基于磁環(huán)的推進(jìn)變壓器傳導(dǎo)電磁干擾抑制研究

馬戰(zhàn)毅，于飛，喬鳴忠，李耕，李兵

(1.海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430033;2.中國人民解放軍91999部隊(duì)，山東 青島 266000)

0 引言

隨著現(xiàn)代控制、大功率半導(dǎo)體器件制造、交流調(diào)速等技術(shù)的發(fā)展，船舶電力推進(jìn)替代原有的柴油機(jī)直接帶動螺旋槳推進(jìn)方式，已成為船舶動力發(fā)展的方向［1］。大型船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)主要由發(fā)電機(jī)、電站配電板、推進(jìn)變壓器、大功率變頻器、推進(jìn)電機(jī)、螺旋槳等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)

該系統(tǒng)廣泛使用的大功率脈寬調(diào)制變頻器，在工作過程中，其內(nèi)部的AC/DC轉(zhuǎn)換電路、高頻開關(guān)等，會形成較強(qiáng)的高頻電磁干擾，其中的傳導(dǎo)電磁干擾通過船舶電纜、推進(jìn)變壓器傳至船舶主電網(wǎng)［2-5］，使船舶電網(wǎng)受污染，進(jìn)而影響船舶其它電氣設(shè)備，如雷達(dá)、監(jiān)控平臺、控制電路等的正常工作。為消除和減小大功率變頻器工作時(shí)對船舶電網(wǎng)的影響，目前大多采用串聯(lián)電抗器，加裝有源、無源濾波器等方法濾除諧波。該措施只能抑制低次諧波對船舶電網(wǎng)的干擾，無法控制高次諧波的影響。鐵氧體磁環(huán)由于其自身的濾波特性，在電氣設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)方面得到了廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合高頻噪聲抑制變壓器課題，討論了鐵氧體磁環(huán)抑制高頻噪聲的機(jī)理及其在高頻噪聲抑制變壓器中的應(yīng)用方法。

1 電力推進(jìn)系統(tǒng)高次諧波傳遞路徑及影響分析

1.1 高次諧波傳遞路徑分析

船舶推進(jìn)變壓器一般工作在工頻交流50 Hz或60 Hz，推進(jìn)變壓器的鐵芯材料的選擇也基于此，即工頻交流電通過推進(jìn)變壓器時(shí)，變壓器鐵損最小，若高次諧波電流流經(jīng)推進(jìn)變壓器，變壓器的鐵損將加大。由船舶變頻器及非線性負(fù)載產(chǎn)生的高頻電磁干擾信號，經(jīng)變頻器和推進(jìn)變壓器之間的屏蔽電纜，傳遞至推進(jìn)變壓器。在變壓器的鐵芯中損耗掉一部分，另一部分則通過變壓器的高低壓繞組之間的分布電容耦合至電網(wǎng)［6］(圖2)。圖3為測到的某電力推進(jìn)系統(tǒng)中推進(jìn)變壓器低壓側(cè)的傳導(dǎo)干擾電壓。

圖3中，EMI國標(biāo)限制線下方為符合標(biāo)準(zhǔn)，上方為超出標(biāo)準(zhǔn)。從圖可以看出從0.15 MHz開始到30 MHz(測定截止頻率為30 MHz)，均有超標(biāo)的干擾電壓傳送至推進(jìn)變壓器。

圖2 變壓器分布電容模型

1.2 高次諧波影響分析

船舶電網(wǎng)與陸地電網(wǎng)相比，電力線的作用距離要短得多，由高頻諧波形成的高頻電磁干擾信號衰減較小，這就使得船舶各用電設(shè)備在使用時(shí)干擾幾率增大。實(shí)際使用中，某船舶的前后雷達(dá)同時(shí)開機(jī)，便產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾即是一例。船用導(dǎo)航、雷達(dá)、聲納等設(shè)備均是將微弱信號放大為工作信號，供人們使用。若高頻諧波信號竄入工作電路，設(shè)備將受干擾，嚴(yán)重時(shí)將無法正常工作。

圖3 傳導(dǎo)干擾電壓頻譜

2 鐵氧體抗干擾磁環(huán)

