1. проблема электромагнитной совместимости судового электротехнического и электронного оборудования




Скачать 305.21 Kb.
Дата25.07.2016
Размер305.21 Kb.
1. ПРОБЛЕМА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ СУДОВОГО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО И ЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
1.1. Общие понятия

Электромагнитная совместимость (ЭМС) технических средств (ТС) определяется как способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам.

Под электромагнитной обстановкой (ЭМО) понимается совокупность электромагнитных явлений, процессов в заданной области пространства, а под помехой - электромагнитное явление, процесс, которые снижают или могут снизить качество функционирования технического средства. Техническое средство - это изделие, оборудование, аппаратура или их составные части, функционирование которых основано на законах электротехники, радиотехники, электроники, содержащие электронные компоненты и (или) схемы, которые выполняют одну или несколько следующих функций: усиление, генерирование, преобразование, переключение и запоминание.

Исторически первые задачи, относящиеся к электромагнитной совместимости, возникли почти одновременно с радиотехникой и были связаны с распределением частот радиовещания, борьбой с помехами радиоприему. Еще в 30-е годы ХХ века в военно-морском флоте стояла задача обеспечения "одновременности работы радиосредств" [1.1]. По мере роста числа и многообразия радиотехнических устройств, электрооборудования, появления новых видов технических средств наблюдалось распространение задач электромагнитной совместимости на новые объекты, возникала необходимость рассмотрения не учитываемых ранее видов помех, применения новых подходов. После второй мировой войны методы и средства борьбы с помехами стали применяться в системах телевидения, подвижных средствах связи, в радиоэлектронных комплексах кораблей и самолетов. При внедрении первых образцов вычислительной техники столкнулись с непонятными сбоями, потерей информации, выдачей ложных команд. Переходные процессы в сети электропитания при включении простого паяльника приводили к зависанию цифровых схем. Вычислительная техника оказалась восприимчива к импульсным помехам в сети питания, разрядам статического электричества, импульсным электрическим и магнитным полям, не опасным для обычного радиооборудования [1.2]. С другой стороны, цифровые схемы при своей работе способны создавать радиопомехи. Внедрение полупроводниковых преобразователей электроэнергии выявило влияние создаваемых ими помех на средства автоматизации, вычислительной техники, радиосвязи, навигации и различные элементы электроэнергетической системы. Появилась необходимость учета искажений питающего напряжения, низкочастотных и высокочастотных гармоник, создаваемых преобразователями [1.3].

В настоящее время наблюдается быстрый рост информационных систем всех видов, снижение уровней полезных сигналов при одновременном повышении количества и мощности различного электрооборудования, способного создавать высокий уровень помех. В случае не принятия необходимых мер проблема ЭМС в перспективе может только обостриться.

Электромагнитная несовместимость различных технических средств приводит к экономическому ущербу, серьезным авариям и даже к гибели людей [1.4-1.6]. Ряд инцидентов, причиной которых явились нарушения электромагнитной совместимости, приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Случаи электромагнитной несовместимости, создавшие угрозу безопасности людей



Инцидент и его последствия

Установленная причина

Несанкционированный выстрел с военного самолета, садящегося на американский авианосец "Форрестол", поразивший полностью оснащенный и заправленный самолет на палубе.

Взрыв и пожар на борту авианосца,

134 человеческие жертвы.


Воздействие излучения радиолокатора авианосца на системы самолета через бортовой кабель с поврежденным заземлением экрана.

Попадание ракеты «Экзосет» в английский эсминец "Шеффилд" во время англо-аргентинского конфликта из-за Фолклендских островов. Пожар и гибель эсминца.


Вынужденное выключение радиолокатора противоракетной обороны во время работы средств связи.

Отклонения в работе навигационных приборов, зафиксированные на самолетах гражданской авиации США. Ложные изменения курса, устраненные только вмешательством наземного диспетчера. Сбои в работе приборов могут привести к столкновению самолетов. Число выявленных фактов опасных электромагнитных влияний на самолетах растет.


Воздействие на навигационные приборы работающих электронных средств пассажиров, таких как сотовые телефоны, компьютеры, плееры, видеокамеры.

Пассажиры продолжают использовать средства даже после прямого запрещения.



Нарушение радиосвязи, обеспечивающей безопасность полетов, в одном из аэропортов США. Угроза безопасности пассажиров.

Воздействие электромагнитного поля, создаваемого электронной контрольно-кассовой машиной, расположенной в миле от аэропорта.

Сбой в компьютеризированном пульте управления клапанами на заводе полупроводников в Великобритании. Утечка хлора.


Воздействие на пульт по цепям питания импульсных напряжений, вызванных переходными процессами.

