Труды Международного симпозиума Надежность и качество, 2015, том 1 201 удк 621 095
 Скачать 395.91 Kb.
|
|
Труды Международного симпозиума «Надежность и качество», 2015, том 1 201 УДК 621.3.095 Юрков Н.К., Андреев П.Г., Жумабаева А.С. ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», ПРОБЛЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ Массовое использование радиоэлектронных средств (РЭС) различного назначения привело к возникновению их взаимного паразитного влияния друг на друга за счёт создания непреднамеренных взаимных помех, которые затрудняют или исключа- ют возможность их нормальной совместной работы [4, 7, 8]. Обеспечение совместной работы различных РЭС, т.е. электромагнитной совместимости (ЭМС), с каждым годом имеет всё большее значение. Значи- мость проблемы ЭМС и её обострение определяется не только значительным ростом количества, мно- гообразием и сложностью самих РЭС, являющимися естественным следствием внедрения радиоэлектро- ники в различные сферы производства и потребле- ния, но и проявляющейся иногда её недооценкой, непосредственно отвечающими за нормальное функ- ционирование РЭС. Прогресс в области радиотех- ники стал всё более сдерживаться отрицательными явлениями, порождёнными её количественным рос- том [7, 8]. Актуальным является также вопрос информаци- онной безопасности. Электромагнитные излучения используются злоумышленниками не только для получения информации, но и для ее уничтожения. Электромагнитные импульсы способны уничтожить информацию на магнитных носителях. Мощные элек- тромагнитные и сверхвысокочастотные излучения могут вывести из строя электронные блоки хране- ния и обработки информации [4, 5]. Поэтому проблема защиты от электромагнитных излучений и наводок относится к актуальным за- дачам обеспечения электромагнитной совместимо- сти, как отдельных компьютерных систем, так и телекоммуникационных систем в целом. В соответствии с ГОСТом определение понятия ЭМС следующее. ЭМС – это способность РЭС одно- временно функционировать в реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством при воздей- ствии на них непреднамеренных радиопомех и не создавать недопустимых радиопомех другим радио- электронным средствам. Согласно основным понятиям и требованиям ме- ждународных норм в сфере обеспечения ЭМС его определение следующее. Электромагнитная совмес- тимость (Electro Magnetic Combatibility – EMC) – это способность электрооборудования удовле- творительно функционировать в условиях электро- магнитных воздействий со стороны окружающей среды, а также не оказывать недопустимого воз- действия на эту окружающую среду, которая вклю- чает в себя другое электрооборудование. В настоящее время существует большое количе- ство международных норм и требований, относя- щихся к обеспечению электромагнитной совмести- мости оборудования. Они подразделяются на нор- мы, регламентирующие характеристики измеритель- ного оборудования, параметры тестовых систем и методику измерений помех различной природы. Определяя методику испытаний электрических уст- ройств на электромагнитную совместимость, эти нормы устанавливают критерии, на основании ко- торых может быть сделан вывод, что испытываемые устройства удовлетворяют требованиям EMC. Работа по стандартизации требований по элек- тромагнитной совместимости ведётся на междуна- родном, европейском и национальных уровнях. На мировом уровне основную нагрузку несут на себе следующие структуры: – ISO (Международная организация по стандартизации); – IEC (Междуна- родная электротехническая комиссия, МЭК), под- разделением которой является CISPR (International Special Committee on Radio Interference – Международный специальный коми- тет по борьбе с радиопомехами). На европейском уровне можно выделить: – CENELEC (Европейский комитет по электротехни- ческим стандартам); – CEN (Европейский комитет по стандартизации); – ETSI (Европейский инсти- тут по стандартизации в области телекоммуника- ций). В табл. 1 представлены стандарты Международ- ной электротехнической комиссии в области ЕМС. На ранних этапах проектирования РЭС, например, на этапе выбора элементной базы изделия, данные методики имеют существенное значение. Благодаря использованию предлагаемых методов, можно оце- нивать основные характеристики излучаемых помех и помехоустойчивости ИС с точки зрения наилуч- шей электромагнитной совместимости устройств и их соответствия специфическим требованиям поль- зователей. Стандарты по методам измерения электромагнитной совместимости Таблица 1 Обозначение Название МЭК 61967 Интегральные схемы – Измерение электромагнитного излучения МЭК 61967-1 Основные условия и определения МЭК 61967-2 Метод измерения