鐵氧體抗干擾磁環(huán)是一種新型的干擾抑制器件，其作用類似于低通濾波器，工作時(shí)，低頻信號能夠順利通過，高頻信號則被磁環(huán)“吸收”，轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)出去。鐵氧體磁環(huán)使用簡單，允許通過的電流大，其電磁性能與其材料屬性和制作工藝等因素有關(guān)。

2.1 鐵氧體抗干擾磁環(huán)的基本特性

鐵氧體磁環(huán)在交變磁場中，由于磁損耗的存在使得交變磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化落后于磁場強(qiáng)度的變化，若交變磁場是時(shí)間的正弦或余弦函數(shù)，令交變磁場強(qiáng)度為:

式中Hm是H的振幅;ω為角頻率。則相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為:

式中δ為B滯后于H的相角;Bm是B的振幅。復(fù)數(shù)導(dǎo)磁率為:

式中 μ'=(Bm/Hm)cosδ，μ″=(Bm/Hm)sinδ，μ'為復(fù)數(shù)導(dǎo)磁率的實(shí)部分量，表示磁性材料所作的磁化功;μ″為復(fù)數(shù)導(dǎo)磁率的虛部分量，表示磁性材料在交變磁場中磁損耗的參量，該過程損耗的能量最終全部轉(zhuǎn)變成熱能。

2.2 鐵氧體抗干擾磁環(huán)的等效電路

由上知:鐵氧體材料可等效為一阻抗元件，該元件由感抗和電阻兩部分組成，兩者都與頻率相關(guān)(Z(f)=R(f)+jωL(f))，其等效電路如圖4所示。

在低頻段，鐵氧體磁環(huán)的阻抗主要是感抗，它與材料的導(dǎo)磁率有關(guān)，不影響線路上有用信號的傳輸。隨頻率升高，導(dǎo)磁率迅速下降，感抗增長變緩，甚至出現(xiàn)感抗減少的情況，但高頻下鐵損明顯增加，使總阻抗Z(f)繼續(xù)增大，此時(shí)鐵損R(f)成為阻抗主要成份。當(dāng)有高頻能量穿過磁性材料時(shí)，電阻性分量就會把這些能量轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉。從而使高頻噪聲信號有大的衰減，使低頻有用信號不受影響，不影響電路的正常工作。

圖4 阻抗元件等效電路

2.3 鐵氧體抗干擾磁環(huán)的建模分析

由麥克斯韋爾電磁場理論知，交流載流導(dǎo)線會在其周圍產(chǎn)生交變磁場。從上面的分析得出，載流導(dǎo)線周圍交變的磁場會將穿過載流導(dǎo)線磁環(huán)磁化，增大了該處導(dǎo)線的阻抗，效果相當(dāng)于串聯(lián)了一個(gè)電阻和電感。下面選擇單根銅導(dǎo)線穿過磁環(huán)，磁環(huán)內(nèi)徑與導(dǎo)線外徑接近，建立模型并對加載磁環(huán)后的阻抗進(jìn)行分析。在圖 5坐標(biāo)系中，假設(shè)導(dǎo)線位于磁環(huán)中心，導(dǎo)線直徑為2a，磁環(huán)內(nèi)徑為2d，磁環(huán)外徑為2D，磁環(huán)長度為 L，μ為材料的復(fù)磁導(dǎo)率(μ=μ'-jμ″)，μ0為真空磁導(dǎo)率，ω為輸入電流的角頻率，其加載的阻抗表達(dá)式推導(dǎo)如下:

由安培環(huán)路定理得，通電導(dǎo)線(電流為I)周圍的磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為:

圖5 磁環(huán)抑制分析模型

導(dǎo)線L周圍的磁通為:

加入磁環(huán)后導(dǎo)線L的阻抗為:

將(1)式化簡帶入(2)式得:

又 μ = μ'-j μ″，所以:

(4)式說明磁環(huán)阻抗Z由感抗分量jωB和電阻分量ω μ″A兩部分組成。圖6、7所示為某鐵氧體磁環(huán)的磁譜曲線和阻抗頻率特性曲線。

圖6 磁譜曲線

圖7 阻抗頻率特性

從曲線看出，在低頻段，阻抗Z主要來自與μ'相關(guān)的感抗分量(jωB)即XL，其值相對較小，有用信號和干擾信號(EMI)均能通過。在高頻段，阻抗Z主要來自與μ″相關(guān)的電阻分量 (ωμ″A)即RS，此時(shí)EMI被吸收，轉(zhuǎn)化為熱能耗散。結(jié)果與式(4)吻合。

