馬戰(zhàn)毅，于飛，喬鳴忠，李耕，李兵

(1.海軍工程大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430033;2.中國人民解放軍91999部隊，山東 青島 266000)

0 引言

隨著現(xiàn)代控制、大功率半導體器件制造、交流調(diào)速等技術(shù)的發(fā)展，船舶電力推進替代原有的柴油機直接帶動螺旋槳推進方式，已成為船舶動力發(fā)展的方向［1］。大型船舶電力推進系統(tǒng)主要由發(fā)電機、電站配電板、推進變壓器、大功率變頻器、推進電機、螺旋槳等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 船舶電力推進系統(tǒng)

該系統(tǒng)廣泛使用的大功率脈寬調(diào)制變頻器，在工作過程中，其內(nèi)部的AC/DC轉(zhuǎn)換電路、高頻開關(guān)等，會形成較強的高頻電磁干擾，其中的傳導電磁干擾通過船舶電纜、推進變壓器傳至船舶主電網(wǎng)［2-5］，使船舶電網(wǎng)受污染，進而影響船舶其它電氣設(shè)備，如雷達、監(jiān)控平臺、控制電路等的正常工作。為消除和減小大功率變頻器工作時對船舶電網(wǎng)的影響，目前大多采用串聯(lián)電抗器，加裝有源、無源濾波器等方法濾除諧波。該措施只能抑制低次諧波對船舶電網(wǎng)的干擾，無法控制高次諧波的影響。鐵氧體磁環(huán)由于其自身的濾波特性，在電氣設(shè)備電磁兼容設(shè)計方面得到了廣泛應用。本文結(jié)合高頻噪聲抑制變壓器課題，討論了鐵氧體磁環(huán)抑制高頻噪聲的機理及其在高頻噪聲抑制變壓器中的應用方法。

1 電力推進系統(tǒng)高次諧波傳遞路徑及影響分析

1.1 高次諧波傳遞路徑分析

船舶推進變壓器一般工作在工頻交流50 Hz或60 Hz，推進變壓器的鐵芯材料的選擇也基于此，即工頻交流電通過推進變壓器時，變壓器鐵損最小，若高次諧波電流流經(jīng)推進變壓器，變壓器的鐵損將加大。由船舶變頻器及非線性負載產(chǎn)生的高頻電磁干擾信號，經(jīng)變頻器和推進變壓器之間的屏蔽電纜，傳遞至推進變壓器。在變壓器的鐵芯中損耗掉一部分，另一部分則通過變壓器的高低壓繞組之間的分布電容耦合至電網(wǎng)［6］(圖2)。圖3為測到的某電力推進系統(tǒng)中推進變壓器低壓側(cè)的傳導干擾電壓。

圖3中，EMI國標限制線下方為符合標準，上方為超出標準。從圖可以看出從0.15 MHz開始到30 MHz(測定截止頻率為30 MHz)，均有超標的干擾電壓傳送至推進變壓器。

圖2 變壓器分布電容模型

1.2 高次諧波影響分析

船舶電網(wǎng)與陸地電網(wǎng)相比，電力線的作用距離要短得多，由高頻諧波形成的高頻電磁干擾信號衰減較小，這就使得船舶各用電設(shè)備在使用時干擾幾率增大。實際使用中，某船舶的前后雷達同時開機，便產(chǎn)生很強的干擾即是一例。船用導航、雷達、聲納等設(shè)備均是將微弱信號放大為工作信號，供人們使用。若高頻諧波信號竄入工作電路，設(shè)備將受干擾，嚴重時將無法正常工作。

圖3 傳導干擾電壓頻譜

2 鐵氧體抗干擾磁環(huán)

鐵氧體抗干擾磁環(huán)是一種新型的干擾抑制器件，其作用類似于低通濾波器，工作時，低頻信號能夠順利通過，高頻信號則被磁環(huán)“吸收”，轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)出去。鐵氧體磁環(huán)使用簡單，允許通過的電流大，其電磁性能與其材料屬性和制作工藝等因素有關(guān)。

2.1 鐵氧體抗干擾磁環(huán)的基本特性

鐵氧體磁環(huán)在交變磁場中，由于磁損耗的存在使得交變磁感應強度的變化落后于磁場強度的變化，若交變磁場是時間的正弦或余弦函數(shù)，令交變磁場強度為:

式中Hm是H的振幅;ω為角頻率。則相應的磁感應強度為:

式中δ為B滯后于H的相角;Bm是B的振幅。復數(shù)導磁率為:

式中 μ'=(Bm/Hm)cosδ，μ″=(Bm/Hm)sinδ，μ'為復數(shù)導磁率的實部分量，表示磁性材料所作的磁化功;μ″為復數(shù)導磁率的虛部分量，表示磁性材料在交變磁場中磁損耗的參量，該過程損耗的能量最終全部轉(zhuǎn)變成熱能。

2.2 鐵氧體抗干擾磁環(huán)的等效電路

由上知:鐵氧體材料可等效為一阻抗元件，該元件由感抗和電阻兩部分組成，兩者都與頻率相關(guān)(Z(f)=R(f)+jωL(f))，其等效電路如圖4所示。

在低頻段，鐵氧體磁環(huán)的阻抗主要是感抗，它與材料的導磁率有關(guān)，不影響線路上有用信號的傳輸。隨頻率升高，導磁率迅速下降，感抗增長變緩，甚至出現(xiàn)感抗減少的情況，但高頻下鐵損明顯增加，使總阻抗Z(f)繼續(xù)增大，此時鐵損R(f)成為阻抗主要成份。當有高頻能量穿過磁性材料時，電阻性分量就會把這些能量轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉。從而使高頻噪聲信號有大的衰減，使低頻有用信號不受影響，不影響電路的正常工作。

