Аппаратно-программный комплекс для синтеза и испытаний оптимальной сети высоковольтного электропитания

Изобретение относится к электротехнике. Сущность изобретения заключается в использования представления сети высоковольтного электропитания (СВЭ) при ее проектировании в виде последовательно соединенных отрезков линий передачи и моделирования распространения по ним помеховых сигналов из специализированной базы данных, с последующим анализом всей сети на помехоустойчивость с использованием математического аппарата N-норм. Для экспериментального подтверждения правильности проектирования СВЭ используются устройства для исследований и испытаний на электромагнитную совместимость (ЭМС), позволяющие выполнить измерение уровней кондуктивных и излучаемых помехоэмиссий или оценить ее восприимчивость к электромагнитным помехам. Техническим результатом, на достижение которого направлен аппаратно-программный комплекс (АПК), является синтез оптимальной СВЭ с возможностью последующего экспериментального подтверждения правильности проектирования. 5 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для проектирования и испытания сети высоковольтного электропитания (СВЭ) комплексных систем, состоящих из бортовой радиоэлектронной аппаратуры.

Из патента US 7430729 В2, G06F 17/50, 30.09.2008 известен графический инструмент, с помощью которого пользователь может быстро и эффективно проверить информацию между элементами компьютерной модели, хранящуюся в реляционной базе данных. Изобретение может быть использовано для быстрой проверки правил проектирования, таких как требования минимального расстояния между соединениями (или сетями) в схеме, проектируемой с помощью системы автоматизированного проектирования (САПР). Поскольку разработчик должен задавать такие правила проектирования для каждой схемы, изобретение сначала импортирует эти правила проектирования из компьютерной модели, а затем импортирует стандартный набор правил проектирования. После сравнения обоих наборов правил графический инструмент представляет пользователю графическую информацию в виде матрицы, указывающей, где модель соответствует или не соответствует правилам.

Из патента US 8539422 В2, G06F 9/455, 17.09.2013 известен компьютеризированный способ отображения результатов анализа сети электропитания, связанного с проектированием электронной схемы. Способ может включать в себя получение результата, используя, по меньшей мере, один процессор, модели для каждой из неоднородностей, связанных с конструкцией электронной схемы. Способ также может дополнительно включать в себя анализ цепей электропитания с использованием метода моментов и отображение трехмерных результатов их анализа.

Из патента US 6834380 В2, G06F 9/45, 21.12.2004 известны способ, система и устройство для автоматизированного управления и планирования многослойного размещения электронных устройств и систем с учетом электромагнитной совместимости (ЭМС) на этапе проектирования. Проблемы, которые могут повлиять на производительность системы, прогнозируются, и может быть предложена новая оптимизированная компоновка для снижения электромагнитных помех перед выполнением дорогостоящих этапов прототипирования. Причины подобных проблем идентифицируются с большей вероятностью, чем это возможно из дефектного прототипа, что приводит к сокращению цикла проектирования.

Из патента US 8516431 В2, G06F 17/50, 20.08.2013 известна система проверки правил проектирования, включающая блок проверки правил проектирования, который выполняет проверку согласно правилам и информации о проводных соединениях, содержащей условие ограничения схемы подключения; блок обработки и отображения, генерирующий информацию об ошибке для каждой тактовой частоты всей сети на основании результатов проверки правил проектирования и выводящий информацию на устройство индикации.

Из патента RU 120789 U1, G05B 23/00, 27.09. 2012 известен программно-аппаратный комплекс с нефиксированной конфигурацией, предназначенный для тестирования, исследования качества функционирования и испытания на предмет внешних воздействий радиотехнических систем различного назначения. На практике нефиксированная конфигурация означает наличие возможности оперативно в широких пределах менять структуру, выполняемые функции, тип и технические характеристики радиотехнических систем. Термин «нефиксированная конфигурация» понимается в контексте структурных и принципиальных схем, технических характеристик и набора функциональных возможностей отдельных узлов радиотехнических систем и радиотехнических систем в целом.