3 磁環(huán)抑制性能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

高頻噪聲信號在變壓器中的傳遞，是通過變壓器原副邊之間的電場耦合(分布電容)進(jìn)行的。構(gòu)建如圖8所示的測試原理圖。實(shí)驗(yàn)中在變壓器副邊加入高頻信號(模擬干擾源)，則在原邊繞組中感應(yīng)出電荷，構(gòu)成電耦合場，若檢測回路中有位移電流產(chǎn)生，則高頻信號便形成了通路。位移電流的大小表示了變壓器對高頻噪聲的抑制能力。在變壓器中加入磁環(huán)后，若能改變位移電流的大小，則說明磁環(huán)對高頻噪聲的抑制作用。

圖8 測試原理圖

測試電路模型如圖9所示。測試時(shí)，網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出的正端接變壓器副邊繞組的電位動點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出的參考端接到變壓器副邊繞組的電位，即副邊“地”，射頻輸入口接變壓器原邊的電位靜點(diǎn)，射頻輸出口接網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出的參考端。船用推進(jìn)變壓器功率大，電壓等級高，如某船用中壓電網(wǎng)，推進(jìn)變壓器變比為6 600 V/690 V，繞組分層繞制。為便與分析對比，現(xiàn)以一臺小型的結(jié)構(gòu)相對簡單的變壓器為例。變壓器參數(shù)為:容量:20 VA;輸入:220 V/50 Hz;輸出12 V;變比為220 V/12 V;磁芯:30Q120;磁環(huán):TDK-ZCAT 2035-0930。

分以下幾種情況對變壓器進(jìn)行測試:不加磁環(huán)，加一個(gè)磁環(huán)，加兩個(gè)磁環(huán)，加三個(gè)磁環(huán)，加四個(gè)磁環(huán)。測試結(jié)果如圖10所示，縱坐標(biāo)為插入衰減值K，橫坐標(biāo)為頻率f，測試頻段為300 kHz～30 MHz:

綜上所述，在測試頻段300 kHz～30 MHz之間，圖10(a)所示不加磁環(huán)時(shí)，測試變壓器對高頻噪聲的抑制作用隨頻率的增大逐漸降低(除在11 MHz附近發(fā)生畸變，其與變壓器特性相關(guān))，說明變壓器繞組之間的分布電容為高頻噪聲的傳遞提供了通路。圖10(b)(c)(d)所示為加入磁環(huán)后，測試變壓器對高頻噪聲的抑制效果，從中可以看出在頻段4 MHz～30 MHz之間，磁環(huán)對高頻噪聲的抑制效果明顯，加入一個(gè)磁環(huán)即可使高頻噪聲的峰值(對應(yīng)頻率10 MHz)降低6 dB，加入的磁環(huán)數(shù)越多對高頻噪聲的抑制效果越明顯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相符，說明采用磁環(huán)抑制變壓器高頻噪聲的方法的可行性。

圖9 電路模型圖

4 結(jié)束語

圖10 變壓器加不同數(shù)量磁環(huán)時(shí)插入衰減測試

本文分析了抗干擾磁環(huán)抑制高頻電磁噪聲的作用機(jī)理，提出在推進(jìn)變壓器輸入側(cè)加入抗干擾磁環(huán)，抑制傳導(dǎo)電磁干擾的方法。實(shí)驗(yàn)證明該方法操作、安裝簡單，使用效果明顯，為船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的電磁干擾抑制提供了借鑒。文中實(shí)驗(yàn)采用的TDK磁環(huán)，抑制高頻噪聲的頻率較高，不同材質(zhì)的磁環(huán)抑制高頻噪聲的頻段不同。變頻器功率器件的開關(guān)頻率為1 Hz～3 kHz范圍，對應(yīng)的能引起較大危害的傳導(dǎo)性共模電壓的頻率從幾十千赫茲到幾十兆赫茲。故在選用鐵氧體抗干擾材料時(shí)，應(yīng)選擇抑制范圍寬的材料。

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