基于磁环的推进变压器传导电磁干扰抑制研究

马战毅，于飞，乔鸣忠，李耕，李兵

(1.海军工程大学 电气工程学院，湖北 武汉 430033;2.中国人民解放军91999部队，山东 青岛 266000)

0 引言

随着现代控制、大功率半导体器件制造、交流调速等技术的发展，船舶电力推进替代原有的柴油机直接带动螺旋桨推进方式，已成为船舶动力发展的方向［1］。大型船舶电力推进系统主要由发电机、电站配电板、推进变压器、大功率变频器、推进电机、螺旋桨等组成，其结构如图1所示。

图1 船舶电力推进系统

该系统广泛使用的大功率脉宽调制变频器，在工作过程中，其内部的AC/DC转换电路、高频开关等，会形成较强的高频电磁干扰，其中的传导电磁干扰通过船舶电缆、推进变压器传至船舶主电网［2-5］，使船舶电网受污染，进而影响船舶其它电气设备，如雷达、监控平台、控制电路等的正常工作。为消除和减小大功率变频器工作时对船舶电网的影响，目前大多采用串联电抗器，加装有源、无源滤波器等方法滤除谐波。该措施只能抑制低次谐波对船舶电网的干扰，无法控制高次谐波的影响。铁氧体磁环由于其自身的滤波特性，在电气设备电磁兼容设计方面得到了广泛应用。本文结合高频噪声抑制变压器课题，讨论了铁氧体磁环抑制高频噪声的机理及其在高频噪声抑制变压器中的应用方法。

1 电力推进系统高次谐波传递路径及影响分析

1.1 高次谐波传递路径分析

船舶推进变压器一般工作在工频交流50 Hz或60 Hz，推进变压器的铁芯材料的选择也基于此，即工频交流电通过推进变压器时，变压器铁损最小，若高次谐波电流流经推进变压器，变压器的铁损将加大。由船舶变频器及非线性负载产生的高频电磁干扰信号，经变频器和推进变压器之间的屏蔽电缆，传递至推进变压器。在变压器的铁芯中损耗掉一部分，另一部分则通过变压器的高低压绕组之间的分布电容耦合至电网［6］(图2)。图3为测到的某电力推进系统中推进变压器低压侧的传导干扰电压。

图3中，EMI国标限制线下方为符合标准，上方为超出标准。从图可以看出从0.15 MHz开始到30 MHz(测定截止频率为30 MHz)，均有超标的干扰电压传送至推进变压器。

图2 变压器分布电容模型

1.2 高次谐波影响分析

船舶电网与陆地电网相比，电力线的作用距离要短得多，由高频谐波形成的高频电磁干扰信号衰减较小，这就使得船舶各用电设备在使用时干扰几率增大。实际使用中，某船舶的前后雷达同时开机，便产生很强的干扰即是一例。船用导航、雷达、声纳等设备均是将微弱信号放大为工作信号，供人们使用。若高频谐波信号窜入工作电路，设备将受干扰，严重时将无法正常工作。

图3 传导干扰电压频谱

2 铁氧体抗干扰磁环

铁氧体抗干扰磁环是一种新型的干扰抑制器件，其作用类似于低通滤波器，工作时，低频信号能够顺利通过，高频信号则被磁环“吸收”，转化为热能散发出去。铁氧体磁环使用简单，允许通过的电流大，其电磁性能与其材料属性和制作工艺等因素有关。

2.1 铁氧体抗干扰磁环的基本特性

铁氧体磁环在交变磁场中，由于磁损耗的存在使得交变磁感应强度的变化落后于磁场强度的变化，若交变磁场是时间的正弦或余弦函数，令交变磁场强度为:

式中Hm是H的振幅;ω为角频率。则相应的磁感应强度为:

式中δ为B滞后于H的相角;Bm是B的振幅。复数导磁率为:

式中 μ'=(Bm/Hm)cosδ，μ″=(Bm/Hm)sinδ，μ'为复数导磁率的实部分量，表示磁性材料所作的磁化功;μ″为复数导磁率的虚部分量，表示磁性材料在交变磁场中磁损耗的参量，该过程损耗的能量最终全部转变成热能。

2.2 铁氧体抗干扰磁环的等效电路

由上知:铁氧体材料可等效为一阻抗元件，该元件由感抗和电阻两部分组成，两者都与频率相关(Z(f)=R(f)+jωL(f))，其等效电路如图4所示。

在低频段，铁氧体磁环的阻抗主要是感抗，它与材料的导磁率有关，不影响线路上有用信号的传输。随频率升高，导磁率迅速下降，感抗增长变缓，甚至出现感抗减少的情况，但高频下铁损明显增加，使总阻抗Z(f)继续增大，此时铁损R(f)成为阻抗主要成份。当有高频能量穿过磁性材料时，电阻性分量就会把这些能量转化为热能耗散掉。从而使高频噪声信号有大的衰减，使低频有用信号不受影响，不影响电路的正常工作。

图4 阻抗元件等效电路

2.3 铁氧体抗干扰磁环的建模分析

由麦克斯韦尔电磁场理论知，交流载流导线会在其周围产生交变磁场。从上面的分析得出，载流导线周围交变的磁场会将穿过载流导线磁环磁化，增大了该处导线的阻抗，效果相当于串联了一个电阻和电感。下面选择单根铜导线穿过磁环，磁环内径与导线外径接近，建立模型并对加载磁环后的阻抗进行分析。在图 5坐标系中，假设导线位于磁环中心，导线直径为2a，磁环内径为2d，磁环外径为2D，磁环长度为 L，μ为材料的复磁导率(μ=μ'-jμ″)，μ0为真空磁导率，ω为输入电流的角频率，其加载的阻抗表达式推导如下:

由安培环路定理得，通电导线(电流为I)周围的磁场强度和磁感应强度分别为:

图5 磁环抑制分析模型

导线L周围的磁通为:

加入磁环后导线L的阻抗为:

将(1)式化简带入(2)式得:

又 μ = μ'-j μ″，所以:

(4)式说明磁环阻抗Z由感抗分量jωB和电阻分量ω μ″A两部分组成。图6、7所示为某铁氧体磁环的磁谱曲线和阻抗频率特性曲线。

图6 磁谱曲线

图7 阻抗频率特性

从曲线看出，在低频段，阻抗Z主要来自与μ'相关的感抗分量(jωB)即XL，其值相对较小，有用信号和干扰信号(EMI)均能通过。在高频段，阻抗Z主要来自与μ″相关的电阻分量 (ωμ″A)即RS，此时EMI被吸收，转化为热能耗散。结果与式(4)吻合。

3 磁环抑制性能的实验验证

高频噪声信号在变压器中的传递，是通过变压器原副边之间的电场耦合(分布电容)进行的。构建如图8所示的测试原理图。实验中在变压器副边加入高频信号(模拟干扰源)，则在原边绕组中感应出电荷，构成电耦合场，若检测回路中有位移电流产生，则高频信号便形成了通路。位移电流的大小表示了变压器对高频噪声的抑制能力。在变压器中加入磁环后，若能改变位移电流的大小，则说明磁环对高频噪声的抑制作用。

图8 测试原理图

测试电路模型如图9所示。测试时，网络分析仪输出的正端接变压器副边绕组的电位动点，网络分析仪输出的参考端接到变压器副边绕组的电位，即副边“地”，射频输入口接变压器原边的电位静点，射频输出口接网络分析仪输出的参考端。船用推进变压器功率大，电压等级高，如某船用中压电网，推进变压器变比为6 600 V/690 V，绕组分层绕制。为便与分析对比，现以一台小型的结构相对简单的变压器为例。变压器参数为:容量:20 VA;输入:220 V/50 Hz;输出12 V;变比为220 V/12 V;磁芯:30Q120;磁环:TDK-ZCAT 2035-0930。

分以下几种情况对变压器进行测试:不加磁环，加一个磁环，加两个磁环，加三个磁环，加四个磁环。测试结果如图10所示，纵坐标为插入衰减值K，横坐标为频率f，测试频段为300 kHz～30 MHz:

综上所述，在测试频段300 kHz～30 MHz之间，图10(a)所示不加磁环时，测试变压器对高频噪声的抑制作用随频率的增大逐渐降低(除在11 MHz附近发生畸变，其与变压器特性相关)，说明变压器绕组之间的分布电容为高频噪声的传递提供了通路。图10(b)(c)(d)所示为加入磁环后，测试变压器对高频噪声的抑制效果，从中可以看出在频段4 MHz～30 MHz之间，磁环对高频噪声的抑制效果明显，加入一个磁环即可使高频噪声的峰值(对应频率10 MHz)降低6 dB，加入的磁环数越多对高频噪声的抑制效果越明显。实验结果与理论分析相符，说明采用磁环抑制变压器高频噪声的方法的可行性。

图9 电路模型图

4 结束语

图10 变压器加不同数量磁环时插入衰减测试

本文分析了抗干扰磁环抑制高频电磁噪声的作用机理，提出在推进变压器输入侧加入抗干扰磁环，抑制传导电磁干扰的方法。实验证明该方法操作、安装简单，使用效果明显，为船舶电力推进系统的电磁干扰抑制提供了借鉴。文中实验采用的TDK磁环，抑制高频噪声的频率较高，不同材质的磁环抑制高频噪声的频段不同。变频器功率器件的开关频率为1 Hz～3 kHz范围，对应的能引起较大危害的传导性共模电压的频率从几十千赫兹到几十兆赫兹。故在选用铁氧体抗干扰材料时，应选择抑制范围宽的材料。

［1］马伟明.舰船动力发展的方向-综合电力系统［J］.上海海运学院学报，2004，25(1):1-11.

［2］孟进，马伟明，刘德志，等.交流发电机整流系统传导电磁干扰的时域建模与仿真分析［J］.中国电机工程学报，2002，22(6):75-79.

［3］CHINGCHI CHEN.Characterization of power electronics EMI emission［A］.IEEE Electromagnetic Compatibility Conf.［C］.New York，USA，2003.553-557.

［4］ZHU HUIBIN，JIH-SHENG LAI，HEFNER ALLEN R，et al.Analysis of conducted EMI emissions from PWM inverter based on empirical models and comparative experiments［C］.IEEE PESC’99，Hawaii，USA，1999.

［5］孟进，马伟明，张磊，等.开关电源变换器传导干扰分析及建模方法［J］.中国电机工程学报，2005，25(5):49-54.

［6］董纪清，陈为，卢增艺.开关电源高频变压器电容效应建模与分析［J］.中国电机工程学报，2007，27(31):121-126.