一种直流配电系统电磁兼容性分析及试验

宋 辉，王旺球，陈华锋（中国船舶重工集团公司 第七一三研究所，河南郑州 450015）

一种直流配电系统电磁兼容性分析及试验

宋 辉，王旺球，陈华锋
（中国船舶重工集团公司 第七一三研究所，河南郑州 450015）

分析一种舰船直流配电系统组成及其电力电子变流装置电磁干扰，针对逆变器和整流器产生的高频干扰，设计上采取改善开关导通条件和安装滤波器等抑制措施，系统按照 GJB151A 进行了电磁兼容性试验，并对具体问题完成整改，满足指标要求。

直流配电系统；逆变器；整流器；电磁兼容性

0 引 言

直流配电系统是一种舰船新型区域配电系统，它以直流为主要的电能传输和分配形式，对全船的电力系统进行区域划分。它以电力电子变流装置为核心元件，利用现代电力电子变流技术，将整流器、逆变器等变流装置组成合理、高效的配电网络，向用电负载提供不同电制（交流或直流）、不同频率、不同幅值需求的电能。与舰船传统配电技术相比，直流区域配电系统有利于提高舰船生命力，减少配电系统重量和制造成本，有利于舰船总体优化和升级改造［1-2］。

随着电力电子变流装置在直流配电系统中的应用，功率器件集成化、集成电路功率化，出现了各种新型电力电子器件，同时电力电子设备的开关频率越来越高，功率越来越大，控制线路也越来越复杂。舰船设备分布密集，电力系统容量有限，系统内的电磁兼容问题十分突出，直接关系到电力系统和用电设备的可靠安全运行［3］。

本文介绍了一种直流配电系统组成及其电力电子变流装置的应用，分析了逆变器和整流器的电磁干扰，以及设计上采取的抑制措施，最后，按照舰船设备及系统电磁兼容性要求试验，对试验项目上出现问题完成整改，满足试验指标要求。

1 系统组成

直流配电系统组成结构如图 1所示，直流配电系统由 ZA和ZB 两组直流母线系统传输和分配电能，每套直流母线系统由发电机供电，蓄电池为备用电源，供电负载包含推进电机。每组直流母线系统包含直流主配电系统 a、变频控制系统 b、3 相逆变电源系统c、单相逆变电源系统 d 和直流电源系统 e。两组直流母线系统 ZA和ZB 互为冗余备用，同时供电给重要负载系统 f。其中，各系统执行功能及器件组成如下：

1）直流主配电系统 a：负载直流电能传输和分配，主要由母排、熔断器和断路器等器件组成主配电柜；

图 1 配电系统组成结构图Fig. 1 Distribution system structure diagram

2）变频器控制系统 b：采用系列变频器或逆变器变频驱动电机，由变流器件组成变频控制柜；

3）逆变电源系统 c：负责将直流电逆变为单相交流电源，由逆变电源组成单相逆变电源柜；

4）直流电源系统 d：采用高频整流变换为直流电源 +24 V，为各类控制负载供电，由整流器、断路器等组成直流电源柜。

5）重要负载系统 e：采用控制电路实现 ZA和ZB两组直流母线供电自动切换，由断路器、继电器等器件组成配电柜。

2 电磁干扰分析及抑制

从以上直流配电系统组成可以看出，直流配电系统 a 和重要负载系统 e 主要用于传输电能，不涉及电能转换，而 b，c，d 分系统应用电力电子变流装置实现电能转换。电力电子变流装置器件开关频率相当高，在传导射频段（10 kHz 以上）系统中会出现大量开关频率谐波，干扰频段范围从数千到数兆赫兹，并且，器件开关 du/dt 和 di/dt 越来越高，尖峰谐振频率也会达到数兆赫兹［4-5］。因此，电磁干扰着重分析变流装置及其相应分系统。

2.1 逆变器电磁干扰及措施

逆变器由输入滤波电路、逆变电路、LC 滤波、隔离输出、采样电路、控制电路、PWM 波形及驱动电路等组成，电路组成原理框图如图 2 所示。逆变电路采用 IGBT 全桥逆变电路，IGBT 选取英飞凌 F300R12KT3，开关频率 10 kHz。

图 2 逆变器电路组成原理框图Fig. 2 The circuit diagram of inverter

逆变器传导干扰包括差模干扰和共模干扰噪声。IGBT 开关管动作产生高频脉冲电流，逆变电源输入端会产生高频电压脉冲，叠加在直流输入电压端，产生传导差模干扰噪声。由于线路分布电容和电感存在，共模噪声则源于主电路与地面之间及隔离变压器内寄生电容的充电及放电所产生的对地电势波动，该噪声电流通过接地线传播［6］。