Отключение медицинского монитора и дефибрилятора в машине скорой помощи, ошибочная работа мониторов легочной деятельности и анестезии в больницах США.

Гибель пациента, опасность для жизни пациентов.




Воздействие электромагнитного поля радиопередатчиков и электроинструментов на медицинское оборудование.

Остановка автомобилей в определенном месте автомагистрали в Германии. Угроза столкновения.

Воздействие мощной радиостанции на бортовое электрооборудование автомобилей.

На судах регистрировались случаи нештатного включения электропривода, сбоев в работе систем автоматики и даже случай нарушения в работе электродвижения судна, обусловленные влиянием помех, создаваемых судовым радиотехническим и электротехническим оборудованием.

Вопросам ЭМС уделяется все больше внимания во всем мире. Введены в действие и постоянно совершенствуются международные и национальные стандарты, содержащие требования к разнообразному оборудованию по ЭМС. Продукция, не соответствующая требованиям ЭМС, не допускается на рынок в Европе и во многих странах мира. Ежегодно проводится несколько международных симпозиумов и выставок в области ЭМС, собирающие тысячи участников и десятки фирм. Российский Морской Регистр судоходства и международная ассоциация классификационных обществ требуют обязательного проведения испытаний судового оборудования на ЭМС и учета вопросов ЭМС при разработке, изготовлении, выборе и размещении оборудования на судах.

Особенности проблемы электромагнитной совместимости на судах могут быть пояснены по схеме на рисунке 1.1.



Рисунок 1.1. Упрощенная схема электромагнитных взаимодействий технических средств на судне: АД -асинхронный двигатель, ВТ - вычислительная техника с датчиком Д, как части системы автоматики, ДПТ -двигатель постоянного тока, ПП - полупроводниковый преобразователь электроэнергии и У -его система управления, РТ -радиотехническое оборудование с антенной, СГ - синхронный генератор с системой автоматической регулировки напряжения АРН.


Любое судовое техническое средство (электронное, электротехническое, радиотехническое оборудование, средства автоматизации и навигации) при включении, выключении и своей работе может создавать токи, напряжения, электромагнитные поля, способные повлиять на другое ТС. Теоретически любое ТС является источником помех, уровень которых зависит от принципа действия и особенностей конструкции ТС. Полезный сигнал одного ТС может быть помехой другому ТС. На практике под источниками помех подразумевают ТС или процессы, создающие уровни помех, значимые для судового оборудования. На рисунке 1.1 приведены несколько типичных источников помех такого рода: И1 -коммутация асинхронного двигателя создает импульсные напряжения; И2 -вычислительная техника создает помехи в широком диапазоне частот; И3 - полупроводниковый преобразователь создает искажения синусоидальности напряжения, низкочастотные, импульсные и высокочастотные помехи; И4- двигатель постоянного тока создает помехи в широком диапазоне частот; И5 - радиооборудование и его антенна излучают полезный сигнал, влияющий на другое ТС; И6 -внешние воздействия, такие как разряд молнии и электромагнитные импульсы, представляют из себя самые интенсивные помехи.

С другой стороны, судовые технические средства восприимчивы к электромагнитным воздействиям, т.е. являются рецепторами помех. Теоретически работа любого ТС нарушается при высоком уровне напряжения или электромагнитного поля. Возможен даже выход его из строя. На практике под рецепторами помех подразумевают ТС, работа которых может нарушиться при уровнях помех, возможных в судовых условиях. К рецепторам можно отнести следующее оборудование: Р1 - датчик (измеритель уровня, положения, частоты вращения и т.п.) восприимчив к помехам, близким по параметрам к полезному сигналу; Р2 - вычислительная техника наиболее чувствительна к импульсным воздействиям; Р3 - схема управления полупроводникового преобразователя может не верно работать при искажениях напряжения питания и импульсных напряжениях в сети питания; Р4 - схема автоматического регулирования напряжения восприимчива к искажениям напряжения и тока; Р5 - радиооборудование наиболее чувствительно к радиочастотным помехам. В случае сбоя схемы АРН (рецептор Р4) возможно отклонение напряжения в сети от номинального значения и нарушение работы всех потребителей электроэнергии на судне.

Создаваемые источниками помехи могут достичь рецепторов различными путями. Напряжения и токи помех могут распространяться через общую сеть переменного тока - путь С1, ток может протекать по корпусу - С2. Работа ТС приводит также к появлению излучаемых помех, распространяющихся в виде электромагнитного поля - С3. Помехи также распространяются через электромагнитные связи кабелей в трассе - С4. В последнем случае фактически напряжения и токи в одном кабеле создают электромагнитное поле, вызывающее наведенные напряжения и токи в соседнем кабеле. Реально наблюдается одновременная передача помех по всем путям и возможна комбинация любых вариантов распространения. Например, помехи, создаваемые двигателем постоянного тока ДПТ (И4), могут воздействовать в виде электромагнитного поля непосредственно на датчик Д (Р1). Токи и напряжения помех в кабеле питания ДПТ вызывают наведенные напряжения в кабеле датчика за счет электромагнитных связей кабелей. Напряжения помех могут достичь вычислительной техники ВТ (Р2) по сети питания и в конечном итоге нарушить работу системы датчик Д- ВТ.

