Улучшение электромагнитной совместимости в преобразователе тока БП СКВ



Оглавление

Введение 7

1. Требование по ЭМС на МКС……………………………………………….…....11

2. Схема и конструкция преобразователя тока БП СКВ……………….……....18

2.1 Блок питания системы кондиционирования воздуха на МКС………..............…...18

2.2  Плата управления преобразователя тока БП СКВ…………………………………………...23

3. Анализ помех преобразователя тока БП СКВ…………………….……..........32

3.1 Измерение уровня помех в преобразователе тока БП СКВ…….……………............32

3.2 Анализ помех преобразователя тока……………………………………………………………..…37

4. Снижение уровня помех преобразователя тока……………………........…....434.1 Система распределения питания…………………………………………………………..…….…...43

4.2 Допустимый уровень помех……………………………………………………………………………...48

4.3 Влияние помех на БП СКВ…………………………………………….………………………….....…...49

4.4 Методы снижения уровня помех………………………………………………….………..……......50

4.5  Расчет развязывающих емкостей………………………………………………………………..…...58

5. Модернизированная плата управления БП СКВ………………………...…...64

5.1 Описание модернизированной платы ………………………………..………………...……....64

5.2 Анализ помех преобразователя тока БП СКВ с модифицированной        платой…………………………………..…………………………………………………………………………..........70

6. Заключение………………………………………………….…………….…...…..73

7. Список использованной литературы………………………………………..…75

Введение

В 1993 году четырнадцать стран мира объединились для создания нового проекта – Международная космическая станция (далее МКС). В этом проекте, безусловно, лидерами стали США и Россия. Осуществление сборки новой орбитальной станции происходило с 1998 года. Первый модуль «Заря» вывела на орбиту Россия, затем американцы состыковали к нему свой модуль «Юнити». В 2000 году к модулю «Заря» был присоединен служебный модуль «Звезда». В этом же году к станции стартовала первая международная экспедиция. До 2010 года на американских шаттлах были успешно доставлены модули и оборудование для достройки станции. Модернизация МКС происходит по сегодняшний день. Сотни и тысячи экспериментов, которые проводятся на борту МКС космонавтами, требует постоянного обновления и модернизации аппаратуры как внутри, так и снаружи станции.

Что касается экспериментов, проводимых на МКС, то можно сказать только одно, это уникальная,  сложная работа направлена на развитие всех сфер жизнедеятельности человека. В нее входят исследование физико-химических процессов в условиях отсутствия гравитации и условиях микрогравитации, геофизические процессы, изучение околоземного космического пространства, проведение сложнейших медико-биологических экспериментов, дистанционное зондирование земли, исследование солнечной системы, разработка космических биотехнологий, множество различных технических исследований, астрофизика, исследование физических условий в условиях космоса на борту МКС и др.

Серьезным вопросом стало обеспечение комфортного состояния  космонавтов  во время пребывания на орбитальной станции МКС. Этот сложный инженерный объект нуждается в постоянном питании и реконструкции. Энергию для питания МКС берет из солнечных батарей. На орбите земли единственным способом получение энергии является преобразование света в энергию с помощью солнечных батарей.

Чтобы на орбитальной станции МКС смогли жить люди, туда доставляют на грузовых кораблях кислород. Но наличие на станции одного кислорода не сможет обеспечить космонавтам комфортное пребывание внутри МКС. Думая о том как возможно максимально обеспечить комфортную обстановку космонавтам, что бы они смогли выполнять сложные экспериментальные исследования, была создана система кондиционирования воздуха (далее СКВ). СКВ питанием обеспечивает блок питания системы кондиционирования воздуха (далее БП СКВ), который является важнейшим прибором на орбитальной станции, так как именно от него зависит жизнь космонавтов.

Для того, что бы БП СКВ работал в штатном режиме, необходимо выполнять определенные требования.  Этот прибор работает с большими импульсными токами, которые, несомненно, создают большие помехи внутри прибора.

Большие импульсные токи создают электромагнитные помехи, которые сбивают алгоритм работы, как отдельных узлов, так и прибора в целом.

Электромагнитные помехи (далее ЭМП) – негативное воздействие на электронное оборудование электрическим, магнитным или электромагнитным полем, которое может привести как к сбою работы, так и к отказу этого оборудования.

Электромагнитная совместимость (далее ЭМС) – это способность электронного оборудования выполнять свое рабочее назначение в условиях электромагнитной обстановки с другими электронными средствами и при этом не создавать помех, которые бы могли оказывать негативное влияние на эти электронные средства.

