CC BY
341
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 исключают 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. Значимость проблемы ЭМС и её обострение определяется не только значительным ростом количества, многообразием и сложностью самих РЭС, являющимися естественным следствием внедрения радиоэлектроники в различные сферы производства и потребления, но и проявляющейся иногда её недооценкой, непосредственно отвечающими за нормальное функционирование РЭС. Прогресс в области радиотехники стал всё более сдерживаться отрицательными явлениями, порождёнными её количественным ростом [7, 8].
Актуальным является также вопрос информационной безопасности. Электромагнитные излучения используются злоумышленниками не только для получения информации, но и для ее уничтожения. Электромагнитные импульсы способны уничтожить информацию на магнитных носителях. Мощные электромагнитные и сверхвысокочастотные излучения могут вывести из строя электронные блоки хранения и обработки информации [4, 5].
Поэтому проблема защиты от электромагнитных излучений и наводок относится к актуальным задачам обеспечения электромагнитной совместимости, как отдельных компьютерных систем, так и телекоммуникационных систем в целом.
В соответствии с ГОСТом определение понятия ЭМС следующее. ЭМС - это способность РЭС одновременно функционировать в реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством при воздействии на них непреднамеренных радиопомех и не создавать недопустимых радиопомех другим радиоэлектронным средствам.
Согласно основным понятиям и требованиям международных норм в сфере обеспечения ЭМС его определение следующее. Электромагнитная совместимость (Electro Magnetic Combatibility - EMC)
Стандарты по методам измерения электрома
- это способность электрооборудования удовлетворительно функционировать в условиях электромагнитных воздействий со стороны окружающей среды, а также не оказывать недопустимого воздействия на эту окружающую среду, которая включает в себя другое электрооборудование.
В настоящее время существует большое количество международных норм и требований, относящихся к обеспечению электромагнитной совместимости оборудования. Они подразделяются на нормы, регламентирующие характеристики измерительного оборудования, параметры тестовых систем и методику измерений помех различной природы. Определяя методику испытаний электрических устройств на электромагнитную совместимость, эти нормы устанавливают критерии, на основании которых может быть сделан вывод, что испытываемые устройства удовлетворяют требованиям EMC.
Работа по стандартизации требований по электромагнитной совместимости ведётся на международном, европейском и национальных уровнях.
На мировом уровне основную нагрузку несут на себе следующие структуры: - ISO (Международная организация по стандартизации); - IEC (Международная электротехническая комиссия, МЭК), подразделением которой является CISPR (International Special Committee on Radio Interference - Международный специальный комитет по борьбе с радиопомехами).
На европейском уровне можно выделить: -CENELEC (Европейский комитет по электротехническим стандартам); - CEN (Европейский комитет по стандартизации); - ETSI (Европейский институт по стандартизации в области телекоммуникаций).
В табл. 1 представлены стандарты Международной 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 оценивать основные характеристики излучаемых помех и помехоустойчивости ИС с точки зрения наилучшей электромагнитной совместимости устройств и их соответствия специфическим требованиям пользователей.
гнитной 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 ТЕМ камеры
МЭК 61967-3 Метод поверхностного сканирования
МЭК 61967-4 Метод прямого соединения 1 0м/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 ТЕМ 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 причина 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 перечисленных причин. Третья причина - увеличение мощности передатчиков электромагнитного излучения. Четвертая причина заключается в постоянном повышении чувствительности радиоприёмных устройств. Другая причина - это несовершенство антенных устройств радиотехнических систем работающих как на передачу электромагнитных волн, так и на прием. Следует отметить еще одну причину обострения проблемы ЭМС - это постоянный
рост энергетических потребностей человечества посредством производства и потребления электроэнергии. Данный факт оказывает непосредственное влияние на рост индустриальных помех препятствующих нормальной работе РЭС различного назначения.
Рассмотрим факторы, оказывающие влияние на ЭМС РЭС. Объекты, создающие в процессе своей работы непреднамеренные помехи, называют источниками электромагнитных помех (ИП) или донорами. Устройства, подвергающиеся воздействию непреднамеренных помех, называют рецепторами электромагнитных помех (РП). Стоит отметить, что РЭС может быть как источником, так и рецептором электромагнитных помех [6, 7, 8].
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 возможного влияния электромагнитных помех на нормальную 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 отметить, что воздействие помех на различные РЭС может проявляться за счёт изменения режима энергопотребления. Так, например, при включении мощной нагрузки изменяются условия работы различных РЭС из-за изменения напряжения электропитания и возникающих при этом переходных процессов. При воздействии на РП мощной помехи возможны необратимые отказы РЭС, например, из-за изменения структуры полупроводниковых материалов электро- радио- компонентов.
Для того чтобы целенаправленно спланировать ЭМС системы, должны быть известны следующие аспекты [2, 3, 7]: - электромагнитная обстановка, характеризующаяся амплитудными значениями напряжений и токов источника помех, напряженно-стями поля, частотными спектрами, крутизной фронтов; - механизм связи, например, характеризующийся коэффициентами затухания или передаточными функциями; - восприимчивость, или чувствительность приемника помех, характеризующаяся 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 пороговых значений помех, идентификация включенных между ними механизмов связи требует хорошего понимания теории электромагнитного поля, электротехники, и большого опыта в области практической схемотехники. Речь часто идет о паразитных, не предусмотренных конструктором путях передачи, например, через емкости и индуктивности, которые часто проявляются лишь в виде вызванных ими электрических влияний.
