飛機(jī)大電流交流設(shè)備的CE101限值探討

梁 濤 王 凱 劉 焱 袁震宇

(1.海軍裝備部裝備項(xiàng)目管理中心 北京 100071；2.北京航空航天大學(xué) 北京 100191；3.北京長(zhǎng)鷹恒容電磁科技有限公司 北京 100083 )

0 引言

CE101 25Hz～10kHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射是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(cè)量》中針對(duì)用電設(shè)備電源線低頻傳導(dǎo)發(fā)射的一項(xiàng)要求，其目的是控制設(shè)備在電源線上的低頻發(fā)射，以免對(duì)其他共用電源設(shè)備造成影響。對(duì)各類飛機(jī)平臺(tái)，CE101的超標(biāo)可能會(huì)造成低頻磁敏感設(shè)備工作異常。近期，某型飛機(jī)平臺(tái)的大功率用電設(shè)備(每相電流超過了10A)在進(jìn)行CE101項(xiàng)目的電磁兼容性試驗(yàn)時(shí)，始終無法通過GJB 151B標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求，主要超標(biāo)點(diǎn)為400Hz的5、7、11、13次諧波。上述諧波的產(chǎn)生主要是因?yàn)橛秒娫O(shè)備電源輸入的整流濾波電路由非線性器件+儲(chǔ)能元件構(gòu)成，導(dǎo)致輸入波形成為脈沖方波波形，該波形的奇次諧波較大，偶次諧波較小，其中，因電源采用三相供電及六脈波整流原理，3次及其倍數(shù)諧波相互抵消而相對(duì)較小，5、7、11、13次諧波最為突出。研制單位針對(duì)上述頻率進(jìn)行了多輪整改，型號(hào)電磁兼容性技術(shù)組也組織了專家研討，對(duì)整改措施的可實(shí)施性和性價(jià)比進(jìn)行了分析，認(rèn)為如此大功率的設(shè)備(每相電流超過10A)滿足GJB 151B的要求是非常困難的，因此標(biāo)準(zhǔn)的極限值要求是否過于嚴(yán)苛，需要進(jìn)行分析探討。

1 GJB 151B CE101限值要求

在GJB 151B中第5.4章節(jié)中，對(duì)飛機(jī)配套設(shè)備的CE101極限值要求如下[1]：

該極限值的要求為絕對(duì)值，與用電設(shè)備的工作電流大小沒有關(guān)系。對(duì)于大功率用電設(shè)備，只能采用開關(guān)電源供電方式，因此必然會(huì)產(chǎn)生400Hz的諧波等無用發(fā)射，且功率越大，諧波發(fā)射的絕對(duì)值越大，滿足要求的難度越大。

在另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)GJB 181B-2012 《飛機(jī)供電特性》中，對(duì)諧波發(fā)射也提出了要求，即“交流用電設(shè)備的電流畸變系數(shù)應(yīng)不大于10%”[2]。該極限值要求為相對(duì)值，即除基波以外的所有諧波均方根值與基波電流相比，不大于10%，實(shí)際現(xiàn)有技術(shù)水平可達(dá)到不大于3%。GJB 181并未給出單次諧波電流的極限值要求。假設(shè)除基波外，只有5、7、11、13次諧波。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，5、7次諧波幅值基本相同，11、13次諧波幅值基本相同且約為5、7次諧波的1/3，則根據(jù)式(1)可以計(jì)算出分配給四個(gè)諧波的極限值(按要求10%/實(shí)際3%兩個(gè)數(shù)計(jì)算)。

(1)

其中，I5=I7=xI1，I11=I13=xI1/3，x為5次諧波電流系數(shù)。根據(jù)公式可得x=13.4%(按總諧波電流10%計(jì)算)和x=40%(按總諧波電流3%計(jì)算)，則5、7、11、13次諧波要求與實(shí)際水平見表1所示。

根據(jù)圖1曲線，可計(jì)算出GJB151B規(guī)定的上述4個(gè)頻率的極限值要求。我們可以與GJB181B-2012標(biāo)準(zhǔn)中單次諧波(假設(shè)設(shè)備工作電流分別為1A、10A、100A)近似的極限值要求及當(dāng)前技術(shù)水平的諧波電流對(duì)應(yīng)，見表1所示。

圖1 適用于海軍ASW飛機(jī)、陸軍飛機(jī)(包括機(jī)場(chǎng)維護(hù)工作區(qū))和空間系統(tǒng)的CE101限值(GJB151B圖11)

