Проектный анализ электромагнитной совместимости регулирующей аппаратуры автономных систем электропитания Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 004.942;621.316.1.05

ПРОЕКТНЫЙ АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Ю.М. Казанцев*-**, И.С. Костарев**, А.Ф. Лекарев**

*Томский политехнический университет **ОАО «НПЦ «Полюс», г. Томск E-mail: [email protected]

Представлена методика анализа электромагнитной совместимости силовых электронных систем космических аппаратов. Приведены результаты вычисления частотного спектра электромагнитных помех по напряженности электрического и магнитного полей идано сравнение их сэкспериментальными данными.

Ключевые слова:

Электромагнитная совместимость, методика, имитационная модель, напряженность электрического поля, напряженность магнитного поля, преобразование Фурье, дифференцирование.

Key words:

Electromagnetic compatibility, procedure, imitating model, electric intensity, magnetic intensity, Fourier transform, differentiation.

При проектировании регулирующей аппаратуры систем электропитания космических аппаратов, осуществляющей распределение и регулирование потоков энергии между первичными источниками, промежуточными накопителями и нагрузкой, большое внимание уделяется обеспечению электромагнитной совместимости (ЭМС). Это связано с тем, что наблюдается тенденция роста мощностей, рабочих частот, усложняется функционал и состав бортовой аппаратуры, уменьшаются ее массогабаритные размеры и увеличивается плотность компоновки, что приводит к увеличению уровня излучаемых электромагнитных помех (ЭМП).

Эффективной мерой, позволяющей улучшить характеристики ЭМС, является проведение предварительной теоретической оценки и расчетов ЭМП регулирующей аппаратуры космических аппаратов путем моделирования электромагнитных процессов.

Для расчета уровней ЭМП разработана методика проектного анализа ЭМС, обеспечивающая, в отличие от традиционных методов исследования, основанных на формировании эквивалентных схем замещения и моделей сигналов для анализа различных видов помех, расчет амплитудно-частотного спектра помех во всем заданном диапазоне частот на основе использования высокочастотных моделей, учитывающих паразитные параметры и связи элементов схемы и конструкции.

Проектный анализ ЭМС в соответствии с требованиями стандартов Европейского космического агентства включает: оценку требований технического задания по допустимым пиковым значениям напряженности электрического и магнитного полей узкополосных и широкополосных помех на расстоянии 1м от поверхности функционирующего прибора в заданном диапазоне частот, ранжирование источников помех, расчет уровня излучаемых помех по напряженности электрического и магнитного полей.

В регулирующей аппаратуре основными источниками помех являются токовые контуры, включающие транзисторы, диоды, дроссели, входные и выходные конденсаторы.

Рис. 1. Система координат для расчета излучения контура малой площади

Расчет контура площадью S, находящегося в диэлектрической среде с магнитной проницаемостью л и диэлектрической проницаемостью е, по которому течет синусоидальный ток I с длиной волны Я, в соответствии с уравнениями Максвелла для напряженности электрического Е и магнитного Нполей в точке со сферическими координатами г, р, 9 (рис. 1) осуществляется по формулам [1]:

Ér = 0; Ée= 0;

ъ 2л2(р/е)1//2SI Я Я 2 9

Ер=---------h-Я/2nr - j(Я/2nr) ]sin9;

Я

Hr = 4^-SS^ [ j (Я/ 2nr )2 + (Я/ 2nr )3]cos9;

Я

2_2 si

H9 = —^f-Я/2nr - j(Я/2nr)2 - (Я/2nr)3] sin 9;

Я3

Hp= °-

Напряженности электрического и магнитного полей будем рассчитывать исходя из предположения, что Е максимальна в плоскости ху (#=±90°), а Н- на оси г (#=±0°, ±180°) [1].

Тогда с учетом того, что Х=с/& (где с - скорость света, со - угловая частота)

=

л^ц/г)^2 Б®2 (^/а)2 Б1ю

2ст2

81

2лт г

(1)

Так как реальный ток элементов в контуре имеет явно выраженный несинусоидальный характер и для анализа ЭМС используются его амплитудночастотные спектры, а также спектры напряженностей электрического и магнитного полей, то для их построения с учетом описания тока контура по результатам моделирования в виде цифрового массива данных необходимо дискретное преобразование Фурье.

Для построения спектров Е и Н, уравнение которых (1) содержит зависимости вида ДО®", непосредственно перед процедурой разложения в ряд Фурье необходимо произвести "-кратное численное дифференцирование исходной функции тока.

Рис. 2. Схема имитационной модели зарядно-разрядного устройства для исследования ЭМС (АБ ~ аккумуляторная батарея; БС - батарея солнечная; СУ - схема управления)

Рис. 3. Ток диодного контура

Рис. 5. Производная тока диода

Проведем расчет напряженности электрического поля диодного контура У01-ЬБ1-С3 по представленной на рис. 2 модели зарядно-разрядного устройства на основе пульсаций тока, полученных в программе Р8рюе (рис. 3).

Используя дискретное преобразование Фурье, разложим ток диодного контура в спектр (рис. 4).

В соответствии с методикой продифференцируем массив данных тока диодного контура и результат подвергнем процедуре дискретного преобразования Фурье (рис. 5).

Аналогичную процедуру проведем для второй производной тока. Построим спектры составляющей Е по первой и второй производным тока с учетом полученной по результатам конструкторской проработки зарядно-разрядного устройства площади диодного контура ¿=4,94.10-3м2 (рис. 6, 7).

Для проверки правильности подхода вычислим аналитически амплитуды составляющих Е в выражении (1) для первой гармоники спектра на частоте 50 кГц

Рис. 7. Спектр составляющей Е по второй производной тока

= (и/г)12 Б1® =

шах1 2ст2

377 • 4,94-10~3 • 2л-50 -103 -4,7185

2 • 3-108-1 = 4,601 мВ/м,

л (и/г)12 81®

(2)

4л3 • 377 • 4,94-10~3 • (50 -103)2 -4,718 9-1016-1 = 30,027 мкВ/м.

Рассчитанные по формулам (2) и (3) значения и данные, см. рис. 6и7 (Ет„,=4,601 мВ/м, Ет„2=30,027 мкВ/м), совпадают.

Результирующее значение напряженности электрического поля в соответствии с (1) равно

Етах = 7 Етах12 + Етах22 = 4, 601 М^М .

Точно так же можно проверить амплитуду каждой из гармоник.

В качестве примера рассмотрим расчет напряженности электрического и магнитного полей зарядно-разрядного устройства с использованием имитационной модели (рис. 2).

Шаг расчета электромагнитных процессов при заданной ширине спектра функции выбирается в соответствии с теоремой Котельникова [2] по формуле

2^’

где F - заданная ширина спектра функций.

В расчете результирующая напряженность поля определялась путем арифметического сложения полей, излучаемых источниками помех, работающими одновременно. На практике поля складываются с учетом их фаз, и результат будет меньше, но для оценки наихудшего случая такой подход является правомерным.

Полученные при расчете спектры Е и Н зарядно-разрядного устройства (рис. 2) сравнивались с экспериментальными (рис. 8, 9), измеренными в диапазоне частот от 0 до 30 МГц [3, 4] с помощью квазипикового анализатора спектра Б8Р 30 в ОАО «НПЦ «Полюс» [5].

Рис. 8.

Значения напряженности электрической составляющей излучаемого электромагнитного поля: Еэксп - экспериментальные; Ерасч - расчетные данные

Рис. 9. Значения напряженности электрической составляющей излучаемого электромагнитного поля: Ншл - экспериментальные; Нрасч - расчетные данные

Из рисунков видно, что спектры электрической и магнитной составляющих поля, полученные экспериментальным путем и с помощью моделирования, совпадают в диапазоне частот от 0 до 30 МГц с точностью до 8 %, что говорит о корректности расчетов и правомерности допущений.

Выводы

Методика проектного анализа электромагнитной совместимости регулирующей аппаратуры автономных систем электропитания позволяет рассчитать амплитудно-частотный спектр излучаемых помех во всем заданном диапазоне частот по вычисленному на имитационной модели току и полученной по результатам конструкторской проработки устройства площади контура, что дает возможность управлять уровнем помех на стадиях конструкторской проработки аппаратуры. Адекватность моделей и методики анализа в целом подтверждается совпадением расчетных и экспериментальных данных, полученных при испытаниях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Барнс Дж. Электронное конструирование. Методы борьбы с помехами: пер. с англ. - М.: Мир, 1990. - 238 с.

2. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Советское радио, 1971. - 354 с.

3. ГОСТ Р 51319-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы для измерения индустриальных радиопомех. Технические требования и методы испытаний. - М.: Госстандарт РФ, 2000. - 65 с.

4. ГОСТ Р 51320-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Радиопомехи индустриальные. Методы испыта-

ний технических средств - источников индустриальных радиопомех. Технические требования и методы испытаний. - М.: Госстандарт РФ, 2000. - 27 с.

5. Шкоркин В.В. Обеспечение электромагнитной совместимости бортовых источников вторичного электропитания подавлением сетевых импульсных помех и рациональной компоновкой силовых элементов: автореф. дис. ... к.т.н. - Томск, 2010. - 129 с.

Поступила 30.06.2010г.