.

Однако при помощи таких фильтров не всегда достигалось надёжное ресение проблемы защиты средств логики от импульсных помех. Исследр-г взния, проведённые с участием автора, показали, что при поаощи нззес-тпьх структур Oï можно добиться репевин проблемы для импульсных помех наносекуядяого диапазона длительности /2,7/. Для импульсных помех болыпей длительности (микросекундного диапазона) такие |аяьт-ры становятся прозрачными. 1.анная проблема вызвала потребность ответить ял вопрос: моянс ли вообще регать задачу помехоподавления сете-ьы:ги îильтрами з троном диапазоне длительностей импульсных помех?

Ь ^::сергчцз;нноГ: работе предложено провести ревение такой задачи на основе теистического исследования Ci о наилучшими свойствами. Такой у.етсда-сгический приём позЕатяет выявить принципиальные

возмоеностк сетевых фильтров ь общем случае (вне зависимости от структуры, числа каскадов, типое применяемых элементов). В качестве исследуемого фильтра предлагается линейная модель фильтра с идеальными частотными характеристиками (идеальный СФ). Теоретические исследования намечено оформить в рамках теория идеального сетевого фильтра импульсных помех.

Подчеркнём, что нелинейные ферромагнитные элементы, которые могут содернать катушки индуктивности фильтров, б сущности, позволя ют только усиливать или ослаблять эффект помехоподавления. Однако ао механизму помехоаодавления такие фильтры не отличаются от cboCcï простейших СФ. Здесь остаются те не трудности . Поэтому е данной ра бот^ основное внимание обращено на уточнение механизма помехоаодавления: в принципиальном плане, исходя из требований ослаблениямишу-льсной помехи любой длительности и лпбой форм. Таким образог,:„в основу исследовани£ в диссертационной работе положена простеЕзие стрз ктуры фильтров с линейнши принципами ослабления импульсных помех.

Анализ литературы показывает, что отсутствуют обоснованные рекомендации по расчёту СФ импульсных помех. Требования практики проектирования таких фшгьтроЕ ставят перед вами задачу решения данной проблемы. Очевидно, это решение связано с установлением соогнозешй меаду временный откликом фильтра и параметрами как импульсной поме хи, так и схеш фильтра с уча той паразитных параметров. Для этого ï основу теоретического исследования реальных С5> рекомендуется обратиться к временным методам анализа структур фильтров на базе их эл£ ктрических моделей (cxeiî замещений). Отсюда возникает задача пострс ения схем замещений сетевых фагьтров игшульсных помех, которые бы отражали не только структурные свойства фильтров, но такие учитывали с паразитные параметры электрокоыпонентеш фильтров.

Опыт показывает, что существенное влияние на помехоподавлевие окашваат паразитные параметра индуктивного алепенга фильтра. Однако традиционная oxeica замещения катушек индуктиэкостей справедлива только для относительно низкочастотного сигнала. В области высокочастотного сигнала б та схема замещения состоит из элементов с пере-менкгга (частотно-завпсищмг) параметрами. Для дарокоподосного сигнала, каким является импульсная помеха (особенно малой длпхельнося такая электрическая модель в расчётах СФ неприемлема. Ставится поэтому задача опредатенпя более точной схеш замещения индуктивного элемента СФ, а татке на основе полученной схемн - установления границ правомерности допущения традиционной схеш замещения для проектирования сетевых фильтров кшульеннх покех.

Построепне схем замещений пассивных объектов, как иззеотно, осуществляется на основе методологии моделирования а теории синтеза электрических цепей» процедура которой делится на три самостоятельных этапа: этап экспериментального измерения характеристик электрического реаима исследуемого объекта; этап построения математических моделей и этап реализаций электрических схем. При этом наадый из отпеченных этапов- ответственный за точность я адекватность реализуемой электрической модели.

Известно, что точность описания электрического ретдга исследуемого объекта (ло^ко повысить за счёт использования временных харчк-геркстия иг-га значительного упрощения контроля погрешности аппрок-стаацкз. При этом работа с тагами характеристикам позволяет тзкге повысить точность описания га счёт ногггог.ности выбора оптимального электрического режима, например: саатнеч временного отклика индуктивного элемента э узки;! интервал к начальному исмонгу времени; усилением з(фзкта от ояняяш паразитных параметров и т.д.

