某型艦載電子設備CE101測試整改分析

王威，姜春輝，熊亞麗

（成都新欣神風電子科技有限公司，成都 611731）

引言

隨著電力電子技術的高速發(fā)展，各類電力電子設備及非線性負載被廣泛應用于民用、工業(yè)、軍事等領域，這些電子設備及負載產(chǎn)生的電磁干擾及諧波電流將局部電磁環(huán)境復雜化[1]，直接影響周圍其它電子設備的正常工作或帶來潛在隱患[2]。電磁干擾及諧波電流導致的問題日趨嚴重,有效抑制與治理電磁干擾及諧波電流日趨引起人們的重視[3]。

在軍事及其相關領域，最常用的電磁兼容標準是 GJB 151A-1997《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》（以下簡稱“GJB 151A”）及在之基礎上補充完善的GJB 151B-2013《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》，上述標準里規(guī)定了各軍種平臺不同設備與分系統(tǒng)的測試項目、要求、限值和方法[4]。

據(jù)統(tǒng)計，在電磁兼容測試項目中，80 %以上的超標問題集中在CE101測試及RE102測試[5]，本文重點分析CE101測試項。CE101，即 25 Hz~10 kHz 電源線傳導發(fā)射，是上述標準中最常用的測試項之一。該項目適用于測試水面艦船、潛艇、陸軍飛機（包括機場維護工作區(qū)）和海軍飛機上的電源線，包括電源回線。測試流經(jīng)這些電源線上的諧波電流幅值并與標準限值進行對比。CE 101考核的目的即是通過測試、對比及整改，對電源線上的倍頻諧波電流進行抑制處理，減小對輸入電源的污染，提高供電電源的電能質(zhì)量。

1 受試設備及測試配置

本次測試的設備為某艦船用電子設備控制機柜，三相380 V/50 Hz供電。本次測試的地點為中國電子科技集團公司某研究所電磁兼容暗室。測試時實驗室溫度、濕度均符合標準所要求的環(huán)境條件。受試設備照片如圖1所示。

圖1 受試設備外觀照片

2 測試結(jié)果

該型艦載電子設備CE101測試結(jié)果如圖2所示，該圖為 GJB 151A 中規(guī)定的水面艦船（50 Hz，輸入功率大于1 kVA）的限值曲線和測試結(jié)果曲線關系圖。按照標準GJB 151A要求，當設備輸入電源功率大于1 kVA，且設備和分系統(tǒng)的基波電流I基大于1A時，限值放寬20lgI基dB，即限值線放寬20lg5.3＝14.5 dB，即為圖2中CE101-2 More than 1KVA-5.3A限值曲線。當測試結(jié)果曲線全部位于CE101-2 More than 1KVA-5.3A限值曲線下方時，測試結(jié)果為合格，否則為不合格。由圖2可以看出，該受試設備的3次（150 Hz）、5次（250 Hz）及7次（350 Hz）諧波電流均超標。最大超標點在250 Hz處，最大超標量為26.48 dBμA。

將圖2所示的諧波電流分貝值換算為諧波電流值，如表1所示。

表1 某艦船設備諧波電流測試值

圖2 某艦船電子設備的CE101測試結(jié)果

3 陷波濾波器

超標的諧波電流會以傳導方式進入輸入電源網(wǎng)絡，影響輸入電源的電能質(zhì)量，進而影響同源其他設備的正常工作。因此必須對諧波電流進行抑制處理。

因其電路結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)成本低廉等優(yōu)勢，無源成為目前應用最為廣泛的諧波電流抑制裝置[7,8]。陷波濾波器由功率電感L和交流電容C串聯(lián)組成，利用串聯(lián)諧振阻抗最小的阻抗特性，將LC諧振頻率的諧波電流引入，減小該頻率的諧波電流對輸入電源的污染。針對多次諧波電流，單調(diào)無源陷波濾波器也可多個并聯(lián)使用，分別予以濾除。某陷波濾波電路對于自身諧振頻率的諧波電流相當于短路，但對于基波和其他次倍頻的諧波電流呈高阻狀態(tài)。因此，陷波濾波器的本質(zhì)是對該頻率諧波電流提供一個最小阻抗路徑，對諧波電流進行分流，以減小對輸入電源的污染。

單調(diào)無源陷波濾波器的簡化電路如圖3所示，其中 Us為輸入交流源，R為非線性負載，L、C分別為陷波濾波支路的電感與電容。流過非線性負載R的電流可根據(jù)傅里葉變換分解為50 Hz基波電流與若干個奇次倍頻諧波電流之和，即基波電流源與多個奇數(shù)倍頻諧波電流源并聯(lián)，如圖4所示。

圖3 單調(diào)無源陷波濾波器

欲抑制某頻率諧波電流，應使該頻率諧波電流盡可能都從該頻率陷波濾波支路流過，減小該諧波電流流經(jīng)輸入電源及其他頻率諧波濾波支路[5]。以5次諧波電流陷波濾波為例，假如圖4 中L5、C5的串聯(lián)諧振頻率為250 Hz，則有：

