一種船用逆變電源電磁兼容試驗

王旺球，宋 輝，陳華鋒

（中國船舶重工集團公司 第七一三研究所，鄭州 450015）

一種船用逆變電源電磁兼容試驗

王旺球，宋 輝，陳華鋒

（中國船舶重工集團公司 第七一三研究所，鄭州 450015）

文章介紹了一種船用逆變電源的原理，按照GJB 151A進行了電磁兼容試驗，針對試驗過程中產(chǎn)生的電磁兼容超標問題，采取改善開關(guān)導通條件和安裝濾波器等抑制措施，最終滿足了指標要求。

逆變電源；電磁兼容；試驗

0 引言

隨著各行各業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展和對操作性能要求的提高，許多行業(yè)的用電設(shè)備都不是直接用交流電網(wǎng)提供的交流電作為電能源，而是通過各種形式對其進行變換，從而得到各自所需的電能形式。逆變就是對電能進行變換和控制的一種基本形式，它完成將直流電變換成交流電的功能。

船用配電柜對全船的電力系統(tǒng)進行區(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)，向用電負載提供不同電制、不同頻率、不同幅值需求的電能。與傳統(tǒng)配電技術(shù)相比，直流輸入的配電系統(tǒng)有利于提高船舶生命力，減少配電系統(tǒng)重量和制造成本，有利于船舶總體優(yōu)化和升級改造[1-3]。

某型船舶在特定工況下，由蓄電池提供唯一動力來源，需要采用交流設(shè)備將直流電變換為恒定的交流電供給交流負載使用。本文設(shè)計了一種船用逆變電源，并對其進行了電磁兼容試驗，對試驗項目上出現(xiàn)的問題進行了整改，滿足了試驗指標要求。

1 工作原理

逆變電源由輸入接電電路、輸入濾波電路、IGBT三相逆變、LC濾波和三相隔離輸出電路、三相輸出反饋電路、波形控制和驅(qū)動、三相輸出采樣電路、微處理器控制電路、狀態(tài)控制和輔助電源等組成。逆變電源原理框圖見圖1。

直流電通過輸入接電電路接入交流電源，經(jīng)延時上電后送至輸入濾波電路，濾波后的直流電壓輸送到IGBT逆變電路，為保證三相不平衡工作時的電壓，IGBT逆變電路由三組相同電路組成，每組由功率模塊IGBT和高壓脈沖吸收電路組成，采用橋式逆變電路，三組電路除了輸出相位相差 120°外，其余電路完全相同。三相逆變電路由微處理器進行控制，通過主控制板上的EPROM和D/A轉(zhuǎn)換，輸出相位分別為0°、120°和240°的三相正弦信號并送到信號控制板；輸出的三相電壓、電流采樣信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，由微處理器采集和處理。輸送到信號板上的三相正弦信號，通過采用先進的正弦脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）產(chǎn)生三相SPWM波，分別送給三組IGBT隔離驅(qū)動電路驅(qū)動IGBT，得到放大后的SPWM波，再經(jīng)過LC濾波、輸出變壓器和輸出濾波電路，得到穩(wěn)定的50 Hz三相交流電。狀態(tài)控制電路主要實現(xiàn)復位、狀態(tài)指示、故障指示、輸出電壓和電流采樣信號。

功率逆變電路是逆變電源的核心部分，電路有三路獨立橋式逆變組成，基本結(jié)構(gòu)圖見圖2。

基本結(jié)構(gòu)中主要有功率模塊IGBT、吸收電容和隔離驅(qū)動組成，具有以下功能：

1）具有短路保護功能；

2）具有過欠壓保護功能；

3）具有過溫保護功能；

4）每相可獨立控制、調(diào)壓；

5）功率開關(guān)管并聯(lián)吸收電容，在開關(guān)管關(guān)斷瞬間源漏極之間的電壓變化率得以降低，減少了容性位移電流引起的開關(guān)噪聲，提高了電磁兼容性能。

2 電磁兼容設(shè)計

對于電磁兼容設(shè)計來說，重要的有三個要素：騷擾源、耦合途徑以及敏感設(shè)備。針對這三個方面，展開了交流直流電源電磁兼容設(shè)計工作。

對于由于交流電源的功率變換器工作于高頻開關(guān)狀態(tài)，在半導體開關(guān)導通與關(guān)斷瞬間，電壓和電流的高速變化會產(chǎn)生寬頻譜的電磁噪聲。逆變電源輸入端會產(chǎn)生高頻電壓脈沖，疊加在直流輸入電壓端，產(chǎn)生傳導差模干擾噪聲。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，該噪聲電流通過接地線傳播[4]。因此，其本身相對于其他敏感設(shè)備來說，就是一個騷擾源。對于開關(guān)電源的控制等小信號，外部騷擾也會影響到電源的正常工作。因此電源設(shè)計的重點包括降低電源自身對外界的干擾，提高自身的抗干擾能力，同時切斷騷擾源的傳播途徑。