Для врсивтшх характеристик лиивЗяого пгсс:-гдпого ссЗьента, что очень сачпо, легко такав ьибрагь тая аппроксимирующих функций, удовлетворяющих услоззст ^пзичгскоГх реализуемости. Такой функцией, реале-зущвй алеггтрлческуо схему вМС- злемеагноа бззлее, козаг ачегуяать эасповвпшшлыша появве?, преобразовать Лапласа которого газет полоса в левой частя комплексной области. В литература достаточно полно разработана технология" построения кагемагпчеекпг моделей на основе экспояепдпадьшх пояннсмоэ, которая я будет полозена для построения более точной схема закетевия катушта ивдуктазаостл.

Ка этапе реаласапия элвктрзгезсяой ахал япдуктдвяого зяемеяга, как показывает опит, возяакапг суаестэеаныз проблем. С одной оторопи, конструктивно катушка представляет собой двухполиенцй элемент. Однако при пг.'.'ерэндз электрячесяого ротама уза Суд ей гглэть дело с че-тнрёазола'снаккл' из-за влияния парззитдоЗ ёмкостя измерительной сис-тс-'ч на корпус. С другой сторопн, традицаояпвв методы спятеаз четп-рёхпсдвсязвоз .'.'ллопригодяи дли яагоаденяя электрических моделей -рз-зичеегшх объектов. Зто обусловлено зеи, что такие метода в общем случае не гарэнтаруэт реаллзацпв электрической структура, элемента которой отраеил бэ ояргдеяёаялЗ (рхзическяй с:,асл исследуемого объекта. Последнее свойство,очевидно, будет достэтагься при выполнения дгух условий: когда пропедура сиатеза мгла обеспечивать маоговариаят-аость реализации и ел основе этого позволяла бз учитывать дополнительную ИЕ^ор-мацгз), ограяащуэ физическую сущность обьевта, я когда сама процедура синтеза бата бы максимально аяаляетчЕой. Возникает потребность ргзения дааной проблема на основа поиска ясэнх яетодез

сантегарования электрической цодедд пассивного чатарёхползоЕида по передаточной ©гакцид.

Б заключении этой глады сфсрмуяярсваш огшсаавыв виае задачи диссертационной работа.

Во второй главе дассвртацаоЕкой работа отрозхоя феноменологическая теория сетевых фильтров ишульскых помех. В качестве объекта исследований выбран гипотетический фильтр с прямоугольной акшштуд-но-частотной г линейной фазо-частотной характеристиками. При вхоа исследовались два ша фильтров, иогущдх по своей суцнооти бнть использованы в качестве СФ кшгульсякх помех: идеальный фзльгр шхыдх частот (ФНЧ) и идеальный полосовой фильтр (ПФ).

Свойства идеальных С© исследовались на ряде моделей еипульсвиз помех, s ток 42aie п моделей, рекомендуемых отечэствзаякй и зарубе сшдш стандартами. Взодится понятие базисной глодали импульсной поме хк, представлявший шпульс прямоугольной формы. Такая модель яедязт en весыла удобной для аналЕва сетевых фильтров и, вместе с теа, поз вояяет создать наиболее тяжёлнй рейта работы.

Отклик идеальных 05 определяется на основе интеграла Фурье. В радаах такого рассмотрения получено три ваднкх для проектирования поыехоподавляиаих фгиьтров результата.

Во-первых, предлагаются соотвошетш, сзязывшадв уровни помехе подавления а^ео /¡¡(Ifc/Uuxr,) с дяительаостьэ импульсной помехи V и полосой прозрачности фильтра fc .В частности, дяя 0U4 полученное вцракение при произвольной форме в.шульсЕнх поиех тлеет вид

a-wtsfu/tfeJFïQ]J . . (I>

Здесь: - максимальное значение отклика, фадьтра; . - «ипддтз

да импульсной домехя; f{0) - спектральная плотность шпудъедой поме хи при нулевой частота ( {■ = 0 ). Tes, например, для щызазуголъпэге иг/пульса f(0) - У/С , а для экспоненциального Ffi} гдб Ts« -

длительность ©¿пульса на уровне 0,6 амплитудного аначаодя и т.п. Вврасеше (I) правоверно в обдаста сильного поцгхоподавлеаЕЯ 6 + & дБ), когда длительность шоульсной помехи ограничена езерху Т<' Д/Р5Г/с , где Д - кезфрздиеат форця шцульса.