圖4 阻抗元件等效電路

2.3 鐵氧體抗干擾磁環(huán)的建模分析

由麥克斯韋爾電磁場理論知，交流載流導線會在其周圍產(chǎn)生交變磁場。從上面的分析得出，載流導線周圍交變的磁場會將穿過載流導線磁環(huán)磁化，增大了該處導線的阻抗，效果相當于串聯(lián)了一個電阻和電感。下面選擇單根銅導線穿過磁環(huán)，磁環(huán)內(nèi)徑與導線外徑接近，建立模型并對加載磁環(huán)后的阻抗進行分析。在圖 5坐標系中，假設(shè)導線位于磁環(huán)中心，導線直徑為2a，磁環(huán)內(nèi)徑為2d，磁環(huán)外徑為2D，磁環(huán)長度為 L，μ為材料的復磁導率(μ=μ'-jμ″)，μ0為真空磁導率，ω為輸入電流的角頻率，其加載的阻抗表達式推導如下:

由安培環(huán)路定理得，通電導線(電流為I)周圍的磁場強度和磁感應強度分別為:

圖5 磁環(huán)抑制分析模型

導線L周圍的磁通為:

加入磁環(huán)后導線L的阻抗為:

將(1)式化簡帶入(2)式得:

又 μ = μ'-j μ″，所以:

(4)式說明磁環(huán)阻抗Z由感抗分量jωB和電阻分量ω μ″A兩部分組成。圖6、7所示為某鐵氧體磁環(huán)的磁譜曲線和阻抗頻率特性曲線。

圖6 磁譜曲線

圖7 阻抗頻率特性

從曲線看出，在低頻段，阻抗Z主要來自與μ'相關(guān)的感抗分量(jωB)即XL，其值相對較小，有用信號和干擾信號(EMI)均能通過。在高頻段，阻抗Z主要來自與μ″相關(guān)的電阻分量 (ωμ″A)即RS，此時EMI被吸收，轉(zhuǎn)化為熱能耗散。結(jié)果與式(4)吻合。

3 磁環(huán)抑制性能的實驗驗證

高頻噪聲信號在變壓器中的傳遞，是通過變壓器原副邊之間的電場耦合(分布電容)進行的。構(gòu)建如圖8所示的測試原理圖。實驗中在變壓器副邊加入高頻信號(模擬干擾源)，則在原邊繞組中感應出電荷，構(gòu)成電耦合場，若檢測回路中有位移電流產(chǎn)生，則高頻信號便形成了通路。位移電流的大小表示了變壓器對高頻噪聲的抑制能力。在變壓器中加入磁環(huán)后，若能改變位移電流的大小，則說明磁環(huán)對高頻噪聲的抑制作用。

圖8 測試原理圖

測試電路模型如圖9所示。測試時，網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出的正端接變壓器副邊繞組的電位動點，網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出的參考端接到變壓器副邊繞組的電位，即副邊“地”，射頻輸入口接變壓器原邊的電位靜點，射頻輸出口接網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出的參考端。船用推進變壓器功率大，電壓等級高，如某船用中壓電網(wǎng)，推進變壓器變比為6 600 V/690 V，繞組分層繞制。為便與分析對比，現(xiàn)以一臺小型的結(jié)構(gòu)相對簡單的變壓器為例。變壓器參數(shù)為:容量:20 VA;輸入:220 V/50 Hz;輸出12 V;變比為220 V/12 V;磁芯:30Q120;磁環(huán):TDK-ZCAT 2035-0930。

分以下幾種情況對變壓器進行測試:不加磁環(huán)，加一個磁環(huán)，加兩個磁環(huán)，加三個磁環(huán)，加四個磁環(huán)。測試結(jié)果如圖10所示，縱坐標為插入衰減值K，橫坐標為頻率f，測試頻段為300 kHz～30 MHz:

綜上所述，在測試頻段300 kHz～30 MHz之間，圖10(a)所示不加磁環(huán)時，測試變壓器對高頻噪聲的抑制作用隨頻率的增大逐漸降低(除在11 MHz附近發(fā)生畸變，其與變壓器特性相關(guān))，說明變壓器繞組之間的分布電容為高頻噪聲的傳遞提供了通路。圖10(b)(c)(d)所示為加入磁環(huán)后，測試變壓器對高頻噪聲的抑制效果，從中可以看出在頻段4 MHz～30 MHz之間，磁環(huán)對高頻噪聲的抑制效果明顯，加入一個磁環(huán)即可使高頻噪聲的峰值(對應頻率10 MHz)降低6 dB，加入的磁環(huán)數(shù)越多對高頻噪聲的抑制效果越明顯。實驗結(jié)果與理論分析相符，說明采用磁環(huán)抑制變壓器高頻噪聲的方法的可行性。

圖9 電路模型圖

4 結(jié)束語

圖10 變壓器加不同數(shù)量磁環(huán)時插入衰減測試

本文分析了抗干擾磁環(huán)抑制高頻電磁噪聲的作用機理，提出在推進變壓器輸入側(cè)加入抗干擾磁環(huán)，抑制傳導電磁干擾的方法。實驗證明該方法操作、安裝簡單，使用效果明顯，為船舶電力推進系統(tǒng)的電磁干擾抑制提供了借鑒。文中實驗采用的TDK磁環(huán)，抑制高頻噪聲的頻率較高，不同材質(zhì)的磁環(huán)抑制高頻噪聲的頻段不同。變頻器功率器件的開關(guān)頻率為1 Hz～3 kHz范圍，對應的能引起較大危害的傳導性共模電壓的頻率從幾十千赫茲到幾十兆赫茲。故在選用鐵氧體抗干擾材料時，應選擇抑制范圍寬的材料。

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