圖4 陷波濾波器電路等效圖

理想狀態(tài)下，該5次陷波濾波支路對于5次諧波電流的阻抗為零，則5次諧波電流應全部從該5次陷波濾波支路流過，而不會流經(jīng)輸入電源或其他次陷波濾波支路。但由于陷波濾波支路的并聯(lián)分流作用及寄生參數(shù)的存在， 5次諧波電流并不會完全流經(jīng)5次陷波濾波支路，而是被輸入電源阻抗與各個陷波濾波支路阻抗并聯(lián)分流，實際上輸入電源的源阻抗也很小，因此該5次諧波電流仍有較大部分流經(jīng)輸入電源。

因此，增加輸入電源源端阻抗，可以減小高次諧波電流流經(jīng)輸入電源。傳統(tǒng)陷波濾波電路應用中，會在輸入電源處串聯(lián)一個電感LS以增加源阻抗，減小諧波電流流經(jīng)電網(wǎng)的分量，提高功率因數(shù)，其等效電路如圖5所示。

圖5中Us輸入電壓，Uo為濾波器輸出電壓，則輸出電壓與輸入電壓的關系為：

圖5 傳統(tǒng)陷波濾波電路等效圖

式中：

ω=2π?，?—基波頻率；

n—大于1的奇數(shù)；

Ln、Cn—n次單調(diào)陷波濾波電路的電感與電容。

則有：

式中：

將式（3）代入式（2）可得：

如此類推。則由式（4）～式（7）可得：

由上述分析可以得出以下結(jié)論：

1）由式（4）可以得出，傳統(tǒng)陷波濾波應用中，輸出電壓Uo必然高于輸入電壓Us，即源端串聯(lián)電感LS將輸入電壓升高，升高的幅值與源端串聯(lián)電感LS取值有關，LS越大，輸出電壓升高幅值越大。

2）由式（8）可以得出，各個單調(diào)陷波濾波支路中的電感取值相互關聯(lián)，可以由式（3）與式（8）計算各陷波濾波支路中電感與電容的取值。

4 整改措施及分析

基于測試結(jié)果及以上理論分析，本文在整改中采用了一種新穎的改進型陷波濾波電路，在陷波電路上并聯(lián)電感Lpn，如圖6所示。

圖6中輸出電壓Uo與輸入電壓Us的關系為：

圖6 改進型單調(diào)陷波電路圖

式中：

Ln、Cn—n次單調(diào)陷波電路的電感與電容；

Lpn—與n次單調(diào)陷波電路并聯(lián)的電感；

n—大于1的奇數(shù)；

ω=2π?，?—基波頻率。

將式（9）展開可得：

為解決傳統(tǒng)陷波濾波應用中源端串聯(lián)電感LS會將輸入電壓升高的問題，并避免并聯(lián)電感Lpn后與源端串聯(lián)電感LS分壓而將輸入電壓拉低影響后級設備正常工作，為使則由式（10）可有：

消去LS，則有：

將式（3）代入式（12），則有：

由式（13）可得，對于3、5、7次單調(diào)陷波電路，其并聯(lián)電感Lp3Lp5、Lp7可分別表示為：

以此類推。而對于多個單調(diào)陷波濾波支路，其并聯(lián)電感Lpn亦可并聯(lián)合并為一個電感Lp，即：

由以上分析可以得出結(jié)論：

并聯(lián)合并后的電感Lp的值與各個陷波濾波支路的串聯(lián)諧振電感Lpn取值有關，可以由以上公式及式（3）計算實際應用中各陷波濾波支路串聯(lián)電感Ln與串聯(lián)電容Cn以及并聯(lián)電感Lpn的取值。

根據(jù)上述公式計算濾波器參數(shù)并進行了實物制作，濾波器實物照片如圖7所示。

使用上述濾波器實物對該艦船電子設備進行了CE101試驗驗證，測試結(jié)果如圖8所示，可以看出，經(jīng)使用改進型陷波濾波器整改后，各倍頻諧波電流得到明顯抑制，且經(jīng)過實際測試，其輸出電壓有效值與輸入電壓有效值接近。

圖8 整改后CE101測試結(jié)果

5 結(jié)論

本文簡單介紹了GJB 151A中CE101測試項目，針對某型艦載電子設備CE101測試結(jié)果超標問題，分析了陷波濾波器的工作原理，指出了傳統(tǒng)陷波濾波器在實際應用中會將輸入電壓升高的缺陷并進行了理論驗證。提出了一種新穎的整改方案，即在陷波濾波支路上并聯(lián)一個電感，該電感值可通過精確計算得出。試驗結(jié)果表明，該方案可以有效抑制諧波電流，使得電子設備滿足GJB 151A中CE101試驗要求，且輸出電壓沒有被升高。后續(xù)將對陷波支路電感及并聯(lián)電感的通流能力及飽和電流開展研究。