Во—вторых, установлено, что в области седьеого помехоподпвлеш справедливо свойство сгдаЕЕБавия. Это свойство с ост сет в даблэдеЕЗ существенно одинаковых откликов на вьдсоде фильтра при различных по форгш входных слгульсод. Ба основе свойства сгяакивания предложено проводка ББВИваледтпров&Еие заазульевых помех по равновеликости oti

дтгксз на выгоде зсл-ехоподавляоцего фильтра. При этом, полагая равенство амплитуд различных по форде импульсных помех, по выражению (I) определяйте;! соотношения сгаивалентности меяду длительноетями экзязалентпруе^гх талульсов. Получены эквивалентные соотношения для некоторых моделей импульсных помех: прямоугольной, трапецеидальной, экспоненциальной, апериодической, колебательной о затуханием и т.д.

Обосновывается возможность использования методологии эквивален-тарогапия импульсных помех для расчётов реальных фильтров (обладаю-еигх некотором подъёмом ашлигудпо-частотяоЯ характеристики в высокочастотной области за счёт паразитных параметров фильтра), если ¿ли-тельнссть пмпулюнзх помех ограничена пе только сверху, ко и снизу (чГт-Тиг ). При этом ндгЕви границу длительности импульсной помехи Тйр предлагается определять из условия пренебрежения влиянием дксокочастотвых составлявших спектра отнлпка фильтра на формирование максимального значения этого отклика.

Методологии зкБКЗалентироэаняя импульсных помех предлагается попользовать для построения методик расчёта помехоподавляющих фильтров на произвольную импульсную помеху, беря за основу расчёт при базисной импульсной помехе.

В-третьих, выведенные соотношения,например (I) для ФНЧ, позволили определить предельные возможности СФ по подазлешш импульсной помеха от её длительности и частота сети /а /6/. Для сети питания с частотой 50 Гц такие предельные границы для фшгыров типа ФНЧ приведена э таблице.

Г , МКС | 0,1 I 1Ь 100

• а , дВ | 100 80. 60 40

Из таблица следуаг, что дсмэхоподавлекио в 60 дБ могет обеспечиваться, если длительность импульса помехи ае превшает 10 мке, и з СО дБ, если длительность яэ презыззет I /же. Для ПФ результаты ■ лучдз з 2,5 рзззг однако и эта &льтры полясстю пе репазт проблемы по эффективному пемехоподавледиэ импульсных помех в цпяросекуядпом диапазоне д-тительяоете*. Такие предельные свойства обусловливаются кяптаяьяо-зоЕМогяой полосой прозрачдостп соотвегсгзугаих типов СФ. Если для ПЗ ока ограничена технологическими и климатическими разбросами 'параметра элептродомлонентоз, то для ФНЧ - ограничена частотой сети.

Для реаеншг проблема по сяятшэ ограничений в подавлении импульсных помех в- диссертационной рзботе рекомендована реализация высокоэффективного фильтра, основанного на предложении о включении 5НЧ в

цепь постоянного тока. Полоса прозрачности такого фильтра йоге®_уке-нькаться бесконечно, что в принципиальном плане позволяет достигать любого уровня помехоподавления. На основе этого для практики предложено эффективное домехоподавлякцее устройство (ППУ), состоящее кз двух блоков: собственно 01/, включаемого на входе ИВ31, и помзхопо-давлянцего фильтра, включаемого в цепь выпрямленного тока /3/. Первый фильтр выполняет роль буферного звена, второй - обеспечивает заданны2 уровень пшехоцодазленкя. Практически какднй блок ППУ реализуется на однокаскадных индуктивно-ёмкостных фзяырах типа Фй'и Такизл образом, но-второй главе диссертационной работы обосао-Еана структура ППУ для эффективной борьбы с шпульскаии помехами с найден путь построения практических, методик расчёта аа проиэаодънуа импульсную помеху на основе методологии экветалеатирсшания.

