某型高能激光功率能量儀CE 101 整改研究

祝劉坡，王威,2

（1.成都新欣神風(fēng)電子科技有限公司，成都 611731；2.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，成都 610000）

引言

高能高功率激光包含長脈沖高功率激光、短脈沖強(qiáng)激光和超短超強(qiáng)脈沖激光等三大類別，是現(xiàn)階段激光技術(shù)發(fā)展極其重要的方向之一[1]。高能高功率激光的主要指標(biāo)參數(shù)有時(shí)域參數(shù)、光譜參數(shù)、空域參數(shù)和功率能量等，在這幾個(gè)指標(biāo)中，對(duì)于高能高功率激光來說，功率能量是其中最關(guān)鍵和重要的技術(shù)參數(shù)[2]。

一般高能激光功率能量儀均采用交流供電，內(nèi)部通過逆變電源將交流電轉(zhuǎn)換為各種直流電壓供給后級(jí)設(shè)備或部件使用。因其輸入電壓為正弦波，輸入電流波形為脈沖波，含有大量的諧波電流，故設(shè)備按照GJB 151B-2013 電磁發(fā)射和電磁抗擾度標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求進(jìn)行CE 101項(xiàng)目試驗(yàn)時(shí)常常會(huì)出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。本文提出了針對(duì)CE 101 超標(biāo)的整改方案，對(duì)后續(xù)產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 受試設(shè)備及測試配置

本次測試的設(shè)備為高能高功率激光能量儀，三相三線380 V/50 Hz 供電，輸入功率小于1 kW。設(shè)備主要由逆變電源、探測器、位置編碼器、采集模塊、光譜儀和工控機(jī)等組成，其連接框圖如圖1 所示。

圖1 設(shè)備連接框圖

該高能激光功率能量儀由外部380 VAC/50 Hz 進(jìn)行供電，經(jīng)逆變電源和電壓變換后轉(zhuǎn)換為220 VAC 和28 VDC；220 VAC 為光譜儀和探測器供電，28 VDC 為位置編碼器供電。

2 設(shè)備測試結(jié)果

該高能高功率激光能量儀CE 101 項(xiàng)目測試按照項(xiàng)目裝載平臺(tái)，選擇水面艦船和潛艇類別，又其設(shè)備輸入功率小于1 kVA，故選擇GJB 151B 圖9 中的a-b-c 作為限值曲線。其CE 101 測試曲線如圖2 所示。其超標(biāo)頻點(diǎn)主要是250 Hz、350 Hz、550 Hz 等，分別是設(shè)備供電電源頻率50 Hz 的5、7 和11 次諧波。

圖2 高能高功率激光能量儀CE 101 測試曲線

3 原理分析

3.1 濾波原理分析

目前針對(duì)CE 101 的電流諧波抑制技術(shù)有兩種：一種采取無源濾波（LC 電路），一種采用有源功率因素校正（PFC）。第一種方案的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、易維護(hù)，缺點(diǎn)是濾波器件體積較大、對(duì)器件性能要求較高。第二種方案的優(yōu)點(diǎn)在于體積小、品質(zhì)因數(shù)較高，缺點(diǎn)是成本高、維修困難[3-4]。綜合上述因素及項(xiàng)目情況，本方案采取無源諧波濾波方式來抑制諧波電流。

3.2 電路原理分析

無源諧波濾波器的設(shè)計(jì)原理主要是利用電感、電容的諧振特性對(duì)諧波電流形成通路，防止流入電網(wǎng)[5]。常見的電路原理圖（以單相為例）見圖3 所示。

圖3 電路原理圖

根據(jù)電路原理，建立了仿真電路模型，如圖4 所示。

圖4 仿真電路模型

對(duì)圖4 所示電路進(jìn)行仿真，設(shè)備輸入與輸出電壓波形如圖5 所示（紅色為設(shè)備輸入電壓波形，藍(lán)色為設(shè)備輸出電壓波形）。

圖5 設(shè)備輸入與輸出電壓仿真結(jié)果

從圖5 的仿真結(jié)果可以看出，設(shè)備輸出電壓明顯高于輸入電壓，通過輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系列出表達(dá)式（忽略掉寄生電阻）：