В данной работе будет рассмотрен преобразователь тока блока питания системы кондиционирования воздуха на МКС. Будет исследована плата управления БП СКВ на ЭМС, так как она является наиболее чувствительным с точки зрения ЭМС компонентом данного прибора.

Целью данной работы является улучшение электромагнитной совместимости в преобразователе тока БП СКВ, соответственно повышение стабильности его работы с помощью методик снижения уровня помех в системе питания платы управления и, как следствие, ее модернизацию.

Предметом исследования являются методы снижения уровня помех и их применение для снижения уровня помех в блоке питания системы кондиционирования воздуха на МКС.

Постановка задачи на данную работу – проведение анализа уровня помех в системе распределения питания платы управления преобразователя тока БП СКВ, анализ помех влияющих на прибор, разработка рекомендаций по усовершенствованию платы управлений и модернизация платы управления.

Проблема ЭМС можно разделить на два направления. К первой части можно отнести межсистемную ЭМС, а ко второй части отнести внутрисистемную ЭМС. Межсистемная ЭМС рассматривает взаимное влияние различных радио систем и электромагнитную обстановку на функционирование систем. Внутрисистемная ЭМС касается разработки и проектирования электронного средства. Особую роль играют вопросы, связанные с ЭМП при  проектировании космических аппаратов, так как это может за собой повлечь не поправимые последствия. В космическом пространстве источниками ЭМП являются техногенные процессы.

Электронные средства, как правило, характеризуются помехоэмиссией и восприимчивостью. Требование к параметрам электронного оборудования зависят от его назначения и описываются в стандартах. Соблюдение требований стандартов при проектировании электронного оборудования гарантирует, что электронное оборудование будет работоспособно, и не будет мешать работе рядом находящихся других электронных объектов. Технические регламенты должны выполняться в строгом порядке при разработке электронного изделия. О высоких требованиях при разработках так же нам говорит высокий уровень испытаний на ЭМС.

В работе электронного оборудования помехоэмисссия и помехозащищенность играют одинаково важную роль в работе и поэтому необходимо учитывать обе составляющие при проектировании с учетом ЭМС.

Для того, что бы разработка электронного изделия завершилась успешно с точки зрения ЭМС, существуют рекомендованные измерительные методики. Так же существуют предельные значения параметров и характеристик ЭМС, которые применяются при тестировании оборудования. Что бы проанализировать электромагнитную совместимость необходимо знать основные составляющие: источник  помех – среда распространения помех – рецептор помех. Источник помех негативно влияет на рецептор при помощи проводов или электромагнитным излучением. Помеха может распространяться по сигнальным цепям, цепям питания и управления, по линиям передачи данных и через открытое пространство.

На данный момент вопрос электромагнитной совместимости более чем актуален, так как в электронных изделиях по мере продвижения техногенного процесса стремительно возрастают рабочие частоты. Высокие частоты опасны своим свойством проникновения. Именно из-за высокого уровня способности к  проникновению в электронные приборы выходят и жесткие требования при тестировании на ЭМС.

  1. Требования по ЭМС на МКС.

Международная космическая станция – самый амбициозный проект человечества, в ее состав входит функционально – грузовой блок «Заря», узловой модуль «Юнити», служебный модуль «Звезда», Секция Р6, лабораторный модуль «Дестинити», шлюзовая камера «Quest», стыковочный отсек «Пирс», японский модуль «Кибо», лабораторный модуль «Коламбус», модуль «Транквилити» и малые исследовательские модули.

Рисунок 1. МКС.

Так как объектом данной работы является преобразователь тока БП СКВ, то мы будем рассматривать именно ту часть орбитальной станции, где он установлен, а именно российский сегмент МКС (РС МКС).

Рисунок 2. Российский сегмент МКС.

Требования по ЭМС для аппаратуры, находящейся на борту МКС

Бортовая аппаратура питается от постоянного источника тока системы электропитания МКС. Напряжение питания на входе находится в пределах 23-29В. Средства бортовой автоматики модуля обеспечивают двухполюсную коммутацию  первичного  питания, поступающего в аппаратуру, а также защиту каналов питания от возможных токовых перегрузок и коротких замыканий в кабельной сети и аппаратуре.

Требования по ЭМС на низких частотах: Пиковые значения напряжения низкочастотных помех (Uпик), создаваемых оборудованием в цепях питания ±28 В модулей РС МКС не должны превышать значений, приведенных на графике (рис.3):

Рисунок 3. Уровень допустимых помех.

Где: f – частота(кГц). Полоса измерений должна быть не уже: 10 Гц в диапазоне от 30 Гц до1 кГц; 100 Гц в диапазоне от 1 до10 кГц.