Из патента RU 2693636, G06G 7/48, 3.07.2019 известен аппаратно-программный комплекс эмуляции и испытаний, который включает средства эмуляции, а также средства измерений, контроля и/или диагностики состояния испытуемого объекта, а также объект испытаний. Средства эмуляции представляют собой соединенные между собой каналами передачи информации по меньшей мере одно средство формирования модели электрических и информационных систем, по меньшей мере одно средство идентификации модели приема и обработки синхронизированных массивов входных/выходных данных, по меньшей мере одно средство формирования тестов, по меньшей мере одно средство программной эмуляции и по меньшей мере одно средство аппаратной эмуляции, выполненное с возможностью электрического и/или информационного соединения с объектом испытаний, причем по меньшей мере одно средство измерений, контроля и/или диагностики состояния испытуемого объекта выполнено с возможностью оценки и фиксации состояния объекта испытаний и связано каналом передачи информации с по меньшей мере одним средством эмуляции.

Из патента RU 2497282 С1, Н04В, 27.10.2013 известен способ оценки ЭМС бортового оборудования в составе летательного аппарата, который может быть использован при проведении испытаний по оценке влияния на испытываемое оборудование радиопомех от радиоэлектронного оборудования летательных аппаратов в диапазоне частот от 10 кГц до 400 МГц, включая крайние значения диапазона. Техническим результатом является увеличение достоверности и точности испытаний ЭМС оборудования в составе летательного аппарата, которое достигается измерением величины тока, наведенного бортовыми источниками радиопомех в электрических цепях бортового оборудования (в цепях электропитания, в линиях связи или управления), с помощью индукционного измерительного датчика тока и введением в качестве критерия обеспечения ЭМС испытываемого бортового оборудования коэффициента запаса ЭМС, определение которого в процессе испытаний позволит оценить не только наличие, но и степень воздействия радиопомех на оборудование. Источниками радиопомех являются радиопередатчики летательного аппарата, поочередно воздействующие через бортовые передающие антенны на электрические цепи бортового оборудования радиопомехами в диапазоне частот от 10 кГц до 400 МГц.

Из патента CN 103323668 B, G01R, 25.09.2013 г. известен метод контроля ЭМС силовой шины электропитания космического аппарата (КА) в радиочастотном диапазоне, обеспечивающий два вида испытаний на излучаемые и кондуктивные эмиссии. Для измерения эмиссий используются испытательные зонды, охватывающие полюса шины, которые подключены к осциллографу и анализатору спектра через конденсатор 10 мкФ. Недостатком изобретения является отсутствие программных средств для проектирования сети высоковольтного электропитания (СВЭ).

Наиболее близким к заявляемому комплексу является, известный из патента RU 90589 U1, G05B 23/02, 10.01.2010, автоматизированный комплекс наземного контроля и испытаний систем электроснабжения космических аппаратов, содержащий блок измерительных приборов, блок формирования стимулирующих сигналов, анализатор состояний контактов реле и датчиков, блоки синхронизации, коммутаторы, имитатор солнечной батареи, блок имитации аккумуляторной батареи, блок имитации нагрузок, имитатор переменной частотно-регулируемой нагрузки, контрольно-испытательную станцию, включающую шинный коммутатор, измеритель параметров импульсов напряжения, блок управления, анализатор состояния релейных датчиков, анализатор состояния электронных датчиков, формирователь команд управления, формирователь автономных команд управления, управляющую ЭВМ для хранения базы данных и программ работы комплекса, и связанную по интерфейсу Ethernet с вышеуказанными блоками и устройствами посредствам собственных контроллеров Ethernet. Комплекс предназначен для наземного контроля и испытаний систем электроснабжения космических аппаратов, который относится к средствам автоматизированного контроля, и обеспечивающий полностью автоматический режим проведения испытаний электронного оборудования сложных объектов, включая системы электроснабжения космических аппаратов, характеризующихся повышенными требованиями к надежности. Комплекс может использоваться на этапах операционного контроля, заводских и приемосдаточных испытаний.

Недостатком комплекса-прототипа является отсутствие аппаратных средств, позволяющих проводить исследования и испытания элементов СВЭ на ЭМС, а именно на кондуктивные и излучаемые электромагнитные эмиссии и воздействия на испытуемый объект. Также в управляющей ЭВМ отсутствуют программные средства проектирования СВЭ и базы данных помеховых сигналов.

