王威，姜春輝，熊亞麗

（成都新欣神風(fēng)電子科技有限公司，成都 611731）

引言

隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，各類電力電子設(shè)備及非線性負(fù)載被廣泛應(yīng)用于民用、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域，這些電子設(shè)備及負(fù)載產(chǎn)生的電磁干擾及諧波電流將局部電磁環(huán)境復(fù)雜化[1]，直接影響周圍其它電子設(shè)備的正常工作或帶來潛在隱患[2]。電磁干擾及諧波電流導(dǎo)致的問題日趨嚴(yán)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(guān)領(lǐng)域，最常用的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)是 GJB 151A-1997《軍用設(shè)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(chǔ)上補充完善的GJB 151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》，上述標(biāo)準(zhǔn)里規(guī)定了各軍種平臺不同設(shè)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(biāo)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(dǎo)發(fā)射，是上述標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)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(jìn)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(shè)備及測試配置

本次測試的設(shè)備為某艦船用電子設(shè)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(biāo)準(zhǔn)所要求的環(huán)境條件。受試設(shè)備照片如圖1所示。

圖1 受試設(shè)備外觀照片

2 測試結(jié)果

該型艦載電子設(shè)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(guān)系圖。按照標(biāo)準(zhǔn)GJB 151A要求，當(dāng)設(shè)備輸入電源功率大于1 kVA，且設(shè)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(dāng)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(shè)備的3次（150 Hz）、5次（250 Hz）及7次（350 Hz）諧波電流均超標(biāo)。最大超標(biāo)點在250 Hz處，最大超標(biāo)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(shè)備諧波電流測試值

圖2 某艦船電子設(shè)備的CE101測試結(jié)果

3 陷波濾波器

超標(biāo)的諧波電流會以傳導(dǎo)方式進(jìn)入輸入電源網(wǎng)絡(luò)，影響輸入電源的電能質(zhì)量，進(jìn)而影響同源其他設(shè)備的正常工作。因此必須對諧波電流進(jìn)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(yīng)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(dāng)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(jìn)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(fù)載，L、C分別為陷波濾波支路的電感與電容。流過非線性負(fù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(guān)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(yīng)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(guān)，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(guān)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(jìn)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(guān)系為：

圖6 改進(jìn)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(yīng)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(shè)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(guān)，可以由以上公式及式（3）計算實際應(yīng)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(jìn)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(shè)備進(jìn)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(jìn)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(shè)備CE101測試結(jié)果超標(biāo)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(yīng)用中會將輸入電壓升高的缺陷并進(jìn)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(shè)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。