Пиковые значения напряжения радиопомех не должны превышать значений приведенных на графике (рис.4):

Рисунок 4. Уровень допустимых помех. Пиковые значения напряжения радиопомех.

Полоса измерений должна быть не уже: 1 кГц в диапазоне от 0.01 до 0.15 МГц; 10 кГц в диапазоне от 0.15 до 30.0 МГц; 100 кГц в диапазоне от 30 до100 МГц.

Оборудование, установленное на РС МКС, не должно создавать помех, которые превышают пределы, приведенные на графике (рис.5). Свыше 30 МГц соответствие пределам должно быть обеспечено для горизонтально и вертикально поляризованных волн.

Напряженность электрического поля

Рисунок 5. Уровень допустимых помех. Напряженность электрического поля.

Полоса измерений должна быть не уже: 1 кГц в диапазоне от 0.01 до 0.15 МГц; 10 кГц в диапазоне от0.15 до30.0 МГц; 100 кГц в диапазоне от30 до1000 МГц; 1 МГц свыше1000 МГц.

Устойчивость оборудования к электромагнитным помехам.

Низкие частоты.Пиковые значения напряжения низкочастотных помех в  цепях питания ±28 В модуля приведены на графике (рис.6).

Рисунок 6. Уровень допустимых помех. Пиковые значения напряжения низкочастотных помех.

Индустриальные радиопомехи

Пиковые значения напряжения индустриальных радиопомех в цепях питания ±28 В модулей РС МКС приведены на графике ниже (рис.7).

Рисунок 7. Уровень допустимых помех.

Импульсные помехи.

Воздействие импульсных помех характеризуется следующими параметрами:

- амплитуда и длительность тестового импульса;

- длительность фронтов не более 5 % от длительности импульса;

- частота повторения 1 Гц в течение 1 мин (или в течение периода времени, необходимого для оценки функционирования).

В таблице №1 представлены характеристики  импульсных помех между шинами питания:

Таблица №1. Характеристики импульсных помех.

Характеристики импульсных помех между каждой из шин питания и корпусом:

Таблица №2. Характеристики импульсных помех.

Характеристика

Значение характеристик

Длительность импульса

50

100

200

300

МКС

Амплитуда импульса

+35

-35

+35

-35

+10

-10

+10

-10

Пиковые значения напряженности электрического поля внутри модулей РС МКС:

Напряженность электрического поля внутри модуля (рис.8).

Рисунок 8. Напряженность электрического поля.

Излучаемые радиопомехи снаружи МКС

Пиковые значения напряженности электрического поля снаружи РС МКС приведены на графике (рис.9).

Напряженность электрического поля снаружи РС МКС

Рисунок 9. Напряженность электрического поля снаружи РС МКС.

Напряженность поля может принимать значение от 134 дБ мкВ/м до указанной величины в зависимости от места размещения прибора. Излучаемый сигнал промоделирован по амплитуде с частотой 1 кГц и глубиной модуляции 50 %. Контроль технических характеристик радиоприемников, радиопередатчиков и антенн на соответствие нормам "Регламента радиосвязи" проводится по методикам, удовлетворяющим требованиям.

2. Схема и конструкция преобразователя тока БП СКВ.

2.1 Блок питания системы кондиционирования воздуха на МКС.

Рисунок 10. Блок питания системы кондиционирования воздуха. Конструкция  БП СКВ.

Рисунок 11. Функциональная схема БП СКВ.

П – преобразователь тока; ПУ – плата управления; В – выпрямитель; Ф – фильтр; ФФ – фазовый формирователь.

Назначение БП СКВ: повышение постоянного напряжения 27 – 140 В и преобразование постоянного напряжения 140 В в переменное трехфазное напряжение.

Схема преобразователя тока БП СКВ.

Рисунок 12. Схема преобразователя тока БП СКВ.

На схеме видно, что конструктивно блок состоит из преобразователя напряжения и платы управления. На схеме так же видна конструкция самого преобразователя. Она включает в себя силовой мост, плату конденсаторов, блок выпрямителей, блок трансформаторов и конденсаторов, демпфер, теплоотвод демпфера, выходной фильтр.

Рассмотрим детально каждый узел.

Рисунок 13. Схема силового моста.

На схеме показано четыре ключа, они же являются МОП – транзисторами, задача этих ключей коммутировать напряжение на первичной обмотке трансформатора.

Управление МОП – ключами идет через плату управления.