В третьей главе диссертационной работы даётся обоснование электрических моделей сетевых фильтров импульсных помех и исследуются юс поыехоподавляюзще свойства на основе теорэтического анализа во временной области. Электрические модели строятся на базе элементарного звена фильтра о типовым топодогичзскеу графом, предстаьлязщи.: трёхполосная с, обобщёнными ветаяма. При зтоа ветва раскриа-татся на основе схем замеаенвй электроксыпояенхов. Б общем случае нозно предложить множество ох ей замещений фшпьтра, обусловленных как тепа" применяемых электрокомпонентов, так и степенью у«йта парзэлтвнх параметров. Множество схем замещений фильтра систематизируется по размерности дифференциальных уравнений, списывагаакх электрический

соответствующего СФ. Модели фильтров соответственно I, 2 к 3 порядков Еллостреруогся ргс. I, Здесь: & , С - параметра элементов ; 1г- , Я I - ааразшныа параметра индуктивного элемента; Чг - сопротивление источника зипулъовей пшеха; - входная

Определены соотношения, устанавливайте сеязь отклика и уровня помехоподавлеаия рассматриваема: моделей фильтров о параметрами их элементов и параметрами базисной импульсной помехи. Так, например, для модели фильтра 2-го поряпка это соотношение тлеет вид

<11

\Pf-A

(2)

с

где ^ , Рг - корил характеристического уравнения.

Исследовано такта влияние фронта импульса на величину отклика фильтра, и па основе вычислительного эксперимента подтверждено положение о возможности применения методологии эквизаленткровашш импульсных помех поп расчётах НТО*. Подучены варакенкя по определен® нижней граница детальности импульсной помехи , до которой Суде? правомерен принцип экзквалентироьанкя импульсных помех.

Предложенные электрические модели помехоподавляющих фильтров и установленное аналитические соотнсцешщ позволят- создать предпосылки для разработки алгоритмов и комплексных программ проекгирсва-!шя ППУ. При этом использование моделей различнкх порядков С по степени учёта паразитных параметров) дэёт возможность осуществить совмещение электрического расчёта фильтров с конструктивным.

3 четвёртой Сглазе рассматриваются два залстаемых положения.

. Первое - предлагается метод синтезирования электрической модели пассивного четырёхполюсника по перэда точной функции УГ(Р). Отмечается, что известная передаточная функция, кая.математическая модель четырёхголосного объекта,не отображает структурных свойств электрических цепей.

В диссертационной работе предлагается и реализуется следующая -идея синтеза: передаточная функция предварительно приводится к математической модели такого типа , которая изоморфна некоторой типовой математической модели электрических цепей ДО/. Такие математические модели цепей ЕЗЕестш а представляется системами уравнений, формируемыми яа основе законов Кирхгофа. В качестве опорных моделей электрических цепей внбпрается система уравнений, храненная в координатном базисе уатовых напряжений.

ОбосяовиЕавгся два типа систем уравнений разложения передаточной функции У*/(р} соответственно с последозательаой я последователь-' во-параллетаяоЗ структурами сигнальных графов /II/:

(Р+Р„)и«ж = , -гри,,,гтек>

(¡Р*А)£ = кп(2+Л1)11гх ; с (кг. + .

одесь:А,А, ... полюса^; Я<, Лг..... Лл - нули Щ"); 11^(0},

£(0} , ... Щ - постоянные кос№по:енга, соответствующие начальному моменту Бремени; , Во.т - коэффициента полинома числителя щр) ; П , íг.....- некоторые функции.

Соответствие мекду сопоставляемыми математическая модаляма устанавливается на основе аппарата линейного преобразования векторных пространств , приводящего к матричным равенс-тзам А\А =ЙРГ и - А1 = . отк сооношения выравдэт связь мекду узловыми матрицами ИУД4 , ) и матрацами ( Р , В > система уравнений разложения • На основе матричных равенств обосновывается тогтологачео-кий граф с обобсёвйумд ветвякн, гллпстрируекого ряс. 2. При этом структура топологического гра^а соответствует структуре сигнального гра^ походной сдстемы уравнений (3). Синтез обойдённых кетьей осуществляется на базе выражений их проводкуостей. Проводимости выражаются через неизвестные элементы матриц преобразований Гиб. Элемента этгсс матриц предопределяются из соотношений, обусловленных как внутренней логикой метода синтеза, так к наложением дополнительной информации, отражающей физические свойства исследуемого объекта. В результате решения задачи синтеза определяется опгмаль-кая схема замещения четырёхпс.тосного объекта, каждый элемент которой отряжает физический смысл исследуемого объекта.