Заявляемый АПК, содержащий испытуемый объект, измерительные приборы, коммутатор, блок имитации аккумуляторной батареи, блок имитации нагрузок, управляющую ЭВМ для хранения базы данных и программ работы комплекса, связанную собственным контроллером с интерфейсом Ethernet с блоками и устройствами посредством собственных контроллеров Ethernet, отличающийся тем, что содержит высокочастотный коммутатор, входные и выходные порты которого соединены с входными и выходными портами блока измерительных приборов, состоящего из высокочастотного генератора, усилителя мощности, измерительного приемника, эквивалента сети и устройства климатической экранированной камеры или полосковой линии, которые являются источниками или приемниками сигнала помехи, кондуктивно или излучаемо воздействующего на испытуемый объект, подключенный к имитаторам аккумуляторной батареи и нагрузки, через, по меньшей мере, один модальный фильтр и эквивалент сети, позволяющие предотвратить попадание сигнала помехи на имитаторы и подвести сигнал помехи к коммутатору для отображения на измерительном приемнике, который при помощи собственного контроллера Ethernet подключен к управляющей ЭВМ, содержащей специализированное программное обеспечение, позволяющее отобразить сигнал помехи, а также выполнить проектирование испытуемого объекта, оперируя электрическими и геометрическими параметрами проводников отрезков линий передачи, анализируя их взаимовлияния между собой и используя базу данных сигналов помехи с математическим аппаратом N-норм, позволяющим оценить ослабление сигнала помехи испытуемым объектом.

Достоинством заявляемого АПК, в отличие от АПК-прототипа, является возможность проектирования СВЭ с учетом требований ЭМС, основанного на математическом моделировании, с последующим экспериментальным подтверждением.

Техническим результатом, на достижение которого направлен предлагаемый АПК, является синтез оптимальной СВЭ с возможностью последующего экспериментального подтверждения правильности проектирования.

Технический результат достигается за счет использования представления СВЭ при ее проектировании в виде последовательно соединенных отрезков линий передачи и моделирования распространения по ним помеховых сигналов из специализированной базы данных, с последующим анализом всей сети на помехоустойчивость с использованием математического аппарата N-норм. Для экспериментального подтверждения правильности проектирования СВЭ используется устройства для исследований и испытаний на ЭМС, позволяющие выполнить измерение уровней кондуктивных и излучаемых помехоэмиссий или оценить ее восприимчивость к электромагнитным помехам.

Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более, не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:

На фиг. 1 приведена общая схема заявляемого АПК для синтеза и испытаний элементов и узлов сети высоковольтного электропитания.

На фиг. 2 приведена схема оценки уровня излучаемой восприимчивости ИО к электромагнитному полю (ЭМП) при помощи заявляемого АПК.

На фиг. 3 приведена схема оценки уровня излучаемой помехоэмиссий ЭМП от испытуемого объекта (ИО) при помощи заявляемого АПК.

На фиг. 4 приведена схема оценки уровня кондуктивной восприимчивости ИО при помощи заявляемого АПК.

На фиг. 5 приведена схема оценки уровня восприимчивости ИО к воздействию электростатического разряда (ЭСР) при помощи заявляемого АПК.

АПК для синтеза и испытаний оптимальной СВЭ элементами которой являются ИО 1, представляющие помехозащитный фильтр, входящий в СВЭ, силовую шину электропитания и/или электрические проводные отводы, включает эквиваленты сети 2, модальные фильтры 3, имитатор аккумуляторной батареи 4, имитатор нагрузки 5, коммутатор СВЧ-сигналов 6, фазовращатель/фазоращепитель 7, устройство полосковой линии или климатическую экранированную камеру 8, контрольно-измерительные приборы 9, ЭВМ со специализированным программным обеспечением 10, имитатор ЭСР 11.

Принцип работы программной части АПК основывается на оперировании электрическими и геометрическими параметрами отрезков линий передачи. При этом для анализа их взаимовлияний между собой и другими отрезками линий передачи используется специализированная база данных и математический аппарат N-норм, позволяющий оценить ослабление сигналов, являющихся помеховыми для СВЭ, и принять в случае необходимости, соответствующие решения по изменению параметров линий передачи электроэнергии и в случае необходимости ее перепроектировать. Экспериментальное подтверждение правильности принятых решений в ходе проектирования выполняется при помощи аппаратной части АПК. Принцип работы которой возможен в режимах «оценка уровня излучаемой восприимчивости ИО к ЭМП», «оценка уровня излучаемой помехоэмиссий ЭМП от ИО», «оценка уровня кондуктивной восприимчивости ИО», «оценка уровня восприимчивости ИО к ЭСР». Каждая оценка может быть выполнена при минимальном, номинальном и максимальном токе потребителя, который может быть задан имитаторами аккумуляторной батареи и нагрузки.