При решении вопросов электромагнитной совместимости из сложной схемы взаимодействий можно выделить три основные элемента (рисунок 1.2).



Источник помех



Механизм связи



Рецептор помех

Рисунок 1.2. Модель влияния источника на рецептор помех.


Источник помех - это ТС или физический процесс, которые создают или могут создать электромагнитную помеху. Источник помех характеризуется уровнем создаваемой помехи, т.е. значением величины электромагнитной помехи, измеренной в регламентированных условиях. Эмиссия (помехоэмиссия) - это создание помех источником электромагнитной энергии. Генерируемая энергия может излучаться в пространство или распространяться кондуктивным путем по проводникам.

Рецептор помех- это ТС, реагирующее на электромагнитный сигнал и (или) электромагнитную помеху. Рецептор характеризуется порогом восприимчивости - минимальной величиной электромагнитной помехи, на которую реагирует рецептор. Невосприимчивость рассматривается как способность технического средства противостоять воздействию электромагнитной помехи. Устойчивость к электромагнитной помехе, помехоустойчивость -это способность технического средства сохранять заданное качество функционирования при воздействии на него внешних помех с регламентируемыми значениями параметров в отсутствие дополнительных средств защиты от помех, не относящихся к принципу действия или построения технического средства. Помехозащищенность - это способность ослаблять действие электромагнитной помехи за счет дополнительных средств защиты от помех.

Механизм связи описывает процесс передачи помех от источника к рецептору и в общем виде может быть двунаправленным. Проводящей средой распространения кондуктивных помех могут быть сигнальные цепи ввода-вывода, цепи электропитания, экраны, заземлители, металлические конструкции судна. Излученные помехи распространяются в пространстве в виде электромагнитного поля.

Задачей ЭМС является обеспечение нормальной работы рецепторов помех в реальных условиях эксплуатации, с учетом возможного воздействия помех со стороны источников, с учетом механизма связи.


1.2. Терминология и описание электромагнитных помех

Терминология в области ЭМС сложилась на основе понятий, используемых в различных областях науки и техники, таких как, радиотехника, электротехника, автоматика, вычислительная техника. Принятые в этих отраслях термины по разному обозначали одно и тоже явление. Некоторые одинаковые термины и параметры трактовались различно. В настоящее время терминология по ЭМС внесена в национальные и международные стандарты [1.7-1.9], но еще возможно встретиться с несовпадением терминов в книгах, документах, при общении со специалистами и даже в некоторых действующих стандартах.


Основные термины, используемые по отношению к помехам, сгруппированы в таблицах 1.2-1.7.

Таблица 1.2

Классификация по признаку источника помех

Термин

Источник

Естественная помеха

Природные физические явления

Искусственная помеха

Устройство, созданное человеком

Атмосферная помеха

Электрические разряды в атмосфере

Космическая помеха

Излучение Солнца, звезд и галактики

Электростатический разряд

Импульсный перенос электрического заряда между телами с разными электростатическими потенциалами

Электростатическая помеха

Стекание накопленных электрических зарядов, электростатические разряды

Индустриальная помеха

Технические средства за исключением выходных трактов радиопередатчиков

Коммутационная помеха

Процессы коммутации тока и напряжения

Контактная помеха

Излучение токопроводящих контактов, среды с нелинейной проводимостью при воздействии на них электромагнитного поля

Станционная

Радиостанция, излучающая через антенну

Таблица 1.3

Классификация по признаку механизма распространения

Термин

Путь распространения

Основная характеристика


и единица измерения в СИ

Помеха излучения

Пространство

Напряженность электрического поля E, В/м

Напряженность магнитного поля H, А/м

Плотность потока мощности излучения

(для частоты выше 1 ГГц) PS, Вт/м2



Кондуктивная помеха

Проводящая среда

Напряжение U, В

Ток I, А

По частотному признаку помехи подразделяют на высокочастотные (с частотой выше 9 кГц) и низкочастотные (с частотой ниже 9 кГц). Частота разделения обусловлена минимальной частотой радиодиапазона и менялась по мере развития радиотехники.