为减小逆变器电磁干扰，电源在设计中采取了以下措施：

1）电源输入端安装 EMI 滤波器，抑制逆变器输入电压中的共模干扰和差模干扰。

2）功率母线采用夹心饼干式布线，减小分布电感，并加无感电容，降低开关尖峰电压。

3）改善了开关管的导通与关断条件，减缓了各节点的电压变化率和各支路的电流变化率，减少了高次谐波的干扰。

4）功率变压器采用次级-初级-次级绕组工艺，减小了分布参数的影响，有利于降低了开关关断时的反向恢复噪声。

2.2 整流器电磁干扰

整流器由逆变电路、高频变换、高频整流滤波、EMI 滤波、辅助电源、控制及单片机电路、采样电路等部分电路组成，其原理框图如图 3 所示。逆变功率管和高频变压器组成的高频变换电路，其功能是在脉宽调制驱动信号的控制下，将直流电压变成调制的交变脉冲，再经过高频整流滤波等电路，调制的高频交流脉冲变成低杂音、低电磁干扰的高质量的直流电压输出。其中，逆变功率管、高频变压器和整流电路是整流器产生电磁骚扰的主要骚扰源，具体分析如下：

1）功率管工作在高频导通和截止的状态，形成了浪涌电压和浪涌电流，会产生高频高压的尖峰谐波，对空间和输入线形成电磁骚扰；

2）整流器整流过程产生的高次谐波会沿着电源线产生传导骚扰和辐射骚扰；

3）高频变压器、整流二极管工作在高频开关状态，绕组漏感引起的电流突变，也是一种电磁骚扰源。

图 3 整流器电路组成原理框图Fig. 3 Rectifier circuit component diagram

为了减小 du/dt 和 di/dt，改善开关导通条件，整流器采用软开关技术，应用了先进的零电压、零电流开关（ZVS、ZCS）技术，有效地降低了开关管的电压、电流应力和开关损耗，显著减少了电磁干扰。另外，整流器也采用安装 EMI 滤波器，输入交流电源线和输出直流电源线分开走线，开关管以及输出整流二极管两端加 RC 吸收电路等类似逆变器抗干扰措施。

3 电磁兼容性试验及整改

3.1 电磁兼容性试验

直流配电系统电磁兼容性试验在中国船舶工业武汉机电产品检测中心实施，试验设备布置如图 4 所示。试验屏蔽暗室被试设备（EUT）包含直流配电系统 a，b，c，d 和 e 设备，由于暗室内部现有供电接口不满足被试设备供电要求，需要采用外部试验电源供电。按照 GJB152A 规定，电磁环境电平应至少低于规定的极限值 6 dB，电源线上传导环境电平应在断开EUT 情况下测量［7-8］。

图 4 中，为了满足电磁环境电平要求，试验电源应与负载设备分开布置，与暗室受试设备（EUT）连接试验电源电缆和负载电缆应分开接入不同的暗室穿线孔 1、2，试验电源的电源线传导发射干扰测试（CE101和CE102）应符合规定限值要求。

图 4 直流配电系统试验设备布置图Fig. 4 Test equipment layout of DC power distribution system diagram

试验依据 GJB151A 进行 CE101，CE102，RE101，RE102，CS101，CS114，CS116，RS101 和 RS103 等 9项测试。直流配电系统弱电设备少，对外部干扰不敏感，容易通过后 6 项敏感度干扰测试项目。初次试验结果，以上 9 项测试项目 CE102 测试超标，测量CE102 极限值如图 5 所示，超标约 15 dB，超标频段200 kHz～2 MHz。

图 5 整改前CE102电源线正极传导发射Fig. 5 CE102 conduction emission curve for pre-rectification

3.2 整改措施

根据信号频段分析可以明确干扰信号类型，小于0.1 MHz 频段以差模干扰为主，0.1～1 MHz 频段兼有差模、共模干扰，大于 1 MHz 频段以共模干扰为主。由图 5 测试 CE102 电源传导干扰结果，设备传导干扰应同时具备共模和差模干扰信号。为了抑制干扰，设备输入端增加电源滤波器，选用常州多极滤波器，根据测量超标值，并考虑插入损耗预留 20 dB 余量，选取滤波器插入损耗曲线如图 6 所示。滤波器采用二阶滤波器，电路结构如图 7 所示，共模线圈 L1和共模电容C2消除共模干扰，L1= 8 mH，C2= 0.1 μF，差模电容C1抑制差模干扰，C1= 3 μF。整改后测量 CE102 传导干扰曲线如图 8 所示，符合极限值要求。