В режиме «оценка уровня излучаемой восприимчивости ИО к ЭМП» ИО 1 подключается к имитаторам аккумуляторной батареи 4 и нагрузки 5 через ЭС 2 и модальный фильтр 3, тем самым позволяя подвести ток постоянной составляющей на ИО и предотвратить попадание напряжения помехи в имитаторы 4 и 5. Ток помехи наводится на ИО 1 от возбуждаемого ЭМП при помощи полосковых структур, расположенных в устройстве полосковой линии или климатической экранированной камеры 8. Возбуждение ЭМП в устройстве 8 возможно от генератора СВЧ сигнала 12, амплитуда напряженности электрического поля которого может регулироваться усилителем мощности СВЧ 13. Сигнал от усилителя мощности 13 проходит через СВЧ коммутатор 6 на фазовращатель/фазоращепитель 7, который позволяет разделить входной сигнал на множество фаз и подвести его к определенной группе проводников при помощи полосковой линии или климатической экранированной камеры 8, что позволяет в зоне ИО 1 возбудить ЭМП с заданной поляризацией и минимальной неравномерностью. Воздействие ЭМП на ИО 1 наводит ток помехи, которая через ЭС 2 и коммутатор СВЧ сигналов 6 проходит на вход измерительного приемника 14, где он обрабатывается, оцифровывается и передается по шине данных 15 на АРМ оператора 10. Данные с измерительного приемника 14 отображаются в виде частотной зависимости амплитуды воздействующего ЭМП на ИО 1 и напряжения на входе измерительного приемника 14. Это дает возможность проводить на АПК оценку уровня излучаемой восприимчивости ИО к ЭМП. Электрическая цепь протекания постоянного тока (полезного сигнала) через ИО 1: имитатор аккумуляторной батареи 4, модальный фильтр 5, ЭС 2, ИО 1, ЭС 2, модальный фильтр 3, имитатор нагрузки 5. Электрическая цепь протекания переменного тока (помехового сигнала): генератор СВЧ 12, усилитель мощности 13, коммутатор СВЧ-сигналов 6, фазовращатель/фазоращепитель 7, устройство полосковой линии или климатической экранированной камеры 8, ИО 1, ЭС 2, коммутатор СВЧ сигналов 6, измерительный приемник 14.

В режиме «оценка уровня излучаемой помехоэмиссий ЭМП от ИО» ИО 1 подключается к имитаторам аккумуляторной батареи 4 и нагрузки 5 через ЭС 2 и модальные фильтры 3. При этом отличительной особенностью данного режима является коммутация группы СВЧ сигналов таким образом, чтобы сигнал помехи от генератора 12 и усилителя мощности 13 СВЧ-сигнала подводится к ИО 1 через ЭС 2. Излучаемая помеха от ИО 1 посредствам электромагнитных связей наводит ток на полосковых структурах полосковой линии или климатической экранированной камеры 8, который через фазовращатель/фазоращепитель 7 и коммутатор СВЧ сигналов 6 приходит на вход измерительного приемника 14, посредством которого обрабатывается, оцифровывается и передается по шине данных 15 на АРМ оператора 10. Данные отображаются на АРМ оператора 10 в виде частотной зависимости амплитуды наводимого ЭМП на полосковые структуры устройства 8 и напряжения подводимого к ИО 1 от коммутатора СВЧ-сигналов 6. Это дает возможность на АПК проводить оценку уровня излучаемой помехоэмиссий ЭМП от ИО. Электрическая цепь протекания постоянных токов (полезного сигнала) через ИО 1 остается неизменной, а электрическая цепь для переменных токов (помехового сигнала) включает генератор СВЧ 12, усилитель мощности 13, коммутатор СВЧ-сигналов 6, ЭС 2, ИО 1, ЭС 2, полосковая линия или климатическая экранированная камера 8, фазовращатель/фазоращепитель 7, коммутатор СВЧ сигналов 6, измерительный приемник 14.

