摘 要： 首先分析了多電飛機(jī)電環(huán)控系統(tǒng)中產(chǎn)生電磁干擾的主要來(lái)源，即三相脈寬調(diào)制（PWM）逆變器。根據(jù)三相PWM逆變器電路的工作原理和簡(jiǎn)化電路，分析得出產(chǎn)生電磁干擾的共模電流，同時(shí)將共模電流作為電環(huán)控系統(tǒng)電磁輻射模型的激勵(lì)源，據(jù)此建立了多電飛機(jī)電環(huán)控系統(tǒng)電磁輻射發(fā)射的模型。繼而采用三維電磁仿真軟件CST來(lái)研究電環(huán)控系統(tǒng)對(duì)客艙內(nèi)的電磁環(huán)境的影響以及對(duì)穿艙線纜的電磁耦合效應(yīng)。研究結(jié)果表明，電環(huán)控系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾導(dǎo)致客機(jī)內(nèi)電磁環(huán)境惡化，客艙內(nèi)以及其他系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)的干擾的電場(chǎng)強(qiáng)度增加和穿艙線纜上的感應(yīng)電流增大。

關(guān)鍵詞： 電磁干擾； 電環(huán)控系統(tǒng)； 電磁輻射； 多電飛機(jī)； CST

中圖分類(lèi)號(hào)： TN03?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）03?0138?05

Study on emission characteristics of electromagnetic radiation for

MEA electric environmental control system

JIANG Dan， CAO Qunsheng

（College of Electronic and Information Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China）

Abstract： The three?phase PWM inverter as the main electromagnetic interference source generated from more electric aircraft （MEA） electric environmental control system is analyzed. According to the working principle of the three?phase PWM inverter circuit and its simplified circuit， the common mode current causing the electromagnetic interference is obtained by analysis. The common mode current is taken as the excitation source of the electromagnetic radiation model for the electric environmental control system to establish the electromagnetic radiation emission model of the MEA electric environmental control system. The electric environmental control system influencing on the electromagnetic environment in the cabin and electromagnetic coupling effect of the cabin cable is studied with 3D electromagnetic simulation software CST. The research results show that the electromagnetic interference generated by electric environmental control system makes the electromagnetic environment deterioration within the aircraft， increase the electric field strength of the interference in the cabin and other system crates and induced current of the cabin cable.

Keywords： electromagnetic interference； electric environmental control system； electromagnetic radiation； more electric aircraft； CST

0 引 言

在20世紀(jì)70年代已經(jīng)提出了多電飛機(jī)（More Electric Aircraft，MEA）的概念，當(dāng)時(shí)稱(chēng)為全電飛機(jī)。對(duì)于傳統(tǒng)飛機(jī)，二次能源是液壓能、氣壓能和電能三種混合能源模式[1]。飛機(jī)液壓系統(tǒng)由油壓驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成特定操縱動(dòng)作，主要用于起落架、襟翼和減速板的收放，前輪轉(zhuǎn)彎操縱，驅(qū)動(dòng)風(fēng)擋雨刷和燃油泵的液壓馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)副翼、升降舵和方向舵的助力器等；氣壓能主要來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)壓縮后的高壓高溫空氣，主要用于防冰、除冰和作為飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)的原動(dòng)力。飛機(jī)上的多種二次能源使飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜、性能降低、重量大、價(jià)格高，并且能源的使用效率降低，可靠性和生命力降低。而電能與液壓能、氣壓能相比，具有容易輸送、分配和變換以及減少設(shè)備元件重量和尺寸的優(yōu)點(diǎn)，可以提高設(shè)備可靠性。多電飛機(jī)就是用電能代替集中式的液壓能源和氣壓能源，使各種二次能源統(tǒng)一為電能，二次功率均以電的形式傳輸、分配。

