魚雷供電系統電磁兼容性研究與設計

潘 進, 王凱國, 亢 凱, 吳 斌

魚雷供電系統電磁兼容性研究與設計

潘 進, 王凱國, 亢 凱, 吳 斌

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

針對魚雷研制初期供電系統電磁兼容性超標問題, 通過分析魚雷供電系統的組成及其電磁特性, 研究供電系統對雷內電子系統產生電磁干擾的原因和傳輸途徑, 采取抑制電磁干擾的設計措施, 并進行試驗對比驗證, 試驗結果表明, 傳導和輻射干擾均被抑制在國軍標所規定的極限線以下, 滿足總體性能要求。

魚雷; 供電系統; 電磁兼容性; 電磁干擾

0 引言

魚雷是唯一能在水下精確制導的攻防裝備, 是海軍多平臺武器系統的重要戰斗載荷, 隨著軍方對魚雷戰技指標、戰術運用要求的提高, 其電氣復雜程度越來越高、工作電磁環境愈發嚴酷。

魚雷供電系統是為全雷電子組件提供多種能源轉換, 建立電氣傳輸通路, 實現全雷電子系統相互匹配的硬件功能組成系統。其在魚雷內部空間布局分布較廣, 且功能組成復雜, 形成了小信號處理與大電流驅動共存, 高速總線數字通信與微弱模擬信號采樣共存的工作環境。狹小緊密空間內的供電裝置、機械裝置成為電磁干擾的源頭和傳輸途徑, 作為雷內最基本的電子系統其設計效果直接決定了魚雷的電磁兼容特性, 并最終影響著魚雷的電氣性能, 因此供電系統的電磁兼容性設計與考核已經成為魚雷型號研發過程中的重要環節, 是保證魚雷性能的一個關鍵因素。

某型號初期產品在進行電磁兼容性試驗時出現測試結果超標現象, 經分析發射干擾的頻譜特性、雷內電子組件的電氣特性, 最終隔離到魚雷供電系統, 文中對該系統進行特性分析, 定位干擾源、傳輸途徑, 提出設計措施, 并通過相關試驗驗證, 達到提高供電系統電磁兼容性的目的。

1 供電系統組成及電磁干擾特性分析

魚雷供電系統的主要功能是實現全雷的電氣布局(包括供電布局、地線布局和電纜布局等)。具體功能是將武器平臺電源(如火控電源)、化學電源(如電池)、物理電源(如發電機)進行隔離轉換, 按動作時序的要求為雷內各電子系統供電。同時通過雷內電纜連接全雷各電子系統, 實現系統間電氣的可靠傳輸。其核心供電方式采用如圖1所示的分布與集中相結合的三級混合供電體制, 各轉換電源之間相互隔離。

圖1 魚雷三級供電體制

針對供電系統各功能組成單元電磁干擾的產生和傳播途徑做以下具體分析。

1.1 發電機

供電系統中發電機多采用功率質量比較大的永磁發電機, 其模型見圖2, 作為電磁能轉換組件, 其干擾主要源自發電機本體和整流電路; 其氣隙磁場為諧波分量較大的方波, 無法隨負載變化進行自適應調節, 最終導致發電機輸出的交流電具有電壓調整率大和波形畸變率大的特點[1], 該部分干擾會隨繞組線圈傳導至后級整流電路。

發電機繞組輸出的三相交流電通過二極管的自然換相導通實現交-直流(alternating current-direct current, AC-DC)整流, 在進行大功率輸出時, 由于發電機換相過程中整流二極管的非線性工作特性, 導致濾波電容0兩端的電壓0在換相重疊期間出現跳變[2], 同時在自導大功率脈沖發射時的加負載和拋負載現象會導致發電機內產生瞬變自感電動勢, 其作用表征為輸出電壓0的瞬態過沖[3]。由于瞬態過沖時間短且幅值高, 形成諧波成分復雜的寬頻帶干擾, 通過互連線纜的天線效應輻射至雷內空間, 并通過電源線傳導至二級電源, 影響后級系統的電磁兼容性。