электромагнитного излучения с помощью TEM камеры МЭК 61967-3 Метод поверхностного сканирования МЭК 61967-4 Метод прямого соединения 1 Ом/150 Ом МЭК 61967-5 Стендовый метод с применением клетки Фарадея МЭК 61967-6 Метод магнитного зонда МЭК 62132 Интегральные схемы – Измерение электромагнитной помехоустойчивости МЭК 62132-1 Основные условия и определения МЭК 62132-2 Метод измерения с помощью TEM камеры МЭК 62132-3 Метод инжекции объёмного тока МЭК 62132-4 Метод прямого введения мощности МЭК 62132-5 Стендовый метод с применением клетки Фарадея Можно выделить следующие причины, вызывающие обострение проблемы ЭМС [1, 2, 3]. Первая при- чина это возрастание общего числа одновременно работающих РЭС в том числе в одном здании или помещении. Вторая причина это ограниченность и загруженность используемого диапазона частот, так как этому способствует первая из перечис- ленных причин. Третья причина – увеличение мощ- ности передатчиков электромагнитного излучения. Четвертая причина заключается в постоянном по- вышении чувствительности радиоприёмных уст- ройств. Другая причина – это несовершенство антенных устройств радиотехнических систем ра- ботающих как на передачу электромагнитных волн, так и на прием. Следует отметить еще одну при- чину обострения проблемы ЭМС – это постоянный рост энергетических потребностей человечества посредством производства и потребления электро- энергии. Данный факт оказывает непосредственное влияние на рост индустриальных помех препятст- вующих нормальной работе РЭС различного назна- чения. Рассмотрим факторы, оказывающие влияние на ЭМС РЭС. Объекты, создающие в процессе своей работы непреднамеренные помехи, называют источ- никами электромагнитных помех (ИП) или донора- ми. Устройства, подвергающиеся воздействию не- преднамеренных помех, называют рецепторами электромагнитных помех (РП). Стоит отметить, что РЭС может быть как источником, так и рецеп- тором электромагнитных помех [6, 7, 8]. Труды Международного симпозиума «Надежность и качество», 2015, том 1 202 В случае распространения электромагнитных волн в свободном пространстве уровень помех будет зависит от следующих факторов: мощности источников помех, расстояния между источником помех и рецептором помех, длины волны помехи, параметров среды распространения и д.р. На рис. 1 представлена обобщенная схема воз- можного влияния электромагнитных помех на нор- мальную работу РЭС. Рисунок 1 - Обобщенная схема возможного влияния электромагнитных помех на РЭС Влияние источников помех на рецепторы помех может быть вызвано наличием общих элементов в электрических цепях. В этом случае справедливо присутствие гальванической связи цепей ИП и РП. Примером может служить наличие общих участков в цепях питания, заземления и т.п. Следует отме- тить, что воздействие помех на различные РЭС может проявляться за счёт изменения режима энергопотребления. Так, например, при включении мощной нагрузки изменяются условия работы раз- личных РЭС из-за изменения напряжения электро- питания и возникающих при этом переходных про- цессов. При воздействии на РП мощной помехи возможны необратимые отказы РЭС, например, из- за изменения структуры полупроводниковых мате- риалов электро- радио- компонентов. Для того чтобы целенаправленно спланировать ЭМС системы, должны быть известны следующие аспекты [2, 3, 7]: – электромагнитная обстанов- ка, характеризующаяся амплитудными значениями напряжений и токов источника помех, напряженно- стями поля, частотными спектрами, крутизной фронтов; – механизм связи, например, характери- зующийся коэффициентами затухания или переда- точными функциями; – восприимчивость, или чув- ствительность приемника помех, характеризующая- ся пороговыми значениями помех в частотной и временной областях. В то время как источники и приемники помех сравнительно легко могут быть охарактеризованы посредством измерения их излучений или порого- вых значений помех, идентификация включенных между ними механизмов связи требует хорошего понимания теории электромагнитного поля, элек- тротехники, и большого опыта в области практи- ческой схемотехники. Речь часто идет о паразит- ных, не предусмотренных конструктором путях передачи, например, через емкости и индуктивно- сти, которые часто проявляются лишь в виде вы- званных ими электрических влияний. Источники помех можно разделить на нефунк- циональные и функциональные. Нефункциональные источники, такие как электрический транспорт, сварочное оборудование, автомобильные устройст- ва зажигания, проводные линии и компоненты электронных узлов, коммуникационные процессы в сетях высокого напряжения, электрические разря- ды, быстроменяющиеся напряжения и токи при тех- нологическом использовании мощных импульсов, разряды статического электричества, и т.д. Их главной особенностью является то, что электро- магнитные волны, создающие помехи не участвуют в процессах передачи, приема и обработки инфор- мации, т.е. не содержат полезного сигнала и не являются производной от него. Функциональные источники – это прежде всего радио- и телепередатчики, которые распространя- ют электромагнитные волны через передающие ан- тенны в окружающую среду в целях передачи ин- формации. Имеет место классификация источников элек- тромагнитной энергии по картине их проявления в диапазоне частот, т.е., по излучаемому ими вы- сокочастотному спектру. Существуют широкополос- ные и узкополосные источники. Сигнал считается широкополосным, если его спектр простирается на ширину полосы, большую, чем ширина полосы опре- деленной приемной системы, и узкополосным, если его спектр, ширина спектральной линии, меньше ширины полосы приемника. Другая классификация предполагает деление на источники электромагнитных помех естественного или искусственного происхождения. Первые мы должны принять как данные природой, последними можно управлять путем дисциплинированного ис- пользования электромагнитного спектра и местно- го ограничения преднамеренно излучаемой элек- тромагнитной энергии. На сегодняшний день проблема обеспечения ЭМС является одной из актуальных задач современной радиоэлектроники и радиотехники и самостоятель- ным научно-техническим направлением. Его осо- бенностью заключается в том, что проблема обес- печения ЭМС проникает в большинство существую- щих современных направлений радиоэлектроники, она устанавливает взаимные связи между ними, образует основу единой иерархичной структуры. В конкретном практическом случае задача обеспече- ния ЭМС решается путем системного подхода, что является необходимостью и особенностью нового направления. Причем изучение электромагнитных свойств различных технических средств и исполь- зование, полученных знаний в практической дея- тельности постоянно обогащает теоретико- практическую базу радиоэлектроники. ЛИТЕРАТУРА 1. Юрков Н.К. Системный подход к организации жизненного цикла сложных технических систем // Надежность и качество сложных систем: Научно-практический журнал. 2013, № 1. С. 27-35. 2. Ермолаев В.А., Юрков Н.К., Романенко Ю.А. Риски отказов сложных технических систем // Труды международного симпозиума «Надежность и качество» – 2014. Т. 1. С. 46-49. 3. Гришко А.К., Юрков Н.К., Кочегаров И.И. Методология управления качеством сложных систем // Труды международного симпозиума «Надежность и качество» – 2014. Т. 2. С. 377-379. 4. Юрков Н.К., Затылкин А.В., Полесский С.Н., Иванов И.А., Лысенко А.В. Информационная техно- логия многофакторного обеспечения надежности сложных электронных систем // Надежность и качество сложных систем – 2013. № 4. С. 75-79. 5. Юрков Н.К., Затылкин А.В., Полесский С.Н., Иванов И.А., Лысенко А.В. Особенности разработки макромоделей надежности сложных электронных систем // Труды международного симпозиума «Надежность и качество» – 2014. Т. 1. С. 101-102. Труды Международного симпозиума «Надежность и качество», 2015, том 1 203 6. Андреев П.Г., Наумова И.Ю., Ширшов М.В. Экранирование как конструктивный способ обеспечения ЭМС РЭС // Труды международного симпозиума «Надежность и качество» – 2010. Т. 2. С. 148. 7. Андреев П.Г., Наумова И.Ю. Основы проектирования электронных средств. // Учеб. пособие. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2010. – 124 с. 8. Кочегаров И.И. Применение системного анализа и межмодульного взаимодействия при проектиро- вании конструкций РЭС // Алгоритмы, методы и системы обработки данных. 2004. № 9-2. С. 160-163. 9. Кочегаров И.И. Математическое моделирование конструкций РЭС в электронной среде. / Кочега- ров И.И., Юрков Н.К., Алмаметов В.Б. // Информационные технологии в проектировании и производст- ве. 2002. № 3. С. 41. 10. Андреев П.Г., Наумова И.Ю. Защита радиоэлектронных средств от внешних воздействий. // Учеб. пособие. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2010. – 124 с. УДК 621.331 Кечин А.В., Жмуров Б.