本文介绍了GJB151A中CE101测试项目，针对某型舰载电子设备CE101测试结果超标问题，分析了陷波滤波器的工作原理，指出陷波滤波器在应用中会将输入电压升高的缺陷并从理论上予以证明，提出了一种改进型陷波滤波电路，分析了其工作原理，该改进型陷波电路可以解决升高输入电压的问题。最后试验验证了该改进型陷波滤波电路的可行性。

 

引言

 

随着电力电子技术的高速发展，各类电力电子设备及非线性负载被广泛应用于民用、工业、军事等领域，这些电子设备及负载产生的电磁干扰及谐波电流将局部电磁环境复杂化，直接影响周围其它电子设备的正常工作或带来潜在隐患。电磁干扰及谐波电流导致的问题日趋严重,有效抑制与治理电磁干扰及谐波电流日趋引起人们的重视 。

 

在军事及其相关领域，最常用的电磁兼容标准是 GJB151A-1997《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》（以下简称“GJB151A”）及在之基础上补充完善的GJB151B-2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》，上述标准里规定了各军种平台不同设备与分系统的测试项目、要求、限值和方法。

 

据统计，在电磁兼容测试项目中，80%以上的超标问题集中在CE101测试及RE102测试，本文重点分析CE101测试项。CE 101，即 25 Hz~10 kHz 电源线传导发射，是上述标准中最常用的测试项之一。该项目适用于测试水面舰船、潜艇、陆军飞机（包括机场维护工作区）和海军飞机上的电源线，包括电源回线。测试流经这些电源线上的谐波电流幅值并与标准限值进行对比。CE101考核的目的即是通过测试、对比及整改，对电源线上的倍频谐波电流进行抑制处理，减小对输入电源的污染，提高供电电源的电能质量。

 

受试设备及测试配置

 

本次测试的设备为某舰船用电子设备控制机柜，三相380V/50 Hz供电。本次测试的地点为中国电子科技集团公司某研究所电磁兼容暗室。测试时实验室温度、湿度均符合标准所要求的环境条件。受试设备照片如图1所示。

 

 

图1 受试设备外观照片

 

测试结果

 

该型舰载电子设备CE101测试结果如图2所示，该图为 GJB 151A 中规定的水面舰船（50 Hz，输入功率大于1 kVA）的限值曲线和测试结果曲线关系图。按照标准GJB 151A要求，当设备输入电源功率大于1KVA，且设备和分系统的基波电流I基大于1A时，限值放宽20lgI基dB，即限值线放宽20lg5.3＝14.5dB，即为图2中CE101-2 More than 1KVA-5.3A限值曲线。当测试结果曲线全部位于CE101-2 More than 1KVA-5.3A限值曲线下方时，测试结果为合格，否则为不合格。由图2可以看出，该受试设备的3次（150Hz）、5次（250Hz）及7次（350Hz）谐波电流均超标。最大超标点在250 Hz处，最大超标量为26.48 dBμA。

 

 

图2 某舰船电子设备的CE101测试结果

 

将图2所示的谐波电流分贝值换算为谐波电流值，如表1所示。

 

表1 某舰船设备谐波电流测试值

 

 

陷波滤波器

 

超标的谐波电流会以传导方式进入输入电源网络，影响输入电源的电能质量，进而影响同源其他设备的正常工作。因此必须对谐波电流进行抑制处理。

 

因其电路结构简单、实现成本低廉等优势，无源成为目前应用最为广泛的谐波电流抑制装置。陷波滤波器由功率电感L和交流电容C串联组成，利用串联谐振阻抗最小的阻抗特性，将LC谐振频率的谐波电流引入，减小该频率的谐波电流对输入电源的污染。针对多次谐波电流，单调无源陷波滤波器也可多个并联使用，分别予以滤除。某陷波滤波电路对于自身谐振频率的谐波电流相当于短路，但对于基波和其他次倍频的谐波电流呈高阻状态。因此，陷波滤波器的本质是对该频率谐波电流提供一个最小阻抗路径，对谐波电流进行分流，以减小对输入电源的污染。

 

单调无源陷波滤波器的简化电路如图3所示，其中 Us为输入交流源，R为非线性负载，L、C分别为陷波滤波支路的电感与电容。流过非线性负载R的电流可根据傅里叶变换分解为50Hz基波电流与若干个奇次倍频谐波电流之和，即基波电流源与多个奇数倍频谐波电流源并联，如图4所示。

 

 

图3 单调无源陷波滤波器

 

 

图4 陷波滤波器电路等效图

 

