宋 輝，王旺球，陳華鋒（中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一三研究所，河南鄭州 450015）

一種直流配電系統(tǒng)電磁兼容性分析及試驗(yàn)

宋 輝，王旺球，陳華鋒
（中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一三研究所，河南鄭州 450015）

分析一種艦船直流配電系統(tǒng)組成及其電力電子變流裝置電磁干擾，針對逆變器和整流器產(chǎn)生的高頻干擾，設(shè)計(jì)上采取改善開關(guān)導(dǎo)通條件和安裝濾波器等抑制措施，系統(tǒng)按照 GJB151A 進(jìn)行了電磁兼容性試驗(yàn)，并對具體問題完成整改，滿足指標(biāo)要求。

直流配電系統(tǒng)；逆變器；整流器；電磁兼容性

0 引 言

直流配電系統(tǒng)是一種艦船新型區(qū)域配電系統(tǒng)，它以直流為主要的電能傳輸和分配形式，對全船的電力系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域劃分。它以電力電子變流裝置為核心元件，利用現(xiàn)代電力電子變流技術(shù)，將整流器、逆變器等變流裝置組成合理、高效的配電網(wǎng)絡(luò)，向用電負(fù)載提供不同電制（交流或直流）、不同頻率、不同幅值需求的電能。與艦船傳統(tǒng)配電技術(shù)相比，直流區(qū)域配電系統(tǒng)有利于提高艦船生命力，減少配電系統(tǒng)重量和制造成本，有利于艦船總體優(yōu)化和升級改造［1-2］。

隨著電力電子變流裝置在直流配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，功率器件集成化、集成電路功率化，出現(xiàn)了各種新型電力電子器件，同時(shí)電力電子設(shè)備的開關(guān)頻率越來越高，功率越來越大，控制線路也越來越復(fù)雜。艦船設(shè)備分布密集，電力系統(tǒng)容量有限，系統(tǒng)內(nèi)的電磁兼容問題十分突出，直接關(guān)系到電力系統(tǒng)和用電設(shè)備的可靠安全運(yùn)行［3］。

本文介紹了一種直流配電系統(tǒng)組成及其電力電子變流裝置的應(yīng)用，分析了逆變器和整流器的電磁干擾，以及設(shè)計(jì)上采取的抑制措施，最后，按照艦船設(shè)備及系統(tǒng)電磁兼容性要求試驗(yàn)，對試驗(yàn)項(xiàng)目上出現(xiàn)問題完成整改，滿足試驗(yàn)指標(biāo)要求。

1 系統(tǒng)組成

直流配電系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖 1所示，直流配電系統(tǒng)由 ZA和ZB 兩組直流母線系統(tǒng)傳輸和分配電能，每套直流母線系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)供電，蓄電池為備用電源，供電負(fù)載包含推進(jìn)電機(jī)。每組直流母線系統(tǒng)包含直流主配電系統(tǒng) a、變頻控制系統(tǒng) b、3 相逆變電源系統(tǒng)c、單相逆變電源系統(tǒng) d 和直流電源系統(tǒng) e。兩組直流母線系統(tǒng) ZA和ZB 互為冗余備用，同時(shí)供電給重要負(fù)載系統(tǒng) f。其中，各系統(tǒng)執(zhí)行功能及器件組成如下：

1）直流主配電系統(tǒng) a：負(fù)載直流電能傳輸和分配，主要由母排、熔斷器和斷路器等器件組成主配電柜；

圖 1 配電系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Distribution system structure diagram

2）變頻器控制系統(tǒng) b：采用系列變頻器或逆變器變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由變流器件組成變頻控制柜；

3）逆變電源系統(tǒng) c：負(fù)責(zé)將直流電逆變?yōu)閱蜗嘟涣麟娫?，由逆變電源組成單相逆變電源柜；

4）直流電源系統(tǒng) d：采用高頻整流變換為直流電源 +24 V，為各類控制負(fù)載供電，由整流器、斷路器等組成直流電源柜。

5）重要負(fù)載系統(tǒng) e：采用控制電路實(shí)現(xiàn) ZA和ZB兩組直流母線供電自動(dòng)切換，由斷路器、繼電器等器件組成配電柜。