圖2 發電機原理圖

1.2 電池

供電系統中電池種類較多, 有一次電池(如熱電池)、二次電池(如鋰電池)等眾多分類, 鈣系熱電池的電化學特性決定其在高溫熔融狀態時, 電解質融化充分度、局部微泄漏情況均會導致其工作時內阻阻值發生變化, 進而導致輸出電壓出現跳動, 形成瞬間電噪聲干擾[4], 鋰系熱電池與之相比電噪聲顯著降低。二次鋰電池簡化模型如圖3所示, 圖中1、2代表等效電阻,代表等效電容。由于電池內部擴散效應、極化效應和集膚效應的存在, 在不同頻率條件下的動態阻抗特性不同, 因此不同干擾激勵流經電池時產生的響應不同, 作為干擾傳輸途徑, 電池和電源線將干擾響應疊加輸出并傳導至雷內二級電源[5]。針對大功率高比能動力電池, 其安裝方式及電化學特性決定了每個單體電池的負極對雷殼之間會產生寄生電容, 多個單體電池串并聯為電池組時其寄生電容分布參數同電池布局方式關聯度較大, 在大功率擾動輸出時各電池單體負極對雷殼電位變化較大, 寄生電容成為共模電流干擾的傳輸途徑, 最終形成傳導輻射, 干擾雷內其他電子系統[6]。

圖3 電池等效模型

1.3 電源轉換及管理裝置

供電系統中電源轉換及管理裝置為二級電源, 其對一級電源進行隔離變換, 并根據動作時序的要求控制電源輸出, 內部既有大功率DC-DC轉換電路, 又有采樣反饋控制電路, 屬于干擾源與敏感電路共存的電子組件。內部DC-DC轉換時, MOS管的高頻開關斬波過程會在電源母線上產生大量的電壓電流階躍變化, 從而形成高次諧波干擾, 表現為反射紋波干擾傳導至上一級電源[7], 同時次級變壓器會將初級高頻干擾耦合至后級電路, 形成高頻脈動電流干擾, 最終傳導至采樣反饋控制電路, 影響其工作的可靠性。

電源管理中的反饋控制功能均采用數字信號處理(digital signal processing, DSP)或現場可編程門陣列(field programmable gate array, FPGA)電路實現, 其中晶振和高速時鐘信號的走線也會產生高頻振蕩信號, 形成電磁干擾輻射至雷內空間[8]。

1.4 電纜

供電系統的電纜通過對外接口將雷內組件同雷外武器系統互連互通, 同時其貫穿全雷的布局設置將空間距離較遠的電子組件連接在一起, 既進行電源功率傳輸又進行信息交互傳輸。電纜線束由多股不同定義的導線組成, 緊密相依的導線之間存在容性耦合和感性耦合關系, 其容性耦合的強度大小和頻率特性與導線之間的分布電容有關, 感性耦合的強度大小與導線間距、干擾電流大小和回路面積等均相關[9], 且長距離線纜傳輸的輻射耦合不能忽視。多種復雜通信信號和功率電源信號均通過電纜束傳輸, 干擾信號會通過導線傳輸的天線效應輻射發射至相鄰導線, 進而傳導至其他電子系統, 同時電纜束會充當天線接收雷內其他干擾源的空間輻射干擾。

2 供電系統電磁兼容性設計

提高供電系統電磁兼容性應從降低干擾源能量、切斷干擾傳輸途徑和提高敏感電路抗干擾能力三方面進行相應的設計, 通過對功能組成及電磁干擾特性分析, 并根據設計可行性和費效比等因素綜合優化考慮, 主要提出以下措施。

2.1 傳導干擾抑制

雷外火控設定電纜是魚雷與武器系統互連的唯一通路, 為抑制傳導干擾對武器系統的影響, 對其傳輸途徑進行濾波處理, 如圖4所示, 初期魚雷內部電源濾波器安裝在跨艙段連接處, 需對前級電源傳導干擾能實現有效抑制, 但為抑制尾段內舵機頻繁操舵的高次諧波干擾通過空間輻射耦合或其倍頻成分干擾以紋波形式傳導至雷外火控電源線, 所采取的優化設計措施為: 在雷外交互接口處采用濾波參數相適應的接口濾波器, 實現電源傳導干擾的雙向抑制。

圖4 傳導干擾抑制措施

同時, 在電源轉換及管理裝置中增加共模抑制電容, 實現共模電流干擾快速泄放至殼體, 再將殼體可靠單點接地, 實現電源傳導干擾的抑制。

2.2 輻射干擾抑制

魚雷供電系統內部電子組件之間已實現電磁自兼容, 結合供電系統組件特點, 綜合采用屏蔽、濾波及接地等手段實現輻射發射干擾源的抑制和傳輸途徑的截斷。

1) 為抑制多級供電體制中隔離變換產生的干擾, 采用逐級濾波方式抑制各級開關頻率的倍頻成分所形成的空間。

2) 為防止系統內干擾信號通過全雷電纜輻射耦合或傳導發射到遠端再輻射至空間, 對全雷電纜采用屏蔽處理并保證屏蔽層連續, 處理方式見圖5。連接器端的屏蔽層采用360°搭接方式, 并通過連接器殼體同雷殼可靠連接[10], 連接器固定端采用導電襯墊的方式實現孔縫的電磁密封填充, 同時, 在電纜束屏蔽層內對關鍵的通信信號、點火信號等敏感信號線采用雙絞多層屏蔽處理。

3) 對輻射發射較強的發電機和電源轉換及管理裝置, 增加可靠接地的屏蔽殼體, 實現對空間耦合傳輸途徑的阻截, 對干擾源發電機采用氣隙磁場設計和分數槽繞組優化設計, 實現輸出電壓的正弦化, 避免過多諧波成分干擾傳導至二級電源。

圖5 電纜屏蔽處理方式

4) 對電源轉換及管理裝置內部高速時鐘信號采用展頻調制技術, 以降低頻譜帶寬峰值功率, 布局走線采用包地覆銅處理以降低其空間輻射。

3 電磁兼容性試驗驗證

電磁兼容性設計效果應經過相關試驗測試進行驗證考核評估, 通過是否對供電系統施加相關措施對比測試結果的方式, 驗證電磁兼容性設計是否合理。以GJB151A-1997的測試條件為要求, 參照GJB152A-1997的測試方法進行CE102和RE102項試驗測試。

3.1 CE102測試結果

CE102測試結果如圖6所示。從圖可知, 供電系統采取前述設計措施后, 傳導干擾從未采取措施超標7 dBμV左右優化至具有10 dBμV的安全裕度, 其主要集中在1~10 MHz, 百千赫茲級別頻段的頻譜分布同電源轉換及管理裝置中DC-DC模塊的開關頻率相近, 通過設計優化實現傳導發射干擾的抑制。

3.2 RE102測試結果

25~30 MHz頻段的RE102測試結果如圖7所示, 未加設計改進措施時存在350 kHz左右間隔的倍頻干擾現象, 其頻率特性同三級電源中DC-DC變換的開關頻率相近, 通過施加設計改進措施后, 超標頻點得到有效抑制。

RE102垂直極化測試結果如圖8所示, 可知供電系統采取前述設計措施后, 從未采取措施前整體包絡曲線超標, 最大超標達25 dBμV/m, 優化至通過極限線考核, 并具有一定的安全裕度, 在10 MHz以下的頻段通過電纜屏蔽處理等措施將干擾抑制在極限線以下。

RE102水平極化測試結果如圖9所示, 可知供電系統采取前述設計措施后, 從最大超標24 dBμV/m優化至具有4 dBμV/m的安全裕度, 在30~60 MHz之間的倍頻干擾以及百兆赫茲級頻段的通信干擾均得到有效抑制。

圖6 CE102測試結果

圖7 RE102超標頻點

圖8 RE102 垂直極化測試結果

圖9 RE102 水平極化測試結果

4 結束語

文中通過對魚雷供電系統電磁特性研究分析, 明確應采取的設計措施, 通過對比試驗結果表明, 相關措施實現了對傳導和輻射干擾的有效抑制, 達到了國軍標的要求。其原理分析和抑制措施對其他類似產品的電磁兼容性設計有一定的參考價值。

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Research and Design of Electromagnetic Compatibility of Torpedo Power Supply System

PAN Jin, WANG Kai-guo, KANG Kai, WU Bin

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

This work studies the electromagnetic compatibility(EMC) of the power supply system that exceeds the standard in the early stage of the development of a torpedo by analyzing the composition and electromagnetic characteristics of the torpedo power supply system, the causes and transmission ways of electromagnetic interference from the power supply system to the electronic system inside the torpedo. The design measures to suppress the electromagnetic interference are taken, the conduction and radiation interference are suppressed below the limit line in the national military standard to meet the general performance requirements.

torpedo; power supply system; electromagnetic compatibility(EMC); electromagnetic interference

TJ630.1; TB71.2

A

2096-3920(2020)04-0456-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.016

2019-05-23;

2019-06-26.

潘 進(1987-), 男, 碩士, 高級工程師, 主要研究方向為魚雷總體技術.

潘進, 王凱國, 亢凱, 等. 魚雷供電系統電磁兼容性研究與設計[J]. 水下無人系統學報, 2020, 28(4): 456-460.

(責任編輯: 許 妍)