图 7 整改滤波器电路图Fig. 7 Rectification filter circuit diagram

图 8 整改后 CE102 电源线正极传导发射Fig. 8 CE102 conduction emission curve for after-rectification

4 结 语

基于现代电力电子技术的直流区域配电系统，相比传统舰船配电技术，简化配电系统网络，减少系统占用空间，提高了整船电力系统生命力，符合舰船综合电力系统的发展方向。舰船独立平台空间狭小、电力电子装置和设备密集的特点决定了其电磁兼容性问题的突出性和复杂性。

本文分析了直流配电系统的组成及电磁干扰，针对逆变器和整流器等电力电子变流装置，采用了安装EMI 滤波器、改善开关管导通条件以及合理结构布线设计等抑制干扰措施，整个系统取得了较好的电磁兼容性能，对电磁兼容性试验项目出现的具体问题完成整改，满足试验要求。

直流配电系统进行整改 CE102 试验项目时，比较分析了系统各设备传导发射情况。其中，a 和 e 设备仅涉及电能传输和分配，传导干扰较小；设备 b，c 和 d涉及电能转换，c 设备限值超标，b 和 d 采取抑制措施较好，传导发射不超标。因此可以看出，设备 b 和 c由不同逆变器组成，采用了滤波器抑制措施，由于实际主电路和阻抗差异，电磁干扰抑制效果不同，而 d设备中整流器采用了滤波器和软开关技术，能够很好抑制干扰。

总之，电磁干扰抑制是个综合性、系统性工程，解决舰船电力系统中电力电子装置的电磁兼性问题，需要同时使用多种方法，才能达到抑制电磁干扰，提高电磁兼容性目的。

［1］马伟明. 电力电子在舰船电力系统中的典型应用［J］. 电工技术学报， 2011， 26（5）: 1–7. MA Wei-ming. Typical applications of power electronics in naval ship power systems［J］. Transactions of China Electrotechnical Society， 2011， 26（5）: 1–7.

［2］陈虹. 基于直流配电系统的船舶综合电力系统［J］. 舰船科学技术， 2005， 27（S1）: 30–37. CHEN Hong. DC-ZEDS based shipboard integrated power system［J］. Ship Science and Technology， 2005， 27（S1）: 30–37.

［3］马伟明. 舰船动力发展的方向——综合电力系统［J］. 海军工程大学学报， 2002， 14（6）: 1–5， 9. MA Wei-ming. Integrated power systems——trend of ship power development［J］. Journal of Naval University of Engineering， 2002， 14（6）: 1–5， 9.

［4］马伟明， 张磊， 孟进. 独立电力系统及其电力电子装置的电磁兼容［M］. 北京: 科学出版社， 2007: 41–46.

［5］赵怀军， 宋倩楠， 邱宗明， 等. 舰船电力系统谐波的产生、危害和抑制［J］. 舰船科学技术， 2007， 29（4）: 61–65. ZHAO Huai-jun， SONG Qian-nan， QIU Zong-ming， et al. Origination， harm and suppression of harmonics in ships electric power system［J］. Ship Science and Technology， 2007， 29（4）: 61–65.

［6］裴雪军， 张凯， 康勇， 等. 基于EMI滤波器的逆变器传导电磁干扰的抑制［J］. 电气传动， 2007， 37（12）: 35–38. PEI Xue-jun， ZHANG Kai， KANG Yong， et al. Suppression of EMI conducted in PWM inverter based on EMI filter［J］. Electric Drive， 2007， 37（12）: 35–38.

［7］国防科学技术工业委员会. 军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求: GJB 151A-1997［S］. Defense Science， Technology and Industry Committee. Electromagnetic emission and susceptibility requirement for military equipment and subsystems: GJB 152A-1997［S］.

［8］国防科学技术工业委员会. 军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量: GJB 152A-1997［S］. Defense Science， Technology and Industry Committee. Measurement of electromagnetic emission and susceptibility for military equipment and subsystems: GJB 152A-1997［S］.

Analysis and test of EMC for a DC power distribution system

SONG Hui， WANG Wang-qiu， CHEN Hua-feng
（The 713 Research Institute of CSIC， Zhengzhou 450015， China）

The paper analyzes the composition of a marine DC power distribution system and the electromagnetic interference of the power electronic converter. In order to control the high frequency interferences caused by the inverter and rectifier. The measures are designed to improve the switching condition and the filter. The system has carried on the electromagnetic compatibility test according to GJB151A， and has completed the reform to test problems， meets the target request.

DC power distribution systeml；inverter；rectifier；EMC

U665

A

1672 – 7619（2016）04 – 0116 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.04.023

2015 – 11 – 05；

2015 – 12 – 14

宋辉（1978-）：男，硕士，高级工程师，主要从事电气控制系统开发。