表1 GJB151B與GJB181B在不同工作電流情況下的極限值比較

由表1可見，當(dāng)被試品工作電流超過0.84A時(shí)，滿足GJB181B的設(shè)備，GJB151B中CE101項(xiàng)目在2.8kHz已經(jīng)超差，即兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)論會(huì)產(chǎn)生不一致。即使按現(xiàn)有電源技術(shù)水平，將總諧波電流降低至3%，當(dāng)設(shè)備工作電流超過2.85A時(shí)，7次諧波點(diǎn)也已經(jīng)無法滿足GJB151B。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)CE101項(xiàng)目按照額定工作電壓劃分極限值的方法，與設(shè)備實(shí)際特性不符，給工程應(yīng)用帶來了困難。

2 GJB 151B附錄B對(duì)CE101的極限值要求分析

GJB 151B實(shí)施指南指出，對(duì)于CE101項(xiàng)目，訂購(gòu)方可以剪裁，具體剪裁的情況有以下三種：

1)根據(jù)飛機(jī)上是否安裝本頻率范圍內(nèi)的靈敏接收機(jī)，如磁探或聲吶，對(duì)整個(gè)CE101項(xiàng)目剪裁。

2)基于平臺(tái)電源系統(tǒng)的專門特性修改CE101限值。

3)存在大電流負(fù)載，為滿足本項(xiàng)目要求所需的濾波器體積太大，電源線分布較短或者沿高位線有專門回線時(shí)，使用5μH的LISN進(jìn)行測(cè)試，極限值如圖2所示[1]。

圖2 適用于5μH LISN的CE101限值(GJB151B圖B.1)

圖2曲線為工作電流1A時(shí)的極限值曲線，如電流超過1A，其極限值為平坦部分向上移動(dòng)20lgI，在150kHz處限值不變(115V/400Hz電源此頻率點(diǎn)處限值為62dBμA)，既能保持GJB181的電源品質(zhì)，又能盡量減小濾波器尺寸。該測(cè)試方法在GJB151B的附錄B中明確提出，且在實(shí)施指南中指出，當(dāng)EUT工作電流大于100A時(shí)適用。

但經(jīng)分析可以看出，如按圖2所示限值要求，EUT工作電流為1A時(shí)，2kHz(5次諧波點(diǎn))以下的極限值為110dBμA，即0.316A，即使不計(jì)算其他次諧波量值，5次電流畸變已經(jīng)達(dá)到了31.6%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了GJB181的要求。當(dāng)電流繼續(xù)增大時(shí)，因?yàn)橛?0lgI的限值放松，5次電流畸變總是31.6%。這與GJB151B實(shí)施指南中所說的“可保持GJB181的電源品質(zhì)”相矛盾。

3 GJB 151B對(duì)大功率用電設(shè)備的CE101極限值要求的局限性

通過以上分析可以看出，對(duì)于大功率用電設(shè)備，按GJB151B的測(cè)試方法與極限值要求，存在以下局限性：

1)如按標(biāo)準(zhǔn)第5.4章節(jié)方法測(cè)試，被試設(shè)備在工作電流超過1.8A以后，很難滿足CE101的限值要求。當(dāng)然目前實(shí)際的開關(guān)電源的電源品質(zhì)可以做到很好，在精心設(shè)計(jì)和調(diào)試后，總電流畸變可達(dá)3%以下，有助于通過CE101的測(cè)試，但在電流增大到一定程度時(shí)(由于CE101是一個(gè)絕對(duì)限值的要求)，仍然不能滿足CE101的要求。

2)如按附錄B的測(cè)試方法和極限值要求，則存在限值過松的問題。假如沒有GJB181的限制，工作電流10A的設(shè)備，單次諧波電流可達(dá)3.16A，工作電流100A的設(shè)備，單次諧波電流可達(dá)31.6A，這個(gè)量值已經(jīng)嚴(yán)重影響到了電氣系統(tǒng)的正常工作，因?yàn)椴还懿捎脵C(jī)械式還是固態(tài)斷路器，3次及以上的諧波會(huì)急劇增加斷路器損耗，造成斷路器發(fā)熱跳閘，嚴(yán)重時(shí)可能燒毀。為平衡上述矛盾，對(duì)于飛機(jī)來說，總體一般都會(huì)考慮GJB181的要求，但GJB181僅針對(duì)400Hz的諧波點(diǎn)提出要求，并非連續(xù)頻譜的限值要求，仍然會(huì)造成CE101對(duì)其他非400Hz諧波的頻率點(diǎn)限值要求過松的問題。

4 其他相關(guān)要求的分析

GJB 151B中對(duì)于水面艦艇和潛艇的CE101限值如下[1]：

在基波電流≤1A時(shí)，用電≥0.2kVA的設(shè)備基礎(chǔ)限值為90dBμA，用電>1A時(shí)，限值放寬20lgI(dB)。功率的大小只影響基礎(chǔ)曲線采用哪一個(gè)，這是因?yàn)榕炌Ш蜐撏脚_(tái)的電源品質(zhì)要求來源于MIL-STD-1399-300B Electric Power, Alternating Current。在該標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于≥0.2kVA的用電設(shè)備，400Hz的2～32次的單次諧波電流不大于基波電流滿載時(shí)的3%，超過32次諧波至20kHz時(shí)的諧波電流不大于基波電流的1/n(n為諧波次數(shù))，總諧波含量不大于5%[3]。通過圖3計(jì)算可知，基波電流1A時(shí)，單次諧波電流限值為0.0316A，與MIL-STD-1399-300吻合。

圖3 適用于水面艦船和潛艇的CE101限值(400Hz)(GJB151B圖10)

對(duì)于GJB181B的要求，假設(shè)基波電流為1A，單次電流諧波按5%要求計(jì)算，絕對(duì)值為94dBμA；單次電流諧波按3%要求計(jì)算，絕對(duì)值為90dBμA。

我們注意到，在同時(shí)考慮電源品質(zhì)和電磁兼容性時(shí)，以1A工作電流為基礎(chǔ)的極限值約為90dBμA，與海軍飛機(jī)或陸軍飛機(jī)的限值(110dBμA)相差為20dB。

在MIL-STD-461F原文中表述，陸軍限值相對(duì)于MIL-STD-704有20dB的余量，主要是考慮到可能會(huì)有多個(gè)發(fā)射源的貢獻(xiàn)[4]?？梢岳斫鉃檫@個(gè)限值是針對(duì)于同一個(gè)電源節(jié)點(diǎn)，可能會(huì)有多個(gè)獨(dú)立的被試品的諧波發(fā)射造成CE101的疊加，對(duì)單個(gè)被試品要求限值為90dBμA，多個(gè)被試品的諧波發(fā)射對(duì)電源母線均有貢獻(xiàn)，因此要對(duì)母線節(jié)點(diǎn)的限值要求放松20dB。

5 對(duì)大功率用電設(shè)備的CE101極限值要求的建議思路

根據(jù)GJB 151B中對(duì)CE101的剪裁原則，該試驗(yàn)項(xiàng)目的要求是必須要提出的，但訂購(gòu)方可以對(duì)限值進(jìn)行修改。限值修改方案可選以下之一：

1)400Hz諧波單獨(dú)判別方法。在進(jìn)行CE101測(cè)試時(shí)，對(duì)400Hz的諧波頻率及其±5%頻率范圍內(nèi)不做合格性判別，而采用GJB181的要求進(jìn)行考核，其余頻率按照GJB151B圖11的極限值執(zhí)行，試驗(yàn)方法按GJB151B的CE101常規(guī)試驗(yàn)方法。

2)采用GJB151B附錄B的測(cè)試方法。需參考MIL-STD-1399-300標(biāo)準(zhǔn)要求，按單次諧波不超過基波電流的3%取值，可得基波電流1A時(shí)，單次諧波電流為89.54dBμA。因此可將GJB151B圖B.1的曲線一平坦部分下移20dB，即平坦部分基礎(chǔ)限值為90dBμA，150kHz處極限值保持62dBμA不變，以此曲線作為工作電流為1A的設(shè)備極限值曲線；當(dāng)I>1A時(shí)，平坦部分以20lgI上移，150kHz處極限值保持不變，將該曲線設(shè)定為400Hz大電流用電設(shè)備的極限值曲線。

圖4所示工作電流分別為1A、10A、20A、30A、100A時(shí)的CE101極限值建議值。

圖4 適用于400Hz大電流用電設(shè)備CE101限值建議

表2 400Hz大電流用電設(shè)備不同基波電流的CE101極限值對(duì)照表(至20次諧波)

上述兩種方案均考慮了標(biāo)準(zhǔn)間的協(xié)調(diào)，也符合實(shí)際情況。對(duì)設(shè)備級(jí)試驗(yàn)來說，可以通過一定的電磁兼容性設(shè)計(jì)達(dá)到要求，同時(shí)在系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)中，再針對(duì)原試驗(yàn)方法超標(biāo)的頻率對(duì)低頻敏感設(shè)備的兼容性重點(diǎn)考察，確保全機(jī)可兼容工作。

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)以上分析，GJB 151B中兩種測(cè)試方法和限值對(duì)大功率交流用電設(shè)備的CE101項(xiàng)目考核均有一定的局限性，考慮到特種飛機(jī)大功率用電設(shè)備較多，急需根據(jù)實(shí)際情況對(duì)該項(xiàng)目提出具有可操作性的限值和測(cè)試方法。本文基于大功率用電設(shè)備的電流畸變產(chǎn)生機(jī)理，綜合提出了CE101項(xiàng)目限值調(diào)整的方法和建議，協(xié)調(diào)了現(xiàn)行電磁兼容和電源適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)的矛盾，能夠?yàn)樵擃愒O(shè)備的鑒定提供參考。