В режиме «оценка уровня кондуктивной восприимчивости ИО» ИО 1 подключается аналогично к имитаторам аккумуляторной батареи 4 и нагрузки 5 через эквиваленты сети ЭС 2 и модальные фильтры 3. Отличительной особенностью данного режима является коммутация группы СВЧ сигналов таким образом, что сигнал помехи от генератора 12 и усилителя мощности 13 СВЧ-сигналов подводится к ИО 1 через первый ЭС 2 и модальный фильтр 3, расположенные со стороны имитатора аккумуляторной батареи 4. Помеха проходит через ИО 1 и снимается со второго ЭС 2, расположенного со стороны имитатора нагрузки 5, через коммутатор СВЧ сигналов 6 измерительным приемником 14, которым сигнал помехи обрабатывается, оцифровывается и передается по шине данных 15 на АРМ оператора 10. Данные отображаются в виде частотной зависимости отношения амплитуд входного и выходного сигналов помехи с ИО 1, тем самым на АПК проводят «оценку уровня кондуктивной восприимчивости ИО к заданному уровню сигнала помехи». Электрическая цепь протекания постоянного тока (полезного сигнала) через ИО 1 остается неизменной, а электрическая цепь для переменного тока (помехового сигнала) включает генератор СВЧ 12, усилитель мощности СВЧ 13, коммутатор СВЧ-сигналов 6, ЭС 2, ИО 1, ЭС 2, коммутатор СВЧ сигналов 6, измерительный приемник 14.

В режиме «оценка уровня восприимчивости ИО к воздействию ЭСР» ИО 1 подключается аналогично к имитаторам аккумуляторной батареи 4 и нагрузки 5 через ЭС 2 и модальные фильтры 3. Отличительной особенностью данного режима является коммутация группы СВЧ сигналов таким образом, что при воздействии имитатором ЭСР 11 на ИО 1 ток ЭСР распространяется по экранирующим электромагнитным барьерам ИО 1 и, за счет электромагнитных связей, наводит на электрические проводники ток помехи, которая проходит через ЭС 2, коммутатор СВЧ сигналов 6 и попадает на вход измерительного приемника 14, которым сигнал помехи обрабатывается, оцифровывается и передается по шине данных 15 на АРМ оператора 10. Данные отображаются в спектральном виде, что свидетельствует об уровне восприимчивости ИО 1 к воздействию ЭСР, тем самым при помощи АПК проводят «оценку уровня восприимчивости ИО к ЭСР». Электрическая цепь протекания постоянного тока (полезного сигнала) через ИО 1 остается неизменной, а электрическая цепь протекания токов ЭСР (помехового сигнала) включает имитатор ЭСР 11, ИО 1, ЭС 2, коммутатор СВЧ-сигналов 6, измерительный приемник 14.

Аппаратно-программный комплекс для синтеза и испытаний оптимальной сети высоковольтного электропитания, содержащий испытуемый объект, измерительные приборы, коммутатор, блок имитации аккумуляторной батареи, блок имитации нагрузок, управляющую ЭВМ для хранения базы данных и программ работы комплекса, связанную собственным контроллером с интерфейсом Ethernet с блоками и устройствами посредством собственных контроллеров Ethernet, отличающийся тем, что содержит высокочастотный коммутатор, входные и выходные порты которого соединены с входными и выходными портами блока измерительных приборов, состоящего из высокочастотного генератора, усилителя мощности, измерительного приемника, эквивалента сети и устройства климатической экранированной камеры или полосковой линии, которые являются источниками или приемниками сигнала помехи, кондуктивно или излучаемо воздействующего на испытуемый объект, подключенный к имитаторам аккумуляторной батареи и нагрузки, через, по меньшей мере, один модальный фильтр и эквивалент сети, позволяющие предотвратить попадание сигнала помехи на имитаторы и подвести сигнал помехи к коммутатору для отображения на измерительном приемнике, который при помощи собственного контроллера Ethernet подключен к управляющей ЭВМ, содержащей специализированное программное обеспечение, позволяющее отобразить сигнал помехи, а также выполнить проектирование испытуемого объекта, оперируя электрическими и геометрическими параметрами проводников отрезков линий передачи, анализируя их взаимовлияния между собой и используя базу данных сигналов помехи с математическим аппаратом N-норм, позволяющим оценить ослабление сигнала помехи испытуемым объектом.