Второе - обосновывается схема замещения катугхи индуктивности, необходж/.ая для задач расчёта И и ПСУ /2/. Такая п рог. а дура осуществляется на осясес разработанного метода синтеза по передаточной функции системы измерения электрического режима катуд-ки индуктивности. Измерительная система представляет собой экранированный блок, в которой находятся кзтуткз с эталонной резистивной нагрузкой. К этому блоку подключается генератор прямоугольных я-.етучьсоб и стробоскопический осцклчограф. Передаточная. [уккцхя этой системы строятся по временным характеристикам при помоцг. интерполяции эксггояеияиаль-нши полиномами. В результате получается^/® пятого порядка.

Рис. 2

Брпменяя прснцшш разработанного в диссертационной работе метода синтеза по передаточной функции ЛО/ и накладывая условия минимальной реализации и физической сущности исследуемого объекта (продольные ветви тлеют индуктивный характер, поперечные ветви графа имеют ёмкостной характер, обусловленные паразитной ёмкостью аа корпус), получаем более точнуп схему замещения катушки индуктивности ( рис. 3„а ).

Рис. 3

Полученная схегла сравнительно сложна по своей структуре. Исследования показали, что порядок передаточной функции монет быть понижен до второго порядка без большой потери точности описания злект-рзческого рекима (на 10 %). Последней будет соответствовать схема, иллюстрируемая рис, 3,6. В качестве условия правдоподобия использовалось сооветствие по электрическому ре яйлу (как уже отмечалось) и по параметрам контрольных элементов (номинальной индуктивности & и номинального омического сопротивления обмотки ). Несоответствие в реализации параметров контрольных элементов составляет 12 %, Обе схемы замещения правомерны для импульсных помех с фронтом не менее 10 во и длительностью не менее нескольких десятков наносекунд.

При выполнении параметрических зсловий /?н«й , (С+Сг!\Р¿/ЧкР. правомерна традиционная схегл замещения многослойной катугпки (рис.3,в).

В пятой главе диссертационной работа проводится зксперименталь-ное подтверждение основных завдацаегах положений: проверка эффентив-восги предтоненного БЕГУ; проверка качестаа предложенных электрических моделей помехоподаЕЛяхщп.т фильтров импульсных помех п полученных на основе их соотношений; подтверждение принципа эквивалента-. ровакия импульсных псмех. Для этого ргвён комплекс вопросов по усовершенствования методики испытаний сетевых фильтров импульсных помех. При этом разработаны и изготовлены: имитатор высоковольтных им-

б)

а)

пульсЕНх помех, изрскополосвые высоковольтные делители напряжений, симметрирующие устройства и проходные нагрузки. Принимались меры со экранированию измерительного тракта от.наводок» Методика испытаний рекомендована промышленности /2, 8/.

Экспериментальные исследования показали справедливость теоре—. тических полояеядй, позволязнзих решать проблему создания основ, проектирования псмехоподавяяющпх устройств для защиты цифровых систем от импульсных помех.

В тестой главе диссертационной работы наложены элементы проектирования домехододавляпцях фильтров, входящих в предложенное ШУ. При згсы задача проектирования ППУ состоит из электрического и конструктивного расчётов. В целом электрический расчёт проводится для определения необходимых параметров элементов фильтра, обеспечивающего требуемый уровень помехоподавления, и с учётом ограничений, . накладываемых на СФ: допустимой скорости нарастания импульсной помехи на выходе фильтра ¿и/И ; допустимого .максимального значения тока включения ; допустимого относительною уменьшения сетевого напряжения £ ; допустимого тока утечки на корпус 01> 1у ; допустимого коэффициента мощности согр ш з конструктивном расчёте особое внимание обращено на проектирование индуктивного элемента с учётом его проходной паразитной ёмкокостя Сг> . Такую задачу нам удалось решить на основе нетрадиционного подхода к проектированию катушки индуктивности, геометрия которой увязывается с диаметром провода, как самым элементарным звеном индуктивного элемента /2/. Соответствующий алгоритм представлен на рис. 4.

