CE101谐波问题的分析与解决.pdf

Technical Column54SAFETY&EMC No.3 20230引言当前军工产品电磁兼容 CE101 项目测试，通过率较低，主要原因有两个：一是产品设计阶段没有考虑电磁兼容性问题，特别是没有考虑CE101低频段防护设计；二是低频谐波抑制器体积较大、重量不可控，海军空军产品对体积重量又有非常高的要求，导致大体积“覆盖式”谐波抑制器难以采用。因此，探索一种对于特定超标频点更具针对性的 CE101 问题解决方案，对于军工产品的电磁兼容性具有现实意义。1产品分析某型升降机构由 380 VAC、50 Hz 电源供电，经过整流升压电源后，输出至升降电机控制器，再通过逆变，驱动电机运转，达到带动结构升降的目的。升降机构原理框图如图 1 所示。摘 要：就某型升降机构的低频传导发射（CE101）测试超标问题，综合分析了该项测试的测试原理、方法、标准限值，以及测试相关的电源谐波的概念、产生机理及解决思路等，以电感、电容组合的 LC 滤波电路为基础，对比了不同滤波结构的电路对低频传导发射的实际抑制效果,总结了对比结论，最终解决了该测试超标的问题，对军用电子设备电源设计以及相关设备低频传导发射测试问题的解决有一定的帮助和指导作用。关键词：CE101；滤波；陷波电路；电路引用格式:罗辉生，阮鹏.CE101 谐波问题的分析与解决 J.安全与电磁兼容,2023(3):54-58.LuoHuisheng,RuanPeng.AnalysisandSolutionofCE101HarmonicProblemJ.SAFETY&EMC,2023(3):54-58.(inChinese)Abstract：Inviewoftheproblemthatthelowfrequencyconductedemission(CE101)testofacertaintypeofliftingmechanismexceededthestandard,thetestprinciple,methodandstandardlimitofthelowfrequencyconductedemission(CE101)werecomprehensivelyanalyzed,aswellastheconcept,generationmechanismandsolutionideaofthepowerharmonicrelatedtothetest.BasedontheLCfiltercircuitofthecombinationofinductanceandcapacitance,comparedtheactualsuppressioneffectofcircuitswithdifferentfilteringstructuresonlowfrequencyconductedemissions,summarizedthecomparisonconclusion,andtheproblemoflowfrequencyconductedemissionoftheproductwasfinallysolved.Itishelpfultothepowerdesignofmilitaryelectronicequipmentandthetestoflowfrequencyconductionemission.Keywords：CE101;filter;notchfilter;circuitCE101 谐波问题的分析与解决AnalysisandSolutionofCE101HarmonicProblem广电计量检测集团股份有限公司电磁安全工程研究所 罗辉生 阮鹏升降机构原始测试数据如图 2 所示，550 Hz 处（11次谐波）超标 8.91 dBA。2CE101 测试分析2.1 测试原理CE101 是 GJB 151B-2013 中最常用的考核项之一，即 25 Hz10 kHz 电源线传导发射测试项目。