2 電磁干擾分析及抑制

從以上直流配電系統(tǒng)組成可以看出，直流配電系統(tǒng) a 和重要負(fù)載系統(tǒng) e 主要用于傳輸電能，不涉及電能轉(zhuǎn)換，而 b，c，d 分系統(tǒng)應(yīng)用電力電子變流裝置實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換。電力電子變流裝置器件開關(guān)頻率相當(dāng)高，在傳導(dǎo)射頻段（10 kHz 以上）系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)大量開關(guān)頻率諧波，干擾頻段范圍從數(shù)千到數(shù)兆赫茲，并且，器件開關(guān) du/dt 和 di/dt 越來越高，尖峰諧振頻率也會(huì)達(dá)到數(shù)兆赫茲［4-5］。因此，電磁干擾著重分析變流裝置及其相應(yīng)分系統(tǒng)。

2.1 逆變器電磁干擾及措施

逆變器由輸入濾波電路、逆變電路、LC 濾波、隔離輸出、采樣電路、控制電路、PWM 波形及驅(qū)動(dòng)電路等組成，電路組成原理框圖如圖 2 所示。逆變電路采用 IGBT 全橋逆變電路，IGBT 選取英飛凌 F300R12KT3，開關(guān)頻率 10 kHz。

圖 2 逆變器電路組成原理框圖Fig. 2 The circuit diagram of inverter

逆變器傳導(dǎo)干擾包括差模干擾和共模干擾噪聲。IGBT 開關(guān)管動(dòng)作產(chǎn)生高頻脈沖電流，逆變電源輸入端會(huì)產(chǎn)生高頻電壓脈沖，疊加在直流輸入電壓端，產(chǎn)生傳導(dǎo)差模干擾噪聲。由于線路分布電容和電感存在，共模噪聲則源于主電路與地面之間及隔離變壓器內(nèi)寄生電容的充電及放電所產(chǎn)生的對地電勢波動(dòng)，該噪聲電流通過接地線傳播［6］。

為減小逆變器電磁干擾，電源在設(shè)計(jì)中采取了以下措施：

1）電源輸入端安裝 EMI 濾波器，抑制逆變器輸入電壓中的共模干擾和差模干擾。

2）功率母線采用夾心餅干式布線，減小分布電感，并加無感電容，降低開關(guān)尖峰電壓。

3）改善了開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷條件，減緩了各節(jié)點(diǎn)的電壓變化率和各支路的電流變化率，減少了高次諧波的干擾。

4）功率變壓器采用次級-初級-次級繞組工藝，減小了分布參數(shù)的影響，有利于降低了開關(guān)關(guān)斷時(shí)的反向恢復(fù)噪聲。

2.2 整流器電磁干擾

整流器由逆變電路、高頻變換、高頻整流濾波、EMI 濾波、輔助電源、控制及單片機(jī)電路、采樣電路等部分電路組成，其原理框圖如圖 3 所示。逆變功率管和高頻變壓器組成的高頻變換電路，其功能是在脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號的控制下，將直流電壓變成調(diào)制的交變脈沖，再經(jīng)過高頻整流濾波等電路，調(diào)制的高頻交流脈沖變成低雜音、低電磁干擾的高質(zhì)量的直流電壓輸出。其中，逆變功率管、高頻變壓器和整流電路是整流器產(chǎn)生電磁騷擾的主要騷擾源，具體分析如下：

1）功率管工作在高頻導(dǎo)通和截止的狀態(tài)，形成了浪涌電壓和浪涌電流，會(huì)產(chǎn)生高頻高壓的尖峰諧波，對空間和輸入線形成電磁騷擾；

2）整流器整流過程產(chǎn)生的高次諧波會(huì)沿著電源線產(chǎn)生傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾；