Алгоритм расчёта помехоподавляющпх фильтров реализован на базе., предложенных моделей фильтров различных порядков (рис. 5). За исходную взята модель фильтра 2-го порядка без паразитных параметров. При этом повышение порядка модели позволяет включить в цикл расчёта паразитные параметры, связанные непосредственно с конструкцией фильтров. Оптимизируя параметры фильтра с учётом конструктивных параметров , решается задача проектирования ППУ, которая реализована на базе ЭВМ трёх тппов: программируемых микрокалькуляторах; персональных комлю?ерах и больших 53М серии ЕС. Первый класс ЭВМ используется для оценочных рэ с чёт об еозмоености реализации ППУ и обоснования выбора структуры ППУ. Второй класс используется для полного проектирования ПЕГ/. Третий класс ЭЗУ используется аля расчётов регимов ПЛУ в составе источника вторичного электропитания.

ПП7 и пакеты программ по проектировании ППУ рекомендованы промышленности.

I ¡-

исходные данные: [FJ

Ф

г«: Та; Хг,*л: ггч\Я,они; £, ^

~ ! ]определенке диаметра псоэода:

Ряс. 4

исходные дэшие: ГП^м а, ¡Б; Щ,В; Т, не; ,/„.Гц; и*?.В;7?,

1 печать

ОСЮВЕЫБ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Раз работа на теоретические положения, решавшие проблему проектирования помехоподавляших устройств для защита систем питание от импульсных помех.

1.1. Построена теория идеального сетевого фильтра импульсных помех, устанавливающая принципиальные закономерности меяду поыехо-подавляющими свойствами фильтра и параметрами импульсных помех.

В результате:

- вскрыты предельные возможности сетевых фильтров импульсных помех, сьвдетельствутие об ограниченности этих средств для борьбы с импульсными помехата, поступавшими аз сети питания;

- обоснована структура элективного ППУ, состоящая из комбиш-ции двух фильтров: собственно СФ, включаемого на входе г. поме-хоподавляицего .фильтра, вшгочаемого в цепь постоянного гона Сна выходе ИВЗП);

- предложен метод эквивалеягирования импульсных помех различной формы по равновелик о ста отклика на Еыходе фильтра. Метод позволил снести задачу проектирования фильтров при произвольной импульсной помехе к методике проектирования фильтров при базисной импульсной помехе.

1.2. Регенз проблема по создании практических метегин проектирования СФ и ППУ в целом при базисной импульсной помехе на основе предложенных электрических моделей различных порядков (по степени учёта паразитных параметров фильтра), лозволиьсих осудествить ссв-месеяне электрического расчета с конструктивным.

1.3. ¿ля обоснования электрических моделей помехолодавдтаас фильтров предложен подход получения схем замещения индуктивного ал« мента на основе синтеза по передаточной.функции, иозеолиеший учесть паразитные параметры измерительной системы и обеспечить значительно повышение точности реализации.

1.4. Предложен новый метод синтеза .линейных пассивных четырехполюсников г.о передаточной функции, Метод наиболее приемлем для целей построения электрических моделей физических объектов.

1.5. Разработана методика проектирования индуктивного элементе фильтра на догустимуг нреходкуп ¿пар л зил-ух) :?:.':-:ссть, на основе не; ра'лициойЕогс подхода, ссязгвхксдо на выборе е качестве базисного гг раметра наиболее элементарясго зв-ена конструкции кагудки - диаметра провода.

2. Разработали алгоритмы и соответствуете пакеты программ к

сШ по регжггадах методик проектирования аоиехоподаздшаих устройств,

3. Рег'ёя комплекс вопросов по обеспечении г-мспериментпльшл: лсслвдовангЯ ПИ У; подтаеркдонк оснозше зяадаасмыс пояснения.

Прсдлозеняоо П!ТУ, методика пспнтанкй и пакеты программ рокоме-кдованн для проектирования т предприятиях радиоэлектронного профиля.

Ссног-кэе содерглнле диссертации отракенс в следушпх работах»

I» Телоа'гпопакй а пата зе тор оспкллогракм одпократшх импульсов г.'зпо-/ длятетьяосго // ТЛЪ. - 1934..-.>'< 6. - С.Й9-10С (в соавторстве с ТстясВаЛ Г.С., 'ЛпЕолаеаго В.А5.

