控制機(jī)柜的CE101 結(jié)果分析與整改

周劍，朱宜生，高剛

（1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，揚州 225001；2.中國船舶工業(yè)電工電子設(shè)備環(huán)境與可靠性試驗檢測中心，揚州 225001）

引言

得益于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各類電子設(shè)備被廣泛應(yīng)用于家居、交通，工業(yè)、軍事等領(lǐng)域[1，2]。一方面，這些電子設(shè)備極大地促進(jìn)了家居生活的智能化，工業(yè)生產(chǎn)力的提高和軍事科技的進(jìn)步；另一方面，這些電子設(shè)備也造成了局部電磁環(huán)境的復(fù)雜化，甚至間接影響到了周圍其它電子設(shè)備的正常工作[3]。于是人們越來越重視對于電磁兼容技術(shù)的研究與應(yīng)用。

電磁兼容是指設(shè)備（系統(tǒng)、分系統(tǒng)）在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即該設(shè)備不會由于受到處于同一電磁環(huán)境中其他設(shè)備的電磁發(fā)射導(dǎo)致或遭受不容許的降級；它也不會使同一電磁環(huán)境中其它設(shè)備（系統(tǒng)、分系統(tǒng)）因受其電磁發(fā)射而導(dǎo)致或遭受不容許的降級[4]。為了使設(shè)備滿足電磁兼容性要求，各行各業(yè)都制定了相應(yīng)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。在軍事領(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》和與其配套使用的GJB 152A-1997《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測量》，以及在它們基礎(chǔ)上修改完善后制定的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》（以下簡稱“GJB 151B”）。這些標(biāo)準(zhǔn)里規(guī)定了各軍種不同設(shè)備的測試項目、測試限值和測試方法。

1 CE101 簡介

CE 101，即25 Hz～10 kHz 電源線傳導(dǎo)發(fā)射，是GJB 151B 中最常用的考核項之一。該項目適用于水面艦船、潛艇、陸軍飛機(jī)（包括機(jī)場維護(hù)工作區(qū)）和海軍飛機(jī)上的電源線，包括電源回線，這些電源線由受試設(shè)備（以下簡稱“EUT”）以外的外部電源供電[5]。

雖然水面艦船不接地，但是在水面艦船上，所有的用電負(fù)載都有對地電容，所以這些用電負(fù)載實際上都存在著虛擬交流地。這些虛擬交流地的不平衡會導(dǎo)致船體上有交流電流流過，從而影響艦船上電子設(shè)備的正常工作[6]。所以CE101 考核的目的就是通過限制電源線上諧波來控制這些交流電流的大小，使其在可接受的范圍之內(nèi)[7,8]。

GJB 151B 中規(guī)定的CE101 測試配置圖如圖1 所示。

圖1 CE101 測試配置

2 EUT 及測試配置

本次測試的EUT 為一臺控制機(jī)柜，供電情況為一路220 V/50 Hz，如圖2 所示。

圖2 EUT 照片

表1 測試主要儀器信息

本次測試的地點為中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所電磁兼容暗室。測試時實驗室的溫度24 ℃，濕度為59 %RH，符合標(biāo)準(zhǔn)所要求的環(huán)境條件。測試所用儀器名稱、型號及校準(zhǔn)有限期如表1 所示。自動測試軟件信息如表2 所示。

表2 自動測試軟件信息

3 測試結(jié)果分析

3.1 測試結(jié)果

按照GJB 151B 規(guī)定的測試步驟，對EUT 進(jìn)行了CE101 測試，測試結(jié)果如圖3 和圖4 所示。

3.2 結(jié)果分析

圖3 和圖4 為GJB 151B 中規(guī)定的水面艦船（50 Hz，輸入功率＜1 kVA）的限值曲線和測試結(jié)果曲線關(guān)系圖。當(dāng)測試結(jié)果曲線全部位于限值曲線下方時，測試結(jié)果為合格，否則為不合格。由圖3 和圖4 可以看出，該EUT在的三次諧波、七次諧波等多個頻點處超標(biāo)，最大超標(biāo)點在850 Hz 處，最大超標(biāo)量為13.31 dBμA。

一般來說，理想的交流電源都是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形，但由于機(jī)柜中存在變壓器、開關(guān)電源等非線性用電設(shè)備，就會導(dǎo)致電源波形失真。將失真的電壓波形進(jìn)行傅里葉變換，就會出現(xiàn)三次諧波、五次諧波等及更高次的諧波。

圖3 CE101 L 線測試結(jié)果

圖4 CE101 N 線測試結(jié)果

4 整改措施及結(jié)果

4.1 整改措施

如果對這些噪聲電流不加以限制，任其以傳導(dǎo)耦合的方式進(jìn)入平臺電源網(wǎng)絡(luò)，就會對平臺電源質(zhì)量造成影響，進(jìn)而影響連接在平臺電源上的其他設(shè)備的正常工作。從以上測試結(jié)果可以看出，需要對電源線上的三次諧波和七次諧波進(jìn)行抑制。在電源線上串聯(lián)EMI 濾波器是進(jìn)行諧波抑制的有效手段[9]。但是電力電子裝備的EMI 濾波器的設(shè)計過程與信號處理中用的濾波器不同，后者是按阻抗完全匹配狀態(tài)來設(shè)計的，濾波效果可以得到很好的保證；而前者卻很難做到這一點，因為EMI 濾波器的噪聲輸入阻抗與負(fù)載阻抗是任意的，它們不可能滿足阻抗匹配條件。此外，EMI 濾波器的設(shè)計對所選用的串聯(lián)電感和并聯(lián)電容的大小還有嚴(yán)格的限制。因為串聯(lián)電感越大，其上的壓降也會越大；如果并聯(lián)電容選得太大，接地漏電流就會越大，容易造成觸電事故。所以EMI 濾波器的選型及設(shè)計特別依賴工程師的經(jīng)驗積累[10]。針對該EUT 的CE101 超標(biāo)情況，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整和試驗，最終設(shè)計出了如圖5 所示的LC 濾波器。

圖5 濾波器設(shè)計圖

4.2 整改結(jié)果

將濾波器串聯(lián)在EUT 的電源線上，并保證濾波器的良好接地，再次對該EUT 進(jìn)行CE101 項目測試，在完全相同的測試環(huán)境下，測試結(jié)果如圖6 和圖7 所示。

從圖6 和圖7 可以看出，EUT 電源線串聯(lián)本文設(shè)計的EMI 濾波器之后，三次諧波和七次諧波被成功抑制到了限值以下，更高頻率的超標(biāo)點也取得了理想的抑制效果。這是因為濾波器濾除了大部分噪聲電流，使其無法進(jìn)入電源網(wǎng)絡(luò)。本次整改達(dá)到了預(yù)期效果。

5 總結(jié)

本文針對控制機(jī)柜的CE101 測試結(jié)果，進(jìn)行了超標(biāo)情況分析，并針對超標(biāo)情況設(shè)計了濾波器。EUT 安裝濾波器之后重新進(jìn)行了CE101 測試，發(fā)現(xiàn)測試超標(biāo)的諧波得到了有效抑制，測試結(jié)果符合GJB 151B 的要求。但是，實際測試曲線進(jìn)和標(biāo)準(zhǔn)限值之間的裕度較小，所以本項目還有繼續(xù)深入研究的價值和改進(jìn)的空間。