式中：

L1—母線上差模電感；

L2—無源諧波濾波支路上的差模電感；

C1—無源諧波濾波支路上的電容，ω=2π?；

?—供電電源頻率50 Hz。

由式（1）可以看出：只要L1 存在，設(shè)備輸出電壓一定會(huì)高于輸入電壓。

以3 次諧波電流為例，理論上有兩條流通路徑，分別為3 次諧波電流支路和供電電源，如圖6 所示。

圖6 諧波電流流通路徑

對(duì)于3 次諧波電流，供電電源與諧波之路形成并聯(lián)分流，若使3 次諧波盡可能地流經(jīng)諧波支路而不流經(jīng)供電電源，則必須增大供電電源的阻抗，故母線上串聯(lián)的電感L1 必須存在且感值需盡量大。但L1 值越大，輸入電壓會(huì)被抬升的越高，會(huì)給后級(jí)電子設(shè)備帶來較高風(fēng)險(xiǎn)。

另外，對(duì)于50 Hz 的基波，高次單調(diào)諧波濾波器表現(xiàn)為容性，會(huì)增加系統(tǒng)的無功電流，這也是一個(gè)必須解決的問題，否則會(huì)給系統(tǒng)帶來計(jì)劃外的無功功率，增加電網(wǎng)容量[6]。

基于上述分析，對(duì)單調(diào)諧波抑制電路進(jìn)行了優(yōu)化：在單調(diào)諧波抑制電路上并聯(lián)一個(gè)電抗器，在50 Hz 的頻率下，該電抗器和表現(xiàn)為容性的單調(diào)濾波電路形成一個(gè)等效并聯(lián)諧振電路，其諧振頻率50 Hz，這樣整體電路相對(duì)于50 Hz 的電流信號(hào)形成了一個(gè)開路狀態(tài)，不會(huì)影響電源的輸出電壓，同時(shí)，電抗器也補(bǔ)償了單調(diào)濾波電路的無功電流，使得整個(gè)電路的無功電流為零。仿真電路原理圖見圖7，仿真結(jié)果如圖8 所示。圖8（a）為濾波器輸入輸出電壓對(duì)比；圖8（b）為流經(jīng)供電電源的電流；圖8（c）為流經(jīng)單調(diào)諧波濾波支路的電流。

圖7 仿真電路原理圖

圖8 電壓、電流仿真

從圖8（a）中可以看出，設(shè)備輸出電壓和輸入電壓的幅值基本一致，濾波電路沒有將輸入電壓抬升；從圖8（b）中可以看出，三次諧波電流幾乎沒有流經(jīng)供電電源，即供電電源電流中幾乎沒有了三次諧波電流成分；從圖8（c）中可以看出，三次諧波電流全部流經(jīng)了單調(diào)諧波濾波支路。基波電流不流經(jīng)單調(diào)諧波濾波支路，而高次諧波電流不流經(jīng)供電電源，既保證了諧波電流測試滿足要求，又不會(huì)產(chǎn)生額外的無功電流。

仿真結(jié)果與理論分析相符合。

4 CE101 整改方案及測試結(jié)果

通過上述電路原理分析及仿真結(jié)果，針對(duì)高能高功率激光能量儀項(xiàng)目設(shè)計(jì)了如圖9 所示的諧波電流抑制電路。

圖9 CE 101 諧波電流抑制電路圖

按照?qǐng)D9的電路制作了一款電源濾波器，安裝在高能高功率激光能量儀380 VAC 的電源輸入端，再次對(duì)CE 101 項(xiàng)目進(jìn)行測試。CE 101 測試結(jié)果如圖10 所示。

圖10 整改后高能高功率激光能量儀CE 101 測試結(jié)果圖

從圖10 可以看出，該設(shè)備CE 101 項(xiàng)目在25 Hz ～10 kHz 范圍內(nèi)均滿足GJB 151B-2013的標(biāo)準(zhǔn)要求。

同時(shí)也測試電源濾波器的輸入輸出電壓，測試結(jié)果表面，其輸出電壓沒有被抬高。

5 結(jié)論

本文基于GJB 151B-2013 的標(biāo)準(zhǔn)要求，在電磁兼容實(shí)驗(yàn)室對(duì)高能高功率激光能量儀進(jìn)行了CE 101 的測試。通過分析CE 101 的測試曲線圖和研究設(shè)備內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)，為高能高功率激光能量儀設(shè)計(jì)了一款諧波電流抑制電路。整改后的高能高功率激光能量儀達(dá)到GJB 151B-2013 電磁發(fā)射和電磁抗擾度標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，證明此方法對(duì)于電流諧波抑制的有效性，為同類問題的解決提供了一種思路和參考。