Блок трансформаторов и конденсаторов. Обозначение на общей схеме – А 3. Состоит из повышающего трансформатора и 16 конденсаторов (против режима насыщения). Конденсаторы пропускают через себя большой ток из расчета 1 А на 1 мкФ. Где суммарная ёмкость выходит не меньше 32 мкФ. Для контроля тока стоит датчик, который позволяет определить превышение по току и дать сигнал плате управления.

Рисунок 14. Блок выпрямителей.

В этом блоке происходит выпрямление напряжения. Переменное напряжение с вторичной обмотки трансформатора приходит на блок выпрямителей, где преобразуется в постоянное напряжение. Эта часть конструкции является опасной, так как в ней могут происходить резонансы напряжения (до 600В). Скачок напряжения очень опасен для рядом находящихся электронных узлов, поэтому к блоку выпрямителей присоединен демпфер.

Демпфер.Обозначение на общей схеме - А 5.

Демпферная схема является своего рода накопительной системой для напряжения, которое превышает норму. Этот узел забирает избыточный потенциал напряжения и чтобы он не переходил в режим насыщения, к нему присоединен теплоотвод.

Теплоотвод демпфера. Обозначение на общей схеме - А 7.1. В состав теплоотвода демпфера входит транзистор (ключ), дроссели и выпрямители. При работе ключа в открытом состоянии в цепи формируется напряжение 280 В. Для того, что бы уменьшить напряжение с 280В до 140В (которые необходимо иметь на выходе преобразователя БП СКВ) дополнительно подключают нагрузку. В закрытом состоянии ключа (пауза) нагрузку питает дроссель.

Для фильтрации бортового питания и защиты от наведенных (кондуктивных) помех используется плата конденсаторов (фильтр).

Рисунок 15. Блок конденсаторов.

2.2 Плата управления преобразователя тока БП СКВ.

Плата управления преобразователя тока БП СКВ имеет пять слоев.

Рисунок 16. Схема слоев печатной платы управления до модернизации.

Электрическая схема платы управления включает в себя:

Источник питания – 12 В, который выполнен как импульсный стабилизатор напряжения. Данный узел электрической схемы формирует и распределяет питание для всей печатной платы.

Рисунок 17. Схема источника питания.

Контроллер для управления силовым мостом.В него входит микросхемаD10 - сам контроллер и драйвера ключейD14 иD15. Из этого узла подаются сигналы для переключения транзисторов силового моста, с помощью которых формируется выходное напряжение преобразователя тока БП СКВ.

Рисунок 18. Схема контроллера.

Схема обратной связи. В нее входят элементыD9,D11,D16,T3. В этом узле осуществляется передача информации о выходном напряжении на главный контроллерD10. Схема так же стабилизирует напряжение на выходе преобразователя тока БП СКВ.

Рисунок 19. Схема обратной связи.

Схема нарастания напряжения. Состоит из элементовD2-D7. Представляет собой делитель напряжения контроллераD10, который управляется внешним сигналом.

От схемы формирователя фаз на делитель поступает импульсный сигнал. На вход делителяD2 поступает 16 импульсов в течение 12 секунд, благодаря этому напряжение на выходе преобразователя тока БП СКВ повышается до 140В. Такая операция необходима для мягкого запуска мотора компрессора.

Рисунок 20. Схема нарастания напряжения.

Рисунок 21. Схема платы управления.

Рисунок 22.Top (Верхний слой).

Рисунок 23. Внутренний аналоговый слой.

Рисунок 24. Слой питания.

Рисунок 25. Внутренний цифровой слой.

Рисунок 26.Bottom (Нижний слой).

Структура слоев платы управления

Таблица №3. Структура слоев платы управления

Слои

Назначение

Толщина

слоя

Толщина

Фольги

Ширина проводников

Top

(верхний)

Сторона

для

установки

компонентов

35 мкм

0,3 мкм

0,3 мм

10мм

Первый внутренний

Аналоговый

слой

35 мкм

0,3 мкм

0,3 мм

10мм

Питание

Проведение питания

в плате

35 мкм

0,3 мкм

0,3 мм

10мм

Второй внутренний

Цифровой

слой

35 мкм

0,3 мкм

0,3 мм

10мм

Bottom

Нижний

Сторона для

Установки

компонентов

35 мкм

0,3 мкм

0,3 мм

10мм

Материал платы – стеклотекстолит. Толщина всей платы составляет 2мм (±0.1). Фольга – медь. Толщина диэлектрика и толщина меди - 0.3/35 мкм (0.3 – металл, 35 – диэлектрик).

Рисунок 27. Фотография плата управления БП СКВ.

3. Анализ помех в преобразователе тока БП СКВ.

3.1 Измерение уровня помех в преобразователе тока.

В данной работе был