Таблица 1.4


Классификация по проявлению помех во времени

Термин

Особенность

Непрерывная помеха

Уровень помехи не уменьшается ниже определенного значения в регламентированном интервале времени

Кратковременная помеха

Длительность помехи, измеренная в регламентированных условиях, меньше некоторой регламентированной величины

Регулярная помеха

Возникает и исчезает через определенные промежутки времени

Нерегулярная помеха

Возникает и исчезает через различные случайные промежутки времени

Непродолжительная помеха

Длительность помехи сравнительно невелика, но больше некоторой регламентированной величины

Шумовая помеха

Имеет спектр в виде постоянной величины в определенной частотной полосе

Импульсная помеха

Помеха в виде одиночного импульса, последовательности или пачки импульсов

Импульсно-шумовая помеха

Имеет спектр, содержащий импульсную и шумовую составляющие

Указанные термины могут дополнять друг друга. Например, помеха, возникающая в электрической сети при включении конденсатора, может быть названа искусственной, коммутационной, кондуктивной и импульсной. При проведении работ по ЭМС на судне чаще всего приходится принимать во внимание непрерывные и импульсные помехи, основные параметры которых приведены в таблицах 1.5, 1.6. Непрерывные помехи обычно характеризуются спектром, т.к. в наибольшей степени влияют на радиооборудование, для которого важно значение уровня помехи в частотной области. Временная зависимость напряжения u(t) может быть переведена в частотную зависимость U() с помощью преобразования Фурье. Действующее значение величины помехи U на частоте помехи п в достаточной степени описывает синусоидальную помеху. Периодические несинусоидальные помехи описываются их гармоническим составом U(). Аналогичные соотношения справедливы для тока I, напряженностей электрического E или магнитного H поля.

В радиотехнике и в области электромагнитной совместимости при описании уровней сигналов и помех принято использовать относительные величины вместо абсолютных. Единицы бел (Б), названные в честь изобретателя Александра Белла, использовались для выражения отношения мощности в логарифмическом масштабе:

Р[Б]=,

где Р0 -некоторая базовая мощность, относительно которой определяется искомая мощность Р в бел. Использование логарифмических относительных единиц несколько упрощало расчеты, т.к. заменяло умножение и деление на сложение и вычитание.

Таблица 1.5


Параметры непрерывных помех


Разновидность

Описание

Спектр

Синусоидальная помеха

Зависимость от времени

u(t)=UMsin(пt+п).

Основные параметры U=; п.




Модулированная помеха

Зависимость от времени

u(t)= UM(t)sin((t)t+(t)),

где, например, UM(t)= UMsin(t).

Основная характеристика

спектр U().






В настоящее время широко используется относительная величина дБ - децибел, отличающаяся от единицы бел в десять раз:

Р[дБ]=10 , (1.1)


Мощность на некотором резисторе R может быть выражено через напряжение на нем U по известной формуле P=U2/R. Тогда отношение мощностей связано с отношением напряжений следующим образом:

10 =10 =20 .

Это соотношение объясняет появление коэффициента 20 в формуле для определения напряжения U в децибелах (дБ) относительно базовой величины U0=10-6 В:

U[дБ]=20 , (1.2)

Обратный перевод в абсолютные значения выполняется по формуле:

(1.3)

.

Для быстрого перевода величин U, I, E, H в децибелы и обратно можно использовать график на рисунке 1.3. Полезно помнить, что удвоение величины соответствует ее росту на 6 дБ, а увеличение в 10 раз соответствует возрастанию на 20 дБ.



Формулы (1.2, 1.3) и график на рисунке 1.3 могут также использоваться для определения тока и напряженности электромагнитного поля при замене обозначения U на I, E, H при использовании соответствующих им единиц измерения СИ. Выбор в формуле (1.2) в качестве базового значения напряжения U0=10-6 В=1 мкВ, а также аналогичный выбор для определения тока и напряженности поля I0=1 мкА, E0= 1 мкВ/м, H0=1 мкA/м является условным. В принципе возможно использование других базовых значений, что может привести к путанице в расчетах и измерениях. Наиболее правильно указывать базовое значение вместе с обозначением дБ, например, дБмкВ, дБмкА, дБмкВ/м, дБмкA/м. Наибольшее разночтение наблюдается в выборе Р0 для определения мощности в формуле (1.1). С точки зрения соответствия формул (1.1) и (1.2) имеет смысл использовать Р0=1 пВт, но в литературе можно встретить использование 1 мВт и 1 Вт. Значения мощности, выраженные относительно этих базовых значений, связаны следующим соотношением:

Р[дБпВт]=Р[дБмВт] + 90[дБ] = Р[дБВт] + 120[дБ].