В. ООО «Экспериментальная мастерская НаукаСофт», Москва, Россия МЕТОДИКА РАСЧЕТА БОРТОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПОДХОДА Роль электроэнергетики со временем станови- лась все более и более значимой в самолето- строения и авиационной промышленности в целом. В настоящее время это наиболее перспективное, наукоемкое и высокотехнологичное направление развития самолетостроения. Одновременно с этим наблюдается значительный прирост суммарной мощ- ности электрических приемников, устанавливаемых на борту воздушных судов, увеличивается их ко- личество, меняются требования к качеству элек- троэнергии. Повышения количества потребителей, усложнение системы электроснабжения приводит к необходимости разработки новых алгоритмов про- ектирования систем электроснабжения воздушных судов. В рамках данной работы предлагается ре- шение задачи расчета бортовой электрической сети. Электрическая сеть формируется и рассчи- тывается на всех этапах проектирования, а так же производства опытного образца. На основании технических параметров и данных о взаимном рас- положении источников и потребителей электриче- ской энергии (ЭЭ) намечаются места установки распределительных устройств, коробок, а также намечаются места прокладки кабельных трасс с указанием длин участков сети. На основании по- лученных исходных данных, производится расчет БЭС в соответствии с нормами по допустимому нагреву проводов БЭС, минимально допустимым напряжениям источников и потребителей в нор- мальных и аварийных режимах эксплуатации. Расчеты электрических сетей подразделяются на три вида: Тепловые − на допустимую нагрузку с учетом высоты, скорости полета и окружающей температуры. Электрические − на токораспределе- ние, допустимые потери напряжения в нормальном режиме и токи короткого замыкания в аварийном режиме. Специальные − на эксплуатационно- выгодные плотности тока и потери напряжения, минимум полетного веса сети и пр. Один из подходов к проектированию систем электроснабжения, в т.ч. и систем распределения электроэнергии, является структурно- функциональный. В общем случае, БЭС состоит из n участков (элементов сети) с количеством пара- метров (номер участка, длина, тип провода, ма- териал провода, условия прокладки и пр.) каждо- го участка k. Математическое определение сети (без учета взаимосвязей), можно представить в виде множества 𝑋: 𝑋 𝑘 = {𝑥 1 𝑘 , 𝑥 2 𝑘 , 𝑥 3 𝑘 , … . 𝑥 𝑛 𝑘 } (1.1) Взаимосвязи между элементами БЭС (участками сети) можно описать с помощью n подмножеств взаимовлияния участка с i-ым номером со всеми остальными. Математическое определение взаимо- влияния, можно представить в виде подмножества 𝑊 𝑖 : 𝑊 𝑖 = {𝑤 𝑖 1 , 𝑤 𝑖 2 , 𝑤 𝑖 3 , … . 𝑤 𝑖 𝑛 } (1.2) Кроме, собственно, формализации самой струк- туры БЭС, требуется также формализовать осталь- ные входные данные: точки подключения потреби- телей, мощности потребителей, циклограммы на- грузок. В общем случае, к БЭС подключено m потребителей (оконечных устройств) (множество 𝑌) определенной мощности (множество 𝑃). Связь участка БЭС с i-ым номером, с каждым из потре- бителей, математически можно представить в виде n подмножеств 𝑍 𝑖 ): 𝑌 = {𝑦 1 , 𝑦 2 , 𝑦 3 , … . 𝑦 𝑚 } (1.3) 𝑃 = {𝑝 1 , 𝑝, 𝑝 3 , … . 𝑝 𝑚 }; (1.4) 𝑍 𝑖 = {𝑧 𝑖 1 , 𝑧 𝑖 2 , 𝑧 𝑖 3 , … . 𝑆 𝑖 𝑚 }. (1.5) Оконечное устройство (ОУ) − элемент системы распределения ЭЭ или потребитель, от которого, в рамках расчета, не происходит питание друго- го участка сети. Ограничения, которые накладываются потре- бителями к качеству напряжения, в частности к минимально допустимому уровню, можно предста- вить в виде множества (множество 𝑈): 𝑈 = {𝑢 1 , 𝑢 2 , 𝑢 3 , … . 𝑢 𝑚 }(1.6) Таким образом, структурно-функциональный подход позволяет достаточно просто формализо- вать (на математическом языке) свойства, требо- вания и пр. данные о БЭС. При этом остается открытым вопрос о преобразовании исходных дан- ных для получения результата (расчетных пара- метра(ов) каждого из участков БЭС) вида: П 𝑖 = {п 𝑖 1 , п 𝑖 2 , п 𝑖 3 , … . п 𝑖 𝑛 }(1.7) В рамках данной работы предлагается выполне- ние расчетов (преобразований исходных данных в результат) БЭС по критерию минимума массы про- водникового материала всей БЭС. Ожидаемым ре- зультатом расчета должно являться множество вида (1.7) содержащее в качестве элементов се- чения соответствующих участков сети. Как известно, объем и масса проводникового материала сети связаны соотношением: 𝑚 = 𝜌 м · 𝑉(1.8) где: 𝑚 − масса материала; 𝜌 м − удельная плот- ность материала; 𝑉 − объем материала. Из данного соотношения следует, масса про- водникового материала БЭС прямо пропорциональна объему проводникового материала БЭС, поэтому в дальнейших расчетах будет фигурировать именно объем проводникового материала. Рассмотрим бортовую электрическую сеть, представленную на рис. 1. Данная сеть имеет n участков и m оконечных устройств. Рисунок 1 − Структурная схема БЭС Для каждого из участков сети его сопротивле- ние определяется соотношением: 𝑅 𝑖 = 𝜌 𝑖 ∙ 𝑙 𝑖 𝑆 𝑖 = 𝑙 𝑖 𝛾 𝑖 ∙𝑆 𝑖 (3.1) где: 𝑖 − номер участка сети; 𝑅 𝑖 − сопротивление участка сети с i-ым номером; 𝑙 𝑖 − длина участка сети с i-ым номером; 𝑆 𝑖 − сечение участка сети с i-ым номером; 𝜌 − удельное сопротивление ма- териала участка сети с i-ым номером; 𝛾 − удель- |