在多電飛機(jī)上大量的高功率密度電動(dòng)機(jī)、電力作動(dòng)器（EMA）、多種電能變換器和其他多種用電設(shè)備給多電飛機(jī)的電磁安全帶來(lái)了隱患[2]。多電系統(tǒng)的使用帶來(lái)了更強(qiáng)的電磁傳導(dǎo)和輻射，對(duì)機(jī)上電磁環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的不良影響。由于飛機(jī)各系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備之間，各系統(tǒng)之間各類(lèi)互連電纜多達(dá)上千條，數(shù)據(jù)表明，一架波音747大型客機(jī)的電纜總長(zhǎng)度[3]達(dá)到274 km。導(dǎo)線可以認(rèn)為是高效率的電磁波接收天線和電磁波輻射天線。在各種多電系統(tǒng)中，電環(huán)控系統(tǒng)的功率最高，對(duì)電能的需求最高，對(duì)其他系統(tǒng)的電磁影響也最顯著；因此有必要重點(diǎn)對(duì)多電飛機(jī)中的電環(huán)控系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾源、發(fā)射和輻射對(duì)相鄰線纜的影響等進(jìn)行深入研究。類(lèi)似方法可以用于多電系統(tǒng)的其他系統(tǒng)，如電作動(dòng)系統(tǒng)、電防除冰系統(tǒng)等。

1 電環(huán)控系統(tǒng)中三相脈寬調(diào)制逆變器

交直流變換器（Pulse Width Modulation，PWM），即DC/AC逆變器，是電環(huán)控系統(tǒng)的重要組成器件，圖1為DC/AC逆變器的主電路示意圖。DC/AC逆變器的主要功能是完成DC 180 V至AC 115 Vrms/400 Hz交流電壓的變換功能。在三相DC/AC逆變器中，各個(gè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷過(guò)程中，導(dǎo)致A，B和C相的端口電壓[Va，][Vb，][Vc]不斷發(fā)生跳變，而在電路中，電路?地間會(huì)形成寄生電容[Cp1，Cp2，Cp3，]電壓[Va，Vb，Vc]通過(guò)寄生電容[Cp1，Cp2，Cp3]不斷進(jìn)行充?放電，因此產(chǎn)生了共模電流[icm1，icm2，icm3，]通過(guò)線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）注入到逆變器的直流母線，如圖1中虛線所示，對(duì)電網(wǎng)或其他設(shè)備產(chǎn)生共模傳導(dǎo)電磁干擾（EMI）[4]。LISN也稱(chēng)為人工電源網(wǎng)絡(luò)，它的作用就是為相線與地線之間和中線與地線之間提供50 Ω的恒定阻抗，為待測(cè)設(shè)備的傳導(dǎo)干擾提供通道，并與電源上的高頻干擾隔離開(kāi)，還可以將干擾電壓通過(guò)耦合方式輸出[4]。

PWM逆變器輸出端的差模干擾主要是由于輸出電壓中含有諧波引起的。在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通、關(guān)斷的瞬間，便有電流流過(guò)負(fù)載，該電流會(huì)耦合到直流端，因此導(dǎo)致了差模干擾的產(chǎn)生。

DC/AC逆換器產(chǎn)生的電磁干擾既有共模干擾又有差模干擾，但是在相同激勵(lì)的情況下，共模干擾的幅度比差模干擾幅度大，頻率比差模干擾的高，并且產(chǎn)生的輻射場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于差模干擾產(chǎn)生的輻射場(chǎng)強(qiáng)[5]；此處僅對(duì)共模干擾電流產(chǎn)生的電磁輻射特性進(jìn)行分析。

1.1 共模干擾電流分析

1.1.1 Buck電路的共模電流等效電路

如圖2（a）所示為新型的交?交變頻電源——Buck變換器電路[4]。

Buck變換器是一種輸出電壓小于輸入電壓的單管不隔離直流變換器。當(dāng)開(kāi)關(guān)管T通斷時(shí)，變換器的[P]點(diǎn)對(duì)參考地的電位不停的發(fā)生變化，而開(kāi)關(guān)管對(duì)地之間存在寄生電容，因此變化的電位會(huì)對(duì)該寄生電容進(jìn)行充放電，形成共模電流[Icm。]共模電流[Icm]流過(guò)寄生電容[Cp，]然后經(jīng)過(guò)散熱器到達(dá)參考地，再通過(guò)LISN的50 Ω和0.25 μF的電容回到直流側(cè)，分成了兩路電流[I1]和[I2，]如圖2（a）中帶箭頭虛線所示。[I1]直接通過(guò)直流母線正極的連接線回到開(kāi)關(guān)管的集電極，而[I2]則通過(guò)直流母線的負(fù)極經(jīng)電解電容后回到開(kāi)關(guān)管的集電極，這兩條電流[I1]和[I2]的不同在于[I2]通過(guò)了直流母線上的電解電容。電解電容有一定的等效串聯(lián)電感和等效串聯(lián)電阻。假設(shè)它的等效串聯(lián)電感為[Le、]等效串聯(lián)電阻為[Re，]并且[Le]的數(shù)量級(jí)一般為nH級(jí)；[Re]一般為0.1 Ω左右；假設(shè)共模電流回路中導(dǎo)線的寄生電感為[Lp，Lp]的數(shù)量級(jí)一般為μH級(jí)；顯然，電感[Le]遠(yuǎn)小于電感[Lp，]電阻[4][Re]遠(yuǎn)小于50 Ω。因此電解電容的等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感的影響通?？梢院雎裕琜I1]和[I2]流過(guò)的通路就是一樣的，并且[I1]和[I2]為共模電流[Icm]的[12。]