Источники помех можно разделить на нефункциональные и функциональные. Нефункциональные источники, такие как электрический транспорт, сварочное оборудование, автомобильные устройства зажигания, проводные линии и компоненты электронных узлов, коммуникационные процессы в сетях высокого напряжения, электрические разряды, быстроменяющиеся напряжения и токи при тех-
нологическом использовании мощных импульсов, разряды статического электричества, и т.д. Их главной особенностью является то, что электромагнитные волны, создающие помехи не участвуют в процессах передачи, приема и обработки информации, т.е. не содержат полезного сигнала и не являются производной от него.
Функциональные источники - это прежде всего радио- и телепередатчики, которые распространяют электромагнитные волны через передающие антенны в окружающую среду в целях передачи информации.
Имеет место классификация источников электромагнитной энергии по картине их проявления в диапазоне частот, т.е., по излучаемому ими высокочастотному спектру. Существуют широкополосные и узкополосные источники. Сигнал считается широкополосным, если его спектр простирается на ширину полосы, большую, чем ширина полосы определенной 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 использования электромагнитного спектра и местного ограничения преднамеренно излучаемой электромагнитной энергии.
На сегодняшний день проблема обеспечения ЭМС является одной из актуальных задач современной радиоэлектроники и радиотехники и самостоятельным научно-техническим направлением. Его особенностью заключается в том, что проблема обеспечения ЭМС проникает в большинство существующих современных направлений радиоэлектроники, она устанавливает взаимные связи между ними, образует основу единой иерархичной структуры. В конкретном практическом случае задача обеспечения ЭМС решается путем системного подхода, что является необходимостью и особенностью нового направления. Причем изучение электромагнитных свойств различных технических средств и использование, полученных знаний в практической деятельности 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 технология многофакторного обеспечения надежности сложных электронных систем // Надежность и качество сложных систем - 2 013. № 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.
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 проектировании 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. / Кочегаров И.И., Юрков Н.К., Алмаметов В.Б. // Информационные технологии в проектировании и производстве. 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 становилась все более и более значимой в самолетостроения и авиационной промышленности в целом. В настоящее время это наиболее перспективное, наукоемкое и высокотехнологичное направление развития самолетостроения. Одновременно с этим наблюдается значительный прирост суммарной мощности электрических приемников, устанавливаемых на борту воздушных судов, увеличивается их количество, меняются требования к качеству электроэнергии. Повышения количества потребителей, усложнение системы электроснабжения приводит к необходимости разработки новых алгоритмов проектирования систем электроснабжения воздушных судов. В рамках данной работы предлагается решение задачи расчета бортовой электрической сети. Электрическая сеть формируется и рассчитывается на всех этапах проектирования, а так же производства опытного образца. На основании технических параметров и данных о взаимном расположении источников и потребителей электрической энергии (ЭЭ) намечаются места установки распределительных устройств, коробок, а также намечаются места прокладки кабельных трасс с указанием длин участков сети. На основании полученных исходных данных, производится расчет БЭС в соответствии с нормами по допустимому нагреву проводов БЭС, минимально допустимым напряжениям источников и потребителей в нормальных 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 п участков (элементов сети) с количеством параметров (номер участка, длина, тип провода, материал провода, условия прокладки и пр.) каждого участка к. Математическое определение сети (без учета взаимосвязей), можно представить в виде множества X: Хк = [х*, х$, х|,.... (1.1)
Взаимосвязи между элементами БЭС (участками сети) можно описать с помощью п подмножеств взаимовлияния участка с 1-ым номером со всеми остальными. Математическое определение взаимовлияния, можно представить в виде подмножества
= [и/!,ш?, ш?,.... ш?1}
(1.2)
У = [Уl, У2, Уз^.-. Ут} (1.3)
Р = [ри p, Рз^... рт}; (1.4)
= [2?, 2?, г?.....5Г}. (1.5)
Оконечное устройство (ОУ) — элемент системы распределения ЭЭ или потребитель, от которого, в рамках расчета, не происходит питание другого участка сети.
Ограничения, которые накладываются потребителями к качеству напряжения, в частности к минимально допустимому уровню, можно представить в виде множества (множество О):
и = [и?,и2,и3,....ит} (1.6)
Таким образом, структурно-функциональный подход позволяет достаточно просто формализовать (на математическом языке) свойства, требования и пр. данные о БЭС. При этом остается открытым вопрос о преобразовании исходных данных для получения результата (расчетных пара-метра(ов) каждого из участков БЭС) вида:
П = [п?, п?, п?.....<} (1.7)
В рамках данной работы предлагается выполнение расчетов (преобразований исходных данных в результат) БЭС по критерию минимума массы проводникового материала всей БЭС. Ожидаемым результатом расчета должно являться множество вида (1.7) содержащее в качестве элементов сечения соответствующих участков сети.
Как известно, объем и масса проводникового материала сети связаны соотношением:
т = р„ ■ V (1.8)
где: т — масса материала; рм — удельная плотность материала; V— объем материала.
Из данного соотношения следует, масса проводникового 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 п участков и т оконечных устройств.
Ист
да
п,
о
и
а
о
о
п-1
Кроме, собственно, формализации самой структуры БЭС, требуется также формализовать остальные входные данные: точки подключения потребителей, мощности потребителей, циклограммы нагрузок. В общем случае, к БЭС подключено т потребителей (оконечных устройств) (множество У) определенной мощности (множество Р). Связь участка БЭС с 1-ым номером, с каждым из потребителей, математически можно представить в виде п подмножеств ):
Рисунок 1 — Структурная схема БЭС
Для каждого из участков сети его сопротивление определяется соотношением:
^ = ^ = ^ (3Л)
где: I— номер участка сети; Р^ — сопротивление участка сети с ^ым номером; I¡— длина участка сети с ^ым номером; — сечение участка сети с ^ым номером; р— удельное сопротивление материала участка сети с ^ым номером; у — удель-