该项目适图 1 升降机构原理框图图 2 升降机构原始测试数据序号频率/MHz读值/dBA修正因子/dB结果/dBA限值/dBA余量/dB备注10.000 5541.2166.88108.0999.18-8.91 峰值技术专栏552023 年第 3 期 安全与电磁兼容用于标准中规定的水面舰船、潜艇、陆军飞机（包括机场维护工作区）和海军飞机上的设备电源线，包括设备电源回线，这些设备电源线由受试设备以外的外部电源进行供电。25 Hz10 kHz 电源线传导发射测试配置如图 3 所示。低频电流探头作为 CE101 测试项目中主要的数据测量设备，依据电磁场耦合的原理，可将电源线中传导发射的场强转换为传导发射的电流数值，而 EMI 测量接收机则通过测试用的同轴电缆与低频测量电流探头进行连接，以频域的角度和形式测量设备的传导发射电平幅值，并通过电脑（PC）记录相关的测量数据。测量总体配置中，受试设备的电源线需要经过标准规定的测量设备人工电源网络（LISN）为受试设备（EUT）供电，LISN 一方面可以为 EUT 提供规定的电源阻抗；另一方面用于阻挡 EUT 自身产生的电磁干扰通过电源线缆传导返回至电源端及相关的耦合电路回路，从而起到提供干净品质电源的作用1。2.2 测试限值测试使用的限值如图 4 所示。当产品输入功率 P 小于 1 kVA 时，使用图 4 中 a、b、c 点的连线作限值，当产品输入功率 P 大于等于 1 kVA时，使用图 4 中 d、b、c 点的连线作限值2。3CE101 超标及解决措施分析3.1 谐波的定义对规律的周期性非正弦电能波形(可能为电压或电流形式)进行傅立叶级数的分解,不仅可得到与用电设备基波频率相同的电能分量,还能得到后续一系列大于用电设备基波频率的分量,这部分电能分量称为谐波分量，即谐波。图 5 中深红色波形曲线为前述的周期性非正弦电能波形，蓝色波形曲线为用电设备的基波与其谐波的分量3。3.2 谐波的产生和抑制结合升降机构产品电路和理论，分析谐波产生的原因主要有以下两方面：一是由升降机构内部电源模块的整流电路产生：升降机构由 380 VAC 供电，电源模块中的整流电路采用三相 6 脉整流电路，理论上该整流模块极易产生 6N1（N 为正整数）次谐波干扰。结合实际测试的结果（图 2）可知，幅值最高的为 11 次谐波干扰，与理论分析 契合，说明升降机谐波的产生与该产品的整流电路有密切关系。二是由用电系统中的非线性负载产生，如升降机构的电机：当使用标准波形电流流经非线性负载时（如升降机构的电机），电流波形与所加的电压波形不呈线性关系，就会形成非正弦的电流，从而产生谐波，导致最终测试结果超标。结合产品本身及测试谐波原理，谐波抑制本质上就是如何减少或消除注入电网电源系统（等效于 EMC 测试中的测试系统）的谐波电流,以便把谐波控制在规定限值之内,抑制谐波电流主要有三方面的措施：1）降低用电设备（即谐波产生源头）的谐波含量。也就是优化用电设备电源模块,对谐波的产生进行抑制。从源头解决谐波问题，能够比较有效的降低用电设备对外的谐波影响，从产品整改成本上讲，也是最低的。但在实际产品应用中，由于功能性能、使用特性、连接负载特性不同等多方面原因，存在很多无法预测的问题，很难一次性设计到位。2）采取脉宽调制法（PWM）。即在用电设备的工图 3 CE101 测试配置图图 4 CE101 测试限值图（水面舰船/50Hz）图 5 电源谐波分解立体简图Technical Column56SAFETY&EMC No.3 2023作频率周期内,将电源供给的直流电压通过 PWM 技术调制成一系列等幅不等宽的交流电压脉冲,该方法可以有效抑制谐波的产生。PWM 技术是目前解决 CE101 谐波抑制的重要方法之一有源谐波抑制，即使用 PFC（功率因数校正）电源，但该方法对电源适配性要求高，成本也高，需要在产品设计之初将电源供电需求、特性、成本、可靠性等因素考虑在内，在军工行业中 PFC 电源尚未得到广泛应用。3）使用适配的谐波抑制器。