Рисунок 1.3. Связь относительной величины в децибелах с ее абсолютным значением.
Импульсные помехи описываются следующими параметрами (таблица 1.6): для апериодического импульса - амплитудой UИ, длительностью фронта tФ, длительностью импульса tИ, для колебательного импульса - амплитудой UИ, периодом колебаний Т, степенью затухания колебаний.

Длительность фронта принято определять по уровням 0,1 -0,9 от амплитуды импульса. Существуют и другие способы определения фронта. Встречающиеся в стандартах на импульсные помехи и токи молнии различия в нормируемых значениях фронта 1 и 1,2 мкс обусловлены просто разным способом их измерения.

Степень затухания колебаний определяется, как относительное изменение амплитуды колебаний за заданное время, например, за время между определенными полупериодами колебаний. В таблице 1.6 приведен график колебаний с затуханием до 0,6 от амплитуды за время между первым и вторым полупериодами колебаний. Для определения степени затухания малозатухающих колебаний может задаваться время между 3 и 6 периодами. Возможно использования и других определений.

Длительность импульсной помехи определяют на уровни 0,5 от амплитуды импульса.

Пачки импульсов (рисунок 1.4) описываются дополнительными параметрами: частотой следования импульсов в пачке fИ=1/TИ, длительностью пачек tП и периодом следования пачек ТП.

При наличии рабочего напряжения в цепи под напряжением помехи понимают разность между мгновенными значениями напряжения в цепи при помехе и при ее отсутствии. Тогда амплитуда импульсной помехи - это максимальное отклонение от рабочего напряжения в цепи.

Аналогично описываются импульсы тока и напряженностей электрического и магнитного полей.

Таблица 1.6


Параметры импульсных помех


Термины, описывающие особенности импульса

Используемые параметры

Осциллограмма

Апериодический, однополярный,

экспоненциальный импульс.

Видеоимпульс.


Амплитуда UИ.

Длительность фронта tФ. Длительность импульса tИ.





Колебательный импульс.

Радиоимпульс.

Звон.


Амплитуда UИ.

Период колебаний Т.

Степень затухания колебаний.







Рисунок 1.4. Пачка импульсных помех.
Классификация помех по отношению к рецептору и по влиянию на рецептор приведены в таблицах 1.7-1.9. Важным термином, характеризующим путь проникновения помехи в ТС, является "порт", который определяется как граница между ТС и внешней электромагнитной средой (зажим, разъем, клемма, кабельный ввод, кожух). К числу портов ТС относят: порт корпуса, порты электропитания переменного тока, порты электропитания постоянного тока, порты ввода-вывода сигналов, порты заземления.

Таблица 1.7


Классификация по отношению помехи к рецептору

Термин

Особенность

Узкополосная помеха

Ширина спектра помехи меньше или равна ширине полосы пропускания рецептора

Широкополосная помеха

Ширина спектра помехи больше полосы пропускания рецептора

Внутренняя помеха

Источник помехи находится вне рецептора

Внешняя помеха

Источник помехи находится внутри рецептора

Межсистемная помеха

Источник помехи находится в системе, не относящейся к рассматриваемой

Внутрисистемная помеха

Источник помехи находится внутри рассматриваемой системы

Кондуктивные помехи могут быть приложены к рецептору между проводами, также как прикладывается рабочее напряжение, и между проводами и корпусом судна (землей). Существует большое количество терминов описывающих эти разновидности кондуктивных помех (таблица 1.8). Предпочтительно использование терминов симметричные и несимметричные помехи. Напряжения помех u1, u2, приложенные соответственно на провода 1 и 2, и токи помех i1, i2 в проводах могут содержать как симметричную uC, iС , так и несимметричную uНС, iНС составляющие, которые определяются по формулам, приведенным в таблице 1.8. Эти составляющие распространяются по проводам с различной скоростью и по разному воздействуют на рецептор.

Таблица 1.8

Симметричные и несимметричные кондуктивные помехи



Термины

Обозначения

Схема приложения помех к рецептору

Симметричные,

нормального вида

(normal mode),

дифференциальные,

поперечные


uC=u1-u2

iС=(i1-i2)/2





Несимметричные,

общего вида

(common mode),

синфазные,

продольные


uНС=(u1+u2)/2

iНС=(i1+i2)/2




Термины допустимая, недопустимая и приемлемая помеха относятся к оценке степени влияния помех на рецептор (таблица 1.9). Термины блокирующая, интермодуляционная помеха характеризуют особенность воздействия помехи на радиоприемное устройство.