欲抑制某频率谐波电流，应使该频率谐波电流尽可能都从该频率陷波滤波支路流过，减小该谐波电流流经输入电源及其他频率谐波滤波支路。以5次谐波电流陷波滤波为例，假如图4 中L5、C5的串联谐振频率为250Hz，则有：

 

 

理想状态下，该5次陷波滤波支路对于5次谐波电流的阻抗为零，则5次谐波电流应全部从该5次陷波滤波支路流过，而不会流经输入电源或其他次陷波滤波支路。但由于陷波滤波支路的并联分流作用及寄生参数的存在， 5次谐波电流并不会完全流经5次陷波滤波支路，而是被输入电源阻抗与各个陷波滤波支路阻抗并联分流，实际上输入电源的源阻抗也很小，因此该5次谐波电流仍有较大部分流经输入电源。

 

因此，增加输入电源源端阻抗，可以减小高次谐波电流流经输入电源。传统陷波滤波电路应用中，会在输入电源处串联一个电感LS以增加源阻抗，减小谐波电流流经电网的分量，提高功率因数，其等效电路如图5所示。

 

 

图5 传统陷波滤波电路等效图

 

图5中Us输入电压，Uo为滤波器输出电压，则输出电压与输入电压的关系为：

 

 

式中：

ω=2πƒ，ƒ—基波频率；

n—大于1的奇数；

Ln、Cn—n次单调陷波滤波电路的电感与电容。

则有：

 

 

式中：

ωn=2πnƒ。

将式（3）代入式（2）可得：

 

 

当n分别为3、5、7次倍频时，由式（4）可以分别得出：

 

 

如此类推。则由式（4）～式（7）可得：

 

 

由上述分析可以得出以下结论：

1）由式（4）可以得出，传统陷波滤波应用中，输出电压Uo必然高于输入电压Us，即源端串联电感LS将输入电压升高，升高的幅值与源端串联电感LS取值有关，LS越大，输出电压升高幅值越大。

 

2）由式（8）可以得出，各个单调陷波滤波支路中的电感取值相互关联，可以由式（3）与式（8）计算各陷波滤波支路中电感与电容的取值。

 

整改措施及分析

 

基于测试结果及以上理论分析，本文在整改中采用了一种新颖的改进型陷波滤波电路，在陷波电路上并联电感Lpn，如图6所示。

 

 

图6中输出电压Uo与输入电压Us的关系为：

 

 

式中：

Ln、Cn—n次单调陷波电路的电感与电容；

Lpn—与n次单调陷波电路并联的电感；

n—大于1的奇数；

ω=2πƒ, ƒ为基波频率。

将式（9）展开可得：

 

 

为解决传统陷波滤波应用中源端串联电感LS会将输入电压升高的问题，并避免并联电感Lpn后与源端串联电感LS分压而将输入电压拉低影响后级设备正常工作，为使，则由式（10）可有：

 

 

消去LS，则有：

 

 

将式（3）代入式（12），则有：

 

 

由式（13）可得，对于3、5、7次单调陷波电路，其并联电感Lp3 Lp5、Lp7可分别表示为：

 

 

以此类推。而对于多个单调陷波滤波支路，其并联电感Lpn亦可并联合并为一个电感Lp，即：

 

 

由以上分析可以得出结论：

并联合并后的电感Lp的值与各个陷波滤波支路的串联谐振电感Lpn取值有关，可以由以上公式及式（3）计算实际应用中各陷波滤波支路串联电感Ln与串联电容Cn以及并联电感Lpn的取值。

 

根据上述公式计算滤波器参数并进行了实物制作，滤波器实物照片如图7所示。

 

 

图7 改进陷波滤波器实物照片

 

 

图8 整改后CE101测试结果

 

使用上述滤波器实物对该舰船电子设备进行了CE101试验验证，测试结果如图8所示，可以看出，经使用改进型陷波滤波器整改后，各倍频谐波电流得到明显抑制，且经过实际测试，其输出电压有效值与输入电压有效值接近。

 

结论

 

本文简单介绍了GJB151A中CE101测试项目，针对某型舰载电子设备CE101测试结果超标问题，分析了陷波滤波器的工作原理，指出了传统陷波滤波器在实际应用中会将输入电压升高的缺陷并进行了理论验证。提出了一种新颖的整改方案，即在陷波滤波支路上并联一个电感，该电感值可通过精确计算得出。试验结果表明，该方案可以有效抑制谐波电流，使得电子设备满足GJB151A中CE101试验要求，且输出电压没有被升高。后续将对陷波支路电感及并联电感的通流能力及饱和电流开展研究。

 

引用本文：

 

王威，姜春辉，熊亚丽.某型舰载电子设备CE101测试整改分析[J].环境技术,2022,40(04):166-170.