為減小電源本身的對外騷擾以及提高電源的抗干擾能力，電源在設(shè)計中采取了以下措施：

1）對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，改善了開關(guān)管的導通與關(guān)斷條件，在不損失效率的前提下，減緩了各節(jié)點的電壓變化率和各支路的電流變化率，抑制了高次諧波的對外傳導和輻射。

2）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，有利于降低開關(guān)關(guān)斷時的反向恢復噪聲。

3）電源內(nèi)部直流母線正負端以及電源輸出正負與機殼之間均放置了共模濾波電容，可以有效衰減外部信號對電源的干擾，提高電源自身的抗干擾能力。

4）電源箱體和電源模塊殼體采用比較高的電磁導率金屬板，有利于提高產(chǎn)品電磁屏蔽效果。殼體內(nèi)表面處理方式為鍍彩鋅，有利用提高殼體的磁導率和耐腐蝕性。

5）在保證模塊散熱要求的情況下，盡量不開散熱孔；并且所有的散熱孔開孔方式都是規(guī)則的圓孔，這樣也有利于提高殼體的電磁兼容性。

3 電磁兼容試驗及整改

3.1 電磁兼容試驗

該逆變電源電磁兼容試驗依據(jù)GJB 151A進行CE101、CE102、RE101、RE102、CS101、CS114、CS116、RS101和RS103等9項測試，按照GJB 152A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，電源線上傳導環(huán)境電平應(yīng)在斷開EUT情況下測量[5-6]。初次試驗結(jié)果顯示，以上9項測試項目CE102測試超標，測量CE102極限值如圖3所示，超標約15 dB，超標頻段200 kHz～2 MHz。

3.2 整改措施

電力電子變流裝置器件開關(guān)頻率相當高，在傳導射頻段中會出現(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、di/dt越來越高，尖峰諧振頻率也會達到數(shù)兆赫茲[7-8]。

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 MHz～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3測試CE102電源傳導干擾結(jié)果，設(shè)備傳導干擾應(yīng)同時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)測量超標值，并考慮插入損耗預留20 dB余量，選取濾波器插入損耗曲線如圖4所示。濾波器采用二階濾波器，電路結(jié)構(gòu)如圖5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 uF，差模電容C1抑制差模干擾，C1=3 uF。整改后測量CE102傳導干擾曲線如圖6所示，符合極限值要求。

4 結(jié)論

本文分析了逆變電源的工作原理，在逆變電源的設(shè)計過程中采取了安裝 EMI濾波器、改善開關(guān)管導通條件以及合理結(jié)構(gòu)布線設(shè)計等抑制干擾措施，整個系統(tǒng)取得了較好的電磁兼容性能。最后針對該逆變電源進行了電磁兼容試驗，并對試驗項目出現(xiàn)的具體問題完成了整改，滿足了試驗要求。

[1]馬偉明.電力電子技術(shù)在艦船電力系統(tǒng)中的典型應(yīng)用[J].電工技術(shù)學報, 2011, 26(5): 3-4.

[2]陳虹.基于直流配電系統(tǒng)的船舶綜合電力系統(tǒng)[J].艦船科學技術(shù), 2005, 27(S1): 30-37.

[3]馬偉明.艦船動力發(fā)展的方向—綜合電力系統(tǒng)[J].海軍工程大學學報, 2002, 14(6): 13-15.

[4]裴雷軍, 張凱, 康勇, 等.基于EMI濾波器的逆變電源傳導電磁干擾的抑制[J].電氣傳動, 2007, 37(12): 35-37.

[5]GJB 151A-1997, 軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求[S].1997.

[6]GJB 152A-1997, 軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測量[S].1997.

[7]馬偉明, 張磊, 孟進, 等.獨立電力系統(tǒng)及其電力電子裝置的電磁兼容[M].北京: 科學出版社, 2007.

[8]趙懷軍, 宋倩楠, 邱宗明, 等.艦船電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生、危害和抑制[J].艦船科學技術(shù), 2007, 29(4): 61-65.

EMC Test of Marine Inverter

Wang Wangqiu, Song Hui, Chen Huafeng
(No.713 Research Institute of CSIC, Zhengzhou 450015, China)

The paper introduces the principle of the marine inverter.The electromagnetic compatibility (EMC) test is carried on for the inverter according to GJB151A.In order to solve the problem of exceeding standard of the EMC during the test, the measures such as improving the switching condition and installing the filter are adopted.Finally the result meets the target request.

inverter; EMC; test

U665

A

10.14141/j.31-1981.2017.01.008

王旺球（1983—），男，工程師，研究方向：相關(guān)電氣系統(tǒng)項目。