某型高能激光功率能量仪CE 101 整改研究

祝刘坡，王威,2

（1.成都新欣神风电子科技有限公司，成都 611731；2.西南交通大学 电气工程学院，成都 610000）

引言

高能高功率激光包含长脉冲高功率激光、短脉冲强激光和超短超强脉冲激光等三大类别，是现阶段激光技术发展极其重要的方向之一[1]。高能高功率激光的主要指标参数有时域参数、光谱参数、空域参数和功率能量等，在这几个指标中，对于高能高功率激光来说，功率能量是其中最关键和重要的技术参数[2]。

一般高能激光功率能量仪均采用交流供电，内部通过逆变电源将交流电转换为各种直流电压供给后级设备或部件使用。因其输入电压为正弦波，输入电流波形为脉冲波，含有大量的谐波电流，故设备按照GJB 151B-2013 电磁发射和电磁抗扰度标准的相关要求进行CE 101项目试验时常常会出现超标现象。本文提出了针对CE 101 超标的整改方案，对后续产品改进设计具有指导意义。

1 受试设备及测试配置

本次测试的设备为高能高功率激光能量仪，三相三线380 V/50 Hz 供电，输入功率小于1 kW。设备主要由逆变电源、探测器、位置编码器、采集模块、光谱仪和工控机等组成，其连接框图如图1 所示。

图1 设备连接框图

该高能激光功率能量仪由外部380 VAC/50 Hz 进行供电，经逆变电源和电压变换后转换为220 VAC 和28 VDC；220 VAC 为光谱仪和探测器供电，28 VDC 为位置编码器供电。

2 设备测试结果

该高能高功率激光能量仪CE 101 项目测试按照项目装载平台，选择水面舰船和潜艇类别，又其设备输入功率小于1 kVA，故选择GJB 151B 图9 中的a-b-c 作为限值曲线。其CE 101 测试曲线如图2 所示。其超标频点主要是250 Hz、350 Hz、550 Hz 等，分别是设备供电电源频率50 Hz 的5、7 和11 次谐波。

图2 高能高功率激光能量仪CE 101 测试曲线

3 原理分析

3.1 滤波原理分析

目前针对CE 101 的电流谐波抑制技术有两种：一种采取无源滤波（LC 电路），一种采用有源功率因素校正（PFC）。第一种方案的优点是电路结构简单、性能稳定、易维护，缺点是滤波器件体积较大、对器件性能要求较高。第二种方案的优点在于体积小、品质因数较高，缺点是成本高、维修困难[3-4]。综合上述因素及项目情况，本方案采取无源谐波滤波方式来抑制谐波电流。

3.2 电路原理分析

无源谐波滤波器的设计原理主要是利用电感、电容的谐振特性对谐波电流形成通路，防止流入电网[5]。常见的电路原理图（以单相为例）见图3 所示。

图3 电路原理图

根据电路原理，建立了仿真电路模型，如图4 所示。

图4 仿真电路模型

对图4 所示电路进行仿真，设备输入与输出电压波形如图5 所示（红色为设备输入电压波形，蓝色为设备输出电压波形）。

图5 设备输入与输出电压仿真结果

从图5 的仿真结果可以看出，设备输出电压明显高于输入电压，通过输入电压和输出电压的关系列出表达式（忽略掉寄生电阻）：

式中：

L1—母线上差模电感；

L2—无源谐波滤波支路上的差模电感；

C1—无源谐波滤波支路上的电容，ω=2πƒ；

ƒ—供电电源频率50 Hz。

由式（1）可以看出：只要L1 存在，设备输出电压一定会高于输入电压。

以3 次谐波电流为例，理论上有两条流通路径，分别为3 次谐波电流支路和供电电源，如图6 所示。

图6 谐波电流流通路径

对于3 次谐波电流，供电电源与谐波之路形成并联分流，若使3 次谐波尽可能地流经谐波支路而不流经供电电源，则必须增大供电电源的阻抗，故母线上串联的电感L1 必须存在且感值需尽量大。但L1 值越大，输入电压会被抬升的越高，会给后级电子设备带来较高风险。

另外，对于50 Hz 的基波，高次单调谐波滤波器表现为容性，会增加系统的无功电流，这也是一个必须解决的问题，否则会给系统带来计划外的无功功率，增加电网容量[6]。

基于上述分析，对单调谐波抑制电路进行了优化：在单调谐波抑制电路上并联一个电抗器，在50 Hz 的频率下，该电抗器和表现为容性的单调滤波电路形成一个等效并联谐振电路，其谐振频率50 Hz，这样整体电路相对于50 Hz 的电流信号形成了一个开路状态，不会影响电源的输出电压，同时，电抗器也补偿了单调滤波电路的无功电流，使得整个电路的无功电流为零。仿真电路原理图见图7，仿真结果如图8 所示。图8（a）为滤波器输入输出电压对比；图8（b）为流经供电电源的电流；图8（c）为流经单调谐波滤波支路的电流。

图7 仿真电路原理图

图8 电压、电流仿真

从图8（a）中可以看出，设备输出电压和输入电压的幅值基本一致，滤波电路没有将输入电压抬升；从图8（b）中可以看出，三次谐波电流几乎没有流经供电电源，即供电电源电流中几乎没有了三次谐波电流成分；从图8（c）中可以看出，三次谐波电流全部流经了单调谐波滤波支路。基波电流不流经单调谐波滤波支路，而高次谐波电流不流经供电电源，既保证了谐波电流测试满足要求，又不会产生额外的无功电流。

仿真结果与理论分析相符合。

4 CE101 整改方案及测试结果

通过上述电路原理分析及仿真结果，针对高能高功率激光能量仪项目设计了如图9 所示的谐波电流抑制电路。

图9 CE 101 谐波电流抑制电路图

按照图9的电路制作了一款电源滤波器，安装在高能高功率激光能量仪380 VAC 的电源输入端，再次对CE 101 项目进行测试。CE 101 测试结果如图10 所示。

图10 整改后高能高功率激光能量仪CE 101 测试结果图

从图10 可以看出，该设备CE 101 项目在25 Hz ～10 kHz 范围内均满足GJB 151B-2013的标准要求。

同时也测试电源滤波器的输入输出电压，测试结果表面，其输出电压没有被抬高。

5 结论

本文基于GJB 151B-2013 的标准要求，在电磁兼容实验室对高能高功率激光能量仪进行了CE 101 的测试。通过分析CE 101 的测试曲线图和研究设备内部组成结构，为高能高功率激光能量仪设计了一款谐波电流抑制电路。整改后的高能高功率激光能量仪达到GJB 151B-2013 电磁发射和电磁抗扰度标准的相关要求，证明此方法对于电流谐波抑制的有效性，为同类问题的解决提供了一种思路和参考。