2. ОзгшкзаЕгя схеа источяиксв пдтазая ь а электромагнитных элементоз в ко следов а.тая фялыроз импульсных зокег с наносекундгалг фронтом кипульса. йсслодоЕвике сетеъих фальтров шгаушнщд помех и . их электромагнитных элементов чЛ и 2: Отчёт о Ш? иакл. )/8КТИЦентг; Руководитель D.A. Савпновсквй. - J? IP 01829023263; Гшз. J» 0286. 0005 931. - Ульяновсвв ISS5» - 180 с. (Главы 1 7)„

3. Фильтр для saaiira РЗА от сетевюс гогпульешй: помех: Нндорм. листок й 205-85/ Ульяновский ПНИ! (п соавтор стае о Бальяяом Р.1.).

4. Инженерная методика расчёта сетевых фильтров импульсных по~ «ех ва ярогргглкирусйи микрокалькуляторах: Инфовч. листок Л 209-66/ Ульяновска цнта (в соавторстве с Езльлном Р.Х.).

5. Начальные уаиогая, обуолевлевше разрыв лш воздействием в веляаеЙЕКх системах // Адаптивные кзмерительно-енфораационнке система: Тез. докл. науч.-тгхя. семинара, июнь ID5G г. - Ульяновск, 1985. - C.II.

6. Сетевые фильтри импульсных помех ш их предельные возмояно-стн // Помехи з цифровой технике -86: Тез. докл. Всесоизн. науч,-гехя. конф., окт*, IS3S г. - Вшсьипс. - 1Э86. - C.III—113 (в соаэ-горегзе с Еальяпсм РД,, Савинов сиз 5 В.Л,).

?, Исоледованяс сетевых фильтров кмиульсгшх помех с шпосекун-аза фроягем // Проблемы электромагнитной совместимости сглазил по-¡гуправодшпговнх преобразователей: Тез. докл. З-Ь'сесоэзя. яаучо-техн. говел;., ноябрь, 1£Ь5 г., - Таллия. - ч.З. - I9B6. - С.151 (в соавторстве с Савинов crom D.i., Не стер овил A.B.).

8. Исследование п разработка помехоподавляпцлз устройств (фильтров) для слотом электропитания. Исследование а разработка пемехо-зедавляюиз фильтров с ограничителями напряжения: Отчет о КИР (пром.У ВНТШсйтр; Руководитель Ю.А. Сазивоэский. - Я Г? 0186.0053 ООО; йяз.

6 0288.00? 1671. - Ульяновск, 1988. - 57 с. (главы I, 2, 4 ).

9. Моделирование нелинейных электрических цепей на основе экспоненциальных полиномов // Проблемы нелинейной вдектротехншгя: Те докл. З-Всвсоазн. изуч.-техя, конф., сенг., 1988 г„ - Квеь, -

ч. 3. - С.10.

10. Синтезирование электрической кодели пассивного четирёхпо-люсняка / Casиневский D.A., Меньшов E.S.; 14 е.: ил. - Еиблиог

7 назв. - Рус. -Лея. в ВИШТИ 02.08.69, й 5155»

11. Понккенне порядка линейных дифференциальных уравнений пр-йюдегаролакип энергетических объектов // Изб. вузов. Энергетика. I>j8S. - К 12. - С.45-48 (в соавторстве с Савинонокка Ю.А.).

12. Проблемы проектирования сетевых фильтров импульсных пше; Тр. 1С Мекдукар. сгаяоз. по ЗУ,С, - июнь, I9SO г. - Вроцлав. - I93C - С.607-613 (в соавторства с Балъяяоя Р.1., Савяновсяим Ю.А.).

МЕНЬПШ Евгений Нятояаетич

Разработка ломехополашптзтт сетевет устройств для скоте;.: яктания П7ЛровоГ' ашхаратурн Автсг.»!тег)<1т дассертапик на соксканпе учёной степени кандидата технических наук

По.тп'.сано б печать СТ .0?, ГО. -*ет*»аг FOrS4 I/ï6. Fw?ra еЛррточнас, Печать офсетная. Усл.иеч.л.!,?. 6. 7ч,-кзт:.л.1тС0. Усл.тгр,-отт.1,?.Р, Тяраг ТОО ¡»кг. Заказ /об Внештатно.

Офсетная лаборатория УлПК, 4Î2600,Ульяновск,рт.Энгельса, 3.