Таблица 1.9


Классификация помех по реакции рецептора

Термин

Особенность

Допустимая помеха

Помеха, при которой качество функционирования технического средства, подверженного ее воздействию, сохраняется на заданном уровне

Недопустимая помеха

Помеха, воздействие которой снижает качество функционирования технического средства до недопустимого уровня

Приемлемая помеха

Помеха, превышающая допустимую и устанавливаемая путем соглашения

Блокирующая помеха

Помеха вне полосы пропускания, приводящая к уменьшению коэффициента усиления тракта радиоприемного устройства

Интермодуляционная

помеха


Помеха в полосе пропускания приемника, возникающая в его тракте при преобразовании двух или более сигналов с частотами вне полосы пропускания

Стандарт ГОСТ Р 51317.2.5-2000 (IEC 61000-2-5) устанавливает следующую номенклатуру видов электромагнитных помех, которые необходимо принимать во внимание при обеспечении ЭМС [1.8].

Кондуктивные низкочастотные электромагнитные помехи:

- гармоники, интергармоники напряжения электропитания;

- напряжения сигналов, передаваемых в системах электропитания;

- колебания напряжения электропитания;

- провалы, кратковременные прерывания и выбросы напряжения электропитания;

- отклонения напряжения электропитания;

- несимметрия напряжений в трехфазных системах электроснабжения;

- изменения частоты питающего напряжения;

- наведенные низкочастотные напряжения;

- постоянные составляющие в сетях электропитания переменного тока.

Излучаемые низкочастотные электромагнитные помехи:

- магнитные поля;

- электрические поля.

Кондуктивные высокочастотные электромагнитные помехи:

- наведенные напряжения или токи непрерывных колебаний;

- апериодические переходные процессы;

- колебательные переходные процессы.

Излучаемые высокочастотные электромагнитные помехи:

- магнитные поля;

- электрические поля;

- электромагнитные поля, в том числе вызываемые непрерывными колебаниями, переходными процессами.

Электростатические разряды

В принципе должны быть учтены также электромагнитный импульс высотного ядерного взрыва и другие электромагнитные явления и процессы большой энергии, которые могут представлять угрозу для ТС гражданского назначения.

Любое описание электромагнитной обстановки ограничивается некоторыми характеристиками этой обстановки. На первом этапе формирования данных об электромагнитной обстановке должны быть выбраны подходящие характеристики, соответствующие различным электромагнитным явлениям и процессам, вызывающим электромагнитные помехи. Некоторые аспекты окружающей электромагнитной обстановки игнорируются, поскольку информация о них отсутствует, или потому, что принятие их во внимание сделало бы систему классификации слишком сложной. ГОСТ Р 51317.2.5-2000 дает общие сведения о возможных характеристиках электромагнитной обстановки, но не содержит конкретных требований по ЭМС.


1.3. Вопросы обеспечения электромагнитной совместимости

Уровень помех, создаваемых источником или источниками на рецепторе, в общем виде является величиной случайной, т.к. зависит от режимов работы источников помех, режима работы электроэнергетической системы, от условий распространения помех, которые могут изменяться во времени. Возможный график плотности распределения вероятности напряжения помех в месте установки рецептора pп(UП) приведен на рисунке 1.5. Обычно помехи больших уровней появляются с меньшей вероятностью. Помехозащищенность или помехоустойчивость рецептора характеризуется плотностью распределения вероятности сбоев в работе рецептора в зависимости от напряжения помехи рс(UП). С ростом напряжения помех UП вероятность нарушения работы рецептора возрастает. В случае пересечения кривых pп(UП) и рс(UП) появляется вероятность появления сбоев рецептора (рисунок 1.5а), определяемое величиной области пересечения UП и значениями плотностей в этой области. При отсутствии пересечения кривых, т.е. когда максимальное значение напряжения помех UП. МАКС меньше минимального значения напряжения возникновения сбоев UС. МИН, вероятность сбоев равна нулю (рисунок 1.5б). Это идеальный случай обеспечения электромагнитной совместимости.



а)

б)




Рисунок 1.5. Плотность распределения вероятности напряжения помех рп в месте установки технического средства и плотность распределения вероятности напряжения сбоев рс для случаев: а) возникновения нарушений в работе технического средства, б) идеального обеспечения ЭМС.


Уровень UП. МАКС снижается применением методов и средств подавления помех в источнике, внесением изменений в механизм связи. Уровень UС. МИН повышают использованием методов и средств помехозащиты, повышением помехоустойчивости ТС.

Добиться идеального решения ЭМС технически сложно и может быть экономически не оправдано. Необходимо обеспечить соотношение UП. МАКС < UС. МИН для всех видов помех, их источников с учетом всех возможных механизмов связи. Существуют источники помех, для которых невозможно точно указать UП. МАКС. Например, разряд молнии или аварийный процесс способны создать экстремально большой уровень помехи. Можно говорить лишь, что вероятность таких событий мала. UС. МИН носит также вероятностный характер. В некоторых режимах ТС может обладать пониженной устойчивостью к помехам.