此方法对受试设备的改动最小，且能够达到有效抑制谐波的目的,这是目前电源系统使用最广泛的抑制谐波方法。对比三种抑制谐波电流的方法并结合产品升降机构本身实际情况，选择第 3 种方法，通过合适的滤波（如LC 滤波等）电路，对谐波进行吸收和抑制，但该方法存在器件体积大、重量不可控，滤波电路参数难以准确设计，整改难度大等缺点，也是本文想要研究并进行优化的主要方法4。3.3 谐波抑制器设计思路目前解决 CE101 常用的滤波电路设计思路主要是纯电感、纯电容、以及电感电容搭配的 LC 滤波方法，这些方法存在着滤波性能不足、对 CE101 超标的实际应用效果不显著等缺点，如单纯的电感或电容，滤波谐波抑制能力较差，LC 滤波电路虽对一定频段内的谐波均有效果，但无法对实际产生的某次谐波产生针对性的效果。实际上，在大多数产品进行 CE101 测试时，超标频点比较单一，如仅 3 次、5 次或 7 次等谐波超标；或存在 2 种或 3 种谐波超标；大面积超标的产品较少。因此针对 CE101 谐波抑制器的开发，需具体到对某一种谐波或两至三种谐波的抑制，可针对超标情况灵活运用，才能较大程度地克服器件体积大、重量不可控的问题。本文的谐波抑制器设计采用了在信号分析领域较为常见的陷波电路（也称为带阻滤波电路）设计思路。陷波电路是一种信号/电源的谐振电路，也可说是一种自动感应并进行通断的感应器，在天线工程领域，陷波电路可根据设备所需的信号频率，自动进行天线的伸缩动作。在无线电接收机等产品中，使用陷波电路消除某些无用信号且减小对有用信号的干扰，是常见做法。由此可见，根据其原理，陷波电路可用于小范围、局部频段的电磁信号滤波、抑制等，此次尝试使用陷波电路的方案解决 CE101 超标的问题5。4滤波电路的设计与仿真根据谐振计算公式：()1/2FP LC=（1）计算 550 Hz 处谐振频点 L、C 参数，根据设备使用的电压、电流、空间大小等实际情况，可得出不同的组合，4 种典型参数如下：参数一：L=4.2 mH，C=20 F，F=549.13 Hz；参数二：L=10 mH，C=8 F，F=562.69 Hz；参数三：L=20 mH，C=4 F，F=562.69 Hz；参数四：L=2 mH，C=40 F，F=562.69 Hz；按图 6 搭建的滤波电路图，使用 ADS 软件，分别对上述 4 种参数进行 LC 滤波电路仿真以及陷波电路仿真，得到电路插入损耗仿真曲线，如图 7 所示(由于仿真结果谐振点基本一致，仅损耗差异，因此仅给出参数一插入损耗的仿真图)。由仿真结果可知，在一定范围内 LC 滤波电路提供插入损耗，但在特定频点能提供的损耗值不高，在目标频点 550 Hz 附近，仅有 5.7 dB 左右的损耗；而陷波电路仅能提供局部甚至是单点损耗，在目标频点 550 Hz附近，提供了 81.6 dB 左右的损耗。对比之下，针对单点或局部频点抑制性能，陷波电路占明显优势。显然，对于比较常见的 CE101 测试中某次谐波超标问题，使用 LC 滤波电路，能够提供的插入损耗比较有限，在实际运用中若使用简单的 LC 滤波去解决对应的 CE101 超标问题，收效甚微；若使用陷波电路的方法，某次谐波上可提供的插入损耗极高，因此针对某次谐波或局部频段超标的情况，应当尝试使用这一方法解决。实际应用中，电容越大导致的回路电流越大，而图 6 滤波电路（b）陷波电路（a）LC 滤波电路技术专栏572023 年第 3 期 安全与电磁兼容电感量越大，电感体积重量也会随之提升，结合产品工作原理和结构空间的实际情况，选取参数一方案，兼顾体积重量与电容量的组合，进行 CE101 的整改验证6。5滤波电路的测试验证在测试验证中，采用单电容滤波、单电感滤波、LC 滤波、陷波电路等四种方案，在上述仿真结果基础上，再次进行实测对比，观察四种方案解决 CE101 问题的实际效果。为了验证四种方案的有效性，采用单一变量法进行验证，即四个方案使用相同测试条件，如用同一间暗室测试