3）高頻變壓器、整流二極管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，繞組漏感引起的電流突變，也是一種電磁騷擾源。

圖 3 整流器電路組成原理框圖Fig. 3 Rectifier circuit component diagram

為了減小 du/dt 和 di/dt，改善開關(guān)導(dǎo)通條件，整流器采用軟開關(guān)技術(shù)，應(yīng)用了先進(jìn)的零電壓、零電流開關(guān)（ZVS、ZCS）技術(shù)，有效地降低了開關(guān)管的電壓、電流應(yīng)力和開關(guān)損耗，顯著減少了電磁干擾。另外，整流器也采用安裝 EMI 濾波器，輸入交流電源線和輸出直流電源線分開走線，開關(guān)管以及輸出整流二極管兩端加 RC 吸收電路等類似逆變器抗干擾措施。

3 電磁兼容性試驗(yàn)及整改

3.1 電磁兼容性試驗(yàn)

直流配電系統(tǒng)電磁兼容性試驗(yàn)在中國船舶工業(yè)武漢機(jī)電產(chǎn)品檢測中心實(shí)施，試驗(yàn)設(shè)備布置如圖 4 所示。試驗(yàn)屏蔽暗室被試設(shè)備（EUT）包含直流配電系統(tǒng) a，b，c，d 和 e 設(shè)備，由于暗室內(nèi)部現(xiàn)有供電接口不滿足被試設(shè)備供電要求，需要采用外部試驗(yàn)電源供電。按照 GJB152A 規(guī)定，電磁環(huán)境電平應(yīng)至少低于規(guī)定的極限值 6 dB，電源線上傳導(dǎo)環(huán)境電平應(yīng)在斷開EUT 情況下測量［7-8］。

圖 4 中，為了滿足電磁環(huán)境電平要求，試驗(yàn)電源應(yīng)與負(fù)載設(shè)備分開布置，與暗室受試設(shè)備（EUT）連接試驗(yàn)電源電纜和負(fù)載電纜應(yīng)分開接入不同的暗室穿線孔 1、2，試驗(yàn)電源的電源線傳導(dǎo)發(fā)射干擾測試（CE101和CE102）應(yīng)符合規(guī)定限值要求。

圖 4 直流配電系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備布置圖Fig. 4 Test equipment layout of DC power distribution system diagram

試驗(yàn)依據(jù) GJB151A 進(jìn)行 CE101，CE102，RE101，RE102，CS101，CS114，CS116，RS101 和 RS103 等 9項(xiàng)測試。直流配電系統(tǒng)弱電設(shè)備少，對外部干擾不敏感，容易通過后 6 項(xiàng)敏感度干擾測試項(xiàng)目。初次試驗(yàn)結(jié)果，以上 9 項(xiàng)測試項(xiàng)目 CE102 測試超標(biāo)，測量CE102 極限值如圖 5 所示，超標(biāo)約 15 dB，超標(biāo)頻段200 kHz～2 MHz。

圖 5 整改前CE102電源線正極傳導(dǎo)發(fā)射Fig. 5 CE102 conduction emission curve for pre-rectification

3.2 整改措施

根據(jù)信號頻段分析可以明確干擾信號類型，小于0.1 MHz 頻段以差模干擾為主，0.1～1 MHz 頻段兼有差模、共模干擾，大于 1 MHz 頻段以共模干擾為主。由圖 5 測試 CE102 電源傳導(dǎo)干擾結(jié)果，設(shè)備傳導(dǎo)干擾應(yīng)同時(shí)具備共模和差模干擾信號。為了抑制干擾，設(shè)備輸入端增加電源濾波器，選用常州多極濾波器，根據(jù)測量超標(biāo)值，并考慮插入損耗預(yù)留 20 dB 余量，選取濾波器插入損耗曲線如圖 6 所示。濾波器采用二階濾波器，電路結(jié)構(gòu)如圖 7 所示，共模線圈 L1和共模電容C2消除共模干擾，L1= 8 mH，C2= 0.1 μF，差模電容C1抑制差模干擾，C1= 3 μF。整改后測量 CE102 傳導(dǎo)干擾曲線如圖 8 所示，符合極限值要求。

圖 7 整改濾波器電路圖Fig. 7 Rectification filter circuit diagram

圖 8 整改后 CE102 電源線正極傳導(dǎo)發(fā)射Fig. 8 CE102 conduction emission curve for after-rectification

4 結(jié) 語

基于現(xiàn)代電力電子技術(shù)的直流區(qū)域配電系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)艦船配電技術(shù)，簡化配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，減少系統(tǒng)占用空間，提高了整船電力系統(tǒng)生命力，符合艦船綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展方向。艦船獨(dú)立平臺空間狹小、電力電子裝置和設(shè)備密集的特點(diǎn)決定了其電磁兼容性問題的突出性和復(fù)雜性。

本文分析了直流配電系統(tǒng)的組成及電磁干擾，針對逆變器和整流器等電力電子變流裝置，采用了安裝EMI 濾波器、改善開關(guān)管導(dǎo)通條件以及合理結(jié)構(gòu)布線設(shè)計(jì)等抑制干擾措施，整個(gè)系統(tǒng)取得了較好的電磁兼容性能，對電磁兼容性試驗(yàn)項(xiàng)目出現(xiàn)的具體問題完成整改，滿足試驗(yàn)要求。

直流配電系統(tǒng)進(jìn)行整改 CE102 試驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，比較分析了系統(tǒng)各設(shè)備傳導(dǎo)發(fā)射情況。其中，a 和 e 設(shè)備僅涉及電能傳輸和分配，傳導(dǎo)干擾較??；設(shè)備 b，c 和 d涉及電能轉(zhuǎn)換，c 設(shè)備限值超標(biāo)，b 和 d 采取抑制措施較好，傳導(dǎo)發(fā)射不超標(biāo)。因此可以看出，設(shè)備 b 和 c由不同逆變器組成，采用了濾波器抑制措施，由于實(shí)際主電路和阻抗差異，電磁干擾抑制效果不同，而 d設(shè)備中整流器采用了濾波器和軟開關(guān)技術(shù)，能夠很好抑制干擾。

總之，電磁干擾抑制是個(gè)綜合性、系統(tǒng)性工程，解決艦船電力系統(tǒng)中電力電子裝置的電磁兼性問題，需要同時(shí)使用多種方法，才能達(dá)到抑制電磁干擾，提高電磁兼容性目的。

［1］馬偉明. 電力電子在艦船電力系統(tǒng)中的典型應(yīng)用［J］. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2011， 26（5）: 1–7. MA Wei-ming. Typical applications of power electronics in naval ship power systems［J］. Transactions of China Electrotechnical Society， 2011， 26（5）: 1–7.

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［8］國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì). 軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測量: GJB 152A-1997［S］. Defense Science， Technology and Industry Committee. Measurement of electromagnetic emission and susceptibility for military equipment and subsystems: GJB 152A-1997［S］.

Analysis and test of EMC for a DC power distribution system

SONG Hui， WANG Wang-qiu， CHEN Hua-feng
（The 713 Research Institute of CSIC， Zhengzhou 450015， China）

The paper analyzes the composition of a marine DC power distribution system and the electromagnetic interference of the power electronic converter. In order to control the high frequency interferences caused by the inverter and rectifier. The measures are designed to improve the switching condition and the filter. The system has carried on the electromagnetic compatibility test according to GJB151A， and has completed the reform to test problems， meets the target request.

DC power distribution systeml；inverter；rectifier；EMC

U665

A

1672 – 7619（2016）04 – 0116 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.04.023

2015 – 11 – 05；

2015 – 12 – 14

宋輝（1978-）：男，碩士，高級工程師，主要從事電氣控制系統(tǒng)開發(fā)。