Применение методов подавления помех, средств помехозащиты, оптимального размещения ТС требует дополнительных затрат. Цена обеспечения ЭМС ЦЭМС растет при снижении задаваемой вероятности возникновения сбоев Р (рисунок 1.6). С другой стороны, при увеличении вероятности сбоев растет ущерб ЦУЩЕРБ от нарушений работы ТС. Сумма затрат Ц= ЦЭМСУЩЕРБ имеет минимум, на основании которого можно выбрать оптимальную допустимую вероятность сбоев РОПТ. Для ТС, связанных с безопасностью, используется подход минимизации вероятности сбоев, а не минимизации затрат. Требования по ЭМС могут быть определены, если задаться значением допустимой вероятности сбоев и знать вероятностные характеристики помех и помехозащищенности ТС для различных вариантов применения методов и средств обеспечения ЭМС. На практике получить исчерпывающие исходные данные для такого расчета сложно или слишком дорого. Поэтому обеспечение ЭМС во многих случаях превращается в своего рода искусство, требующее хорошего понимания физических процессов, знания существующих методов и средств, владения измерительным и испытательным оборудованием.


Рисунок 1.6. Зависимость цены ущерба от сбоев в работе технических средств ЦУЩЕРБ и затрат на обеспечения электромагнитной совместимости ЦЭМС, а также суммарная цена затрат и ущерба Ц от допускаемой вероятности сбоев Р.
Затраты на обеспечения ЭМС сильно зависят от момента разработки требований по ЭМС, принятия мер по их реализации. Наименьшие затраты (приняты за 1 на рисунке 1.7) обеспечиваются в случае решения вопросов ЭМС на стадии выдачи задания и проектирования ТС с контролем выполнения требований по ЭМС на последующих этапах. Затраты многократно возрастают, если при проектировании не учтены требования по ЭМС. При выявления несовместимости опытного образца ТС дополнительные затраты в десятки раз увеличивают цену ЭМС, а в случае выявления ЭМС проблем в изготовленном серийном ТС затраты могут возрасти в сотни раз, т.к. может потребоваться изменение конструкции ТС и изменения во всем производственном цикле. Максимальные сложности возникают, если несовместимость ТС, сбои в его работе выявляются после монтажа ТС на судно, т.к. для обеспечения ЭМС могут потребоваться изменения в прокладке кабелей, демонтаж оборудования и другие дорогостоящие мероприятия, которые потребуют наибольших затрат времени и средств.

Рисунок 1.7. Зависимость относительных затрат на обеспечение электромагнитной совместимости судовой системы от момента учета требований по ЭМС.
Стандарты, содержащие требования по ЭМС, призваны помочь в обеспечении ЭМС ТС конкретного назначения. Стандарты разрабатываются для некоторой типовой помеховой обстановки. При выполнении требований к ТС на эмиссию помех и устойчивость к помехам обеспечивается достаточная вероятность нормальной работы ТС. Смысл требований состоит в том, чтобы электромагнитные помехи, создаваемые ТС, не превышали уровня, обеспечивающего функционирование других ТС в соответствии с назначением. Кроме того, ТС должны иметь достаточный уровень собственной помехоустойчивости, обеспечивающий их функционирование в определенной помеховой обстановке. Существующие стандарты по ЭМС более подробно описаны в главе 7.

Правила Российского Морского Регистра судоходства содержат нормы и требования по ЭМС, которые предусматривают испытание судового навигационного, радиотехнического, электротехнического оборудования и средств автоматизации на эмиссию 2 видов помех и на устойчивость к 9 видам помех. Норма на эмиссию помех характеризуется максимально допускаемым уровнем помех, измеряемым в регламентированных условиях. Результаты измерений сравнивают с нормой. Помехоустойчивость характеризуется максимальным уровнем помех с регламентированными значениями, при воздействии которых сохраняется заданное качество функционирования ТС. При испытаниях контролируется работа ТС в условиях воздействия искусственно создаваемых помех. По результатам испытаний принимается решение о соответствии или не соответствии ТС требованиям по ЭМС. Российский Морской Регистр судоходства и Российский Речной Регистр допускают к применению на судах только ТС, успешно прошедшие испытания по ЭМС.

Системы сертификации продукции в Европе и России также требуют проверки соответствия различных ТС требованиям стандартов по ЭМС. Санитарные нормы содержат требования на максимально допустимые уровни электромагнитного поля на рабочих местах и в месте пребывания людей. Вопросы электромагнитного влияния ТС на человека и животных рассматривают как один из разделов ЭМС - биологическую ЭМС. Основные термины в области обеспечения ЭМС приведены в таблице 1.10.