圖2（b）為Buck電路的共模電流等效電路。圖中電壓源[V]表示開(kāi)關(guān)管T兩端的電壓，直流電源被認(rèn)為是短路；[Lcm]代表散熱器與參考地的連接線的等效電感；[Lcab]代表從LISN到直流電容的等效電感；[Rin]代表從LISN到直流電容的等效電阻；[Cp]是開(kāi)關(guān)管發(fā)射極對(duì)參考地的等效寄生電容；[Cn]是電解電容之后的直流母線正負(fù)極對(duì)參考地的等效寄生電容[4]。當(dāng)圖2（a）中開(kāi)關(guān)管T與二極管D的位置調(diào)換后，此時(shí)Buck電路的共模等效電路模型與圖2（b）中電路完全一樣。

1.1.2 共模電流的等效電路

考慮圖1中三相PWM逆變器的共模電流時(shí)，可以把A，B，C三相橋臂分開(kāi)來(lái)分析。以A相橋臂為例，它產(chǎn)生的共模電流可以采用Buck變換器等效分析的方法，A相橋臂中的開(kāi)關(guān)管T1兩端電壓用電壓源[V1]等效。B相橋臂、C相橋臂也類(lèi)似，開(kāi)關(guān)管T3和T5兩端電壓分別可用電壓源[V2]和[V3]代替。三個(gè)橋臂產(chǎn)生的共模電流的和，即為三相PWM逆變器的共模電流。對(duì)于每個(gè)橋臂，它們的物理特性是一樣的，都只是由絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）組成的，也就是說(shuō)，每個(gè)橋臂中點(diǎn)對(duì)地的寄生電容[Cp]的大小是一樣的。三相PWM逆變器中的其他無(wú)源器件的等效電路變換，與Buck電路中的一樣。由以上分析可得，PWM逆變器共模電流的等效電路如圖3所示 [6]。

在建立三相PWM逆變器的共模電流等效電路時(shí)雖然采用了與Buck變換器等效電路一樣的分析方法，但是與Buck變換器也存在差異，PWM逆變器橋臂中點(diǎn)對(duì)地的寄生電容是上下管疊加以后合成的，所以在開(kāi)關(guān)管完全一樣的條件下，逆變器的寄生電容[Cp]要比Buck電路的寄生電容[Cp]大；同樣，三相PWM逆變器中直流母線正負(fù)極對(duì)地的寄生電容[Cn]也是由三個(gè)橋臂合成的，它也比Buck電路的寄生電容大一些。

利用戴維南等效原理，再對(duì)圖3的電路進(jìn)行簡(jiǎn)化，電壓[V1+V2+V3]簡(jiǎn)化為電壓源[V，]同時(shí)，[Lcab2+Lcm]簡(jiǎn)化為電感[L，]25 Ω和[Rin]的等效電阻簡(jiǎn)化為電阻[R，]因此得到的簡(jiǎn)化電路如圖4所示[6]，簡(jiǎn)化后的等效電路是一個(gè)二階RLC電路。與圖3相比，可以看出圖4中并沒(méi)有考慮0.5 μF的電容，原因是[Cp]和[Cn]都是pF級(jí)的，它與0.5 μF的電容串聯(lián)后幾乎還是等于

由于共模電流是由[dvdt]引起的，求解共模電流的實(shí)際波形可以等同為求二階電路的零狀態(tài)響應(yīng)。逆變器每個(gè)橋臂在進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作的過(guò)程中都會(huì)引起共模電流，因此對(duì)于三相逆變器，只需要得出一個(gè)橋臂的時(shí)域波形，另外兩個(gè)橋臂的時(shí)域波形也可以用類(lèi)似的方法求解。當(dāng)[dvdt]非常大時(shí)，電壓源可以近似用階躍函數(shù)表示。

根據(jù)圖4以及基爾霍夫定理，可得到階躍響應(yīng)的電流表達(dá)式為：

式中：[ω0=1LC]是諧振電路的諧振角頻率；[ζ=][R2CL]是諧振電路的衰減系數(shù)；[Z0=LC]是諧振電路的特征阻抗。

當(dāng)[ζ2?1]時(shí)，諧振電路的電流可表示如下：

文獻(xiàn)[6]中采用LCR電橋測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方法，直流母線電壓為180 V，測(cè)得等效電路中無(wú)源器件參數(shù)[R，][Lcab，][Lcm，][Cp]和[Cn]分別為25 Ω，4.8 μH，2.8 μH，300 pF和1 200 pF，所以該三相逆變器的共模電流的表達(dá)式為：

1.2 三相PWM逆變器的電磁輻射模型

三相PWM逆變器的共模輻射可以用一個(gè)接地平面上長(zhǎng)度[λ4]的短單極天線進(jìn)行等效[5]，如圖5所示。

圖5中DC/AC變換器電源線上的共模電流可以采用式（3）的形式作為天線等效模型的激勵(lì)源，天線本身視為電源線，所產(chǎn)生的電磁能量以電磁波的形式向周?chē)臻g傳播，形成電磁輻射干擾。

2 多電飛機(jī)電環(huán)控系統(tǒng)電磁效應(yīng)的仿真模型

在三維電磁仿真軟件CST中建立B737?300整機(jī)電磁模型，該型號(hào)客機(jī)[7]總長(zhǎng)為33.4 m，翼展28.9 m，最大高度4.01 m。由于飛機(jī)的機(jī)翼、尾翼等結(jié)構(gòu)對(duì)電環(huán)控系統(tǒng)電磁輻射覆蓋和線纜的耦合幾乎沒(méi)有影響，綜合考慮仿真系統(tǒng)和和計(jì)算時(shí)間的限制，在實(shí)際仿真中將機(jī)翼、尾翼外部結(jié)構(gòu)不在計(jì)算范圍之內(nèi)。在仿真過(guò)程中，設(shè)置飛機(jī)外殼、前后門(mén)、安全門(mén)材料為導(dǎo)體材料；舷窗、駕駛舷窗為相對(duì)介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.03的介質(zhì)材料；客機(jī)中椅子、行李架以及地板為相對(duì)介電常數(shù)為3.14，損耗角正切為0.035的介質(zhì)材料。

一般電環(huán)控系統(tǒng)采取雙環(huán)控調(diào)節(jié)器，分別安裝在機(jī)翼下方的電子設(shè)備艙中，根據(jù)電環(huán)控系統(tǒng)在客機(jī)中的位置以及1.2節(jié)中分析得到的電環(huán)控系統(tǒng)電磁干擾源DC/AC逆變器的電磁輻射模型，在簡(jiǎn)化的機(jī)身仿真模型中建立該系統(tǒng)的電磁輻射模型作為電磁干擾源。

在客艙地板下方與貨艙上隔板之間創(chuàng)建兩根穿艙線纜，分別從客艙前部直至后設(shè)備艙尾部，總長(zhǎng)為21 m，線與線之間的間隔為40 cm，該線距遠(yuǎn)大于HB 6524?91《飛機(jī)電線、電纜電磁兼容性分類(lèi)及布線要求》中規(guī)定的各類(lèi)電線布線的間距[8]。線纜類(lèi)型分別采用單線和同軸線。單線的內(nèi)半徑為1 mm，兩端接有50 Ω的負(fù)載，同軸線采用RG58型，兩端同樣接有50 Ω的負(fù)載。線纜兩端分別連接兩個(gè)鋁制機(jī)箱，兩機(jī)箱的外尺寸分別為：800 mm×400 mm×500 mm，厚度為1.3 mm，兩機(jī)箱側(cè)面分別開(kāi)有通風(fēng)孔。

圖6所示的為飛機(jī)內(nèi)部模型，顯示了飛機(jī)內(nèi)部地板、座椅、前后門(mén)、安全門(mén)、舷窗、駕駛舷窗等部件以及飛機(jī)內(nèi)電環(huán)控系統(tǒng)輻射模型、穿艙線纜、機(jī)箱。

以及穿艙線纜、機(jī)箱的位置

在整個(gè)客機(jī)中，設(shè)置4個(gè)電場(chǎng)探針，如圖7所示，圖中[p1，p2，p3]分別為客艙內(nèi)不同位置電場(chǎng)強(qiáng)度的探針，[p4]為穿艙線纜一端機(jī)箱內(nèi)中心點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度的探針位置，該探針位于地板的下方。

3 多電飛機(jī)電環(huán)控系統(tǒng)電磁效應(yīng)的仿真結(jié)果分析

在CST中采用傳輸線矩陣法（TLM）進(jìn)行時(shí)域仿真[9]。仿真頻率范圍設(shè)置為0～150 MHz，仿真時(shí)間設(shè)置為10 μs。進(jìn)行電磁仿真時(shí)，將該共模干擾電流信號(hào)作為激勵(lì)源。仿真結(jié)果如圖8～圖10所示。

圖8為客艙內(nèi)不同位置探針的電場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線。探針[p1，p2]和[p3]處的電場(chǎng)強(qiáng)度峰值分別為0.94 V/m，15 V/m和0.14 V/m。從圖8中可以明顯看出，探針[p2，][p1]和[p3]處電場(chǎng)強(qiáng)度依次減小，說(shuō)明客艙內(nèi)不同位置處受到的電環(huán)控系統(tǒng)對(duì)外輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度不同，并且客艙內(nèi)離電環(huán)控系統(tǒng)的位置越近，受到的電磁干擾的電場(chǎng)越強(qiáng)。

圖9為穿艙線纜一端機(jī)箱內(nèi)中心點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度隨頻率的變化曲線，反映出系統(tǒng)間的電磁輻射干擾。此處，電環(huán)控系統(tǒng)作為干擾源，對(duì)設(shè)備艙內(nèi)其他機(jī)箱內(nèi)的系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一定的電磁干擾。機(jī)箱內(nèi)中心點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度還與機(jī)箱的諧振頻率（機(jī)箱的尺寸）、機(jī)箱通風(fēng)孔的形狀及大小等因素有關(guān)。

圖10為穿艙線纜單線和同軸線內(nèi)導(dǎo)體上的感應(yīng)電流隨頻率的變化曲線，單線上的感應(yīng)電流的峰值約為6.18×10?7 mA（-180 dBA），出現(xiàn)在頻率為1.8 MHz時(shí)。圖10中表明，單線上的感應(yīng)電流要遠(yuǎn)高于同軸線內(nèi)導(dǎo)體上的感應(yīng)電流值，表明同軸線對(duì)電磁輻射具有一定的屏蔽作用，屏蔽效果明顯優(yōu)于單線。按照RTCA/DO?160G中對(duì)射頻敏感性的規(guī)定[10]，此類(lèi)連接敏感設(shè)備的穿艙線纜所處電磁環(huán)境屬于S類(lèi)，S類(lèi)所對(duì)應(yīng)的傳導(dǎo)敏感性測(cè)試水平電流最高為1.5 mA（-56.48 dBA）。顯然，電環(huán)控系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁輻射場(chǎng)通過(guò)穿艙線纜耦合從而對(duì)敏感設(shè)備造成的干擾較小，但是當(dāng)多電系統(tǒng)的數(shù)目增多會(huì)使得線纜上的感應(yīng)電流明顯增大。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種多電飛機(jī)電環(huán)控系統(tǒng)的電磁輻射簡(jiǎn)化模型，通過(guò)理論分析確定了電磁建模的結(jié)構(gòu)，并利用了三維電磁仿真軟件CST對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的電磁仿真。同時(shí)，仿真得出客艙內(nèi)不同位置處、電子設(shè)備機(jī)箱內(nèi)部受到的干擾電磁輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度和穿艙線纜上的感應(yīng)電流。仿真結(jié)果表明，電環(huán)控系統(tǒng)的引入會(huì)導(dǎo)致客艙內(nèi)的干擾電場(chǎng)的增加，對(duì)人員和設(shè)備會(huì)產(chǎn)生一定的危害，而且該系統(tǒng)的電磁輻射對(duì)其他系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)的電子設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生一定的電磁干擾。隨著多電系統(tǒng)的增加，穿艙線纜上的感應(yīng)電流增加，都會(huì)影響到電纜本身以及外接的電子設(shè)備，因此有必要對(duì)多電飛機(jī)中電環(huán)控系統(tǒng)的輻射發(fā)射特性進(jìn)行研究，這對(duì)多電飛機(jī)的概念設(shè)計(jì)階段具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

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