Таблица 1.10


Термины по обеспечению электромагнитной совместимости

Термин

Определение

Сертификация ТС на соответствие требованиям ЭМС

Мероприятия, в результате которых удостоверяется соответствие определенного типа технического средства требованиям государственных, международных или иных нормативно-технических документов, регламентирующих характеристики ЭМС, посредством выдачи предприятию-изготовителю сертификата

Организационное обеспечение ЭМС

Организационные решения, постановления, нормативно-технические документы, направленные на исключение или снижение до приемлемого уровня электромагнитных помех между техническими средствами

Техническое обеспечение ЭМС

Технические решения, направленные на улучшение характеристик ЭМС

Экспертиза ЭМС

Экспериментальное, теоретическое исследование состояния обеспечения ЭМС технического средства в заданной электромагнитной обстановке

Подавление помех

Мероприятия, имеющие целью ослабление или устранение влияния помех

Защита от помех

Мероприятия, имеющие целью повышения помехоустойчивости и помехозащищенности ТС

Биологическая защита

Обеспечение регламентированных уровней электромагнитных излучений, соответствующих установленным санитарными нормами

Соблюдение требований к ТС по эмиссии помех и помехоустойчивости является минимально необходимым условием обеспечения ЭМС. Объединение отдельных ТС (блоков) в систему существенно изменяет характеристики ЭМС из-за появления дополнительных путей распространения помех и взаимодействий блоков между собой. Близкое расположение мощного и чувствительного оборудования на судне, необходимость прокладки различных кабелей в одной кабельной трассе, появление многообразных электромагнитных связей (рисунок 1.1) снижают помехоустойчивость системы по сравнению с отдельным ТС и требуют решения ряда дополнительных вопросов. Обеспечение ЭМС для систем может потребовать проверок по выявлению возможных сбоев при различных комбинациях работы оборудования. Необходимо учитывать взаимное электромагнитное влияние и между системами судна. Существующие стандарты не содержат исчерпывающего алгоритма обеспечения ЭМС на системном уровне. Имеются лишь общие рекомендации по установке оборудования, прокладке кабелей, выполнению заземления.

Многолетний опыт работ по ЭМС позволяет сказать, что наиболее действенным подходом к обеспечению ЭМС являются фундаментальные знания в этой области. Только понимание физических процессов и механизма действия средств обеспечения ЭМС позволяет принять грамотное и эффективное решение. Механическая установка фильтров, конденсаторов в цепях ТС может привести к противоположному результату. В большинстве практических случаев прямая и полная реализация известных приемов и средств по ЭМС оказывается затруднительной или не возможной. Обеспечение ЭМС требует рассмотрения возможных вариантов решений, прогнозирования их эффективности, принятия компромиссов с существующей конструкцией и размещением ТС. Предлагаемая в таблице 1.11 и используемая в данной книге структура ЭМС знаний призвана помочь в овладении искусством ЭМС.

Три основных объекта, рассматриваемых в ЭМС, а именно - источник помех, рецептор помех и механизм связи, образуют разбиение материала на три основных раздела (столбцы в таблице 1.11), которые рассматриваются с различных точек зрения.

Таблица 1.11

Структура необходимых для обеспечения ЭМС знаний


Точка зрения

на проблему
Знания в области ЭМС

Объект

Источник


Связь

Рецептор

Физический процесс


Возникновение

Распространение

Воздействие

Обеспечение ЭМС


Подавления

Выбор и размещение

Защита

Стандартизация


Нормы эмиссии

Рекомендации по выбору и размещению

Требования к помехоустойчивости

Испытания


Измерения эмиссии помех

Проверка монтажа и конструкции

Испытания на помехоустойчивость

Понимание физики процессов в объектах (возникновение, распространение и воздействие помех) является базой всех других уровней подхода к проблеме. Только овладение этими знаниями позволяет разрабатывать рекомендации по ЭМС и прогнозировать результат их применения, дает понимание смысла тех или иных требований, позволяет избежать ошибок при проведении экспериментальных работ. Уровень практики обеспечения ЭМС (подавление помех, выбор и прокладка кабелей, размещение оборудования, защита от помех) дает набор методов и средств решения проблемы. Знание подхода к стандартизации в области ЭМС и содержания основных нормативных документов оказывает значительную помощь при разработке требований по ЭМС для конкретного заказа, требований к приобретаемому оборудованию. К стандартизации тесно примыкают знания и умения по испытанию ТС на соответствие требований стандартов. Методы и средства измерения эмиссии помех, испытаний на помехоустойчивость, методики проверки выполнения требований по ЭМС крайне важны при проведении работ по обеспечению ЭМС. В большинстве случает только экспериментальная проверка может подтвердить электромагнитную совместимость ТС и систем на судне.







База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница