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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-09-17 20:09
在GJB151B中，為什么僅對艦船和潛艇上的設(shè)備，以及部分飛機上的設(shè)備有CE101的要求？（續(xù)）
答： 首先需要了解，GJB151B標(biāo)準(zhǔn)是基于美軍標(biāo)MIL-STD-461G編制的。而在美軍標(biāo)中，僅對水面艦船、潛艇、陸軍飛機、海軍部分飛機提出了CE101的規(guī)定，所以GJB151B中也進(jìn)行了同樣的規(guī)定。
為什么美軍標(biāo)中這樣規(guī)定？
對于艦船和潛艇上的設(shè)備，提出CE101限值的主要的目的是限制設(shè)備在電源線上產(chǎn)生的諧波電流。艦船上的電源是要滿足一定電能質(zhì)量要求的。電能質(zhì)量指標(biāo)中，最重要的一項指標(biāo)是諧波電壓。水面艦船和潛艇上的電源要滿足MIL-STD-1399-300A標(biāo)準(zhǔn)的要求。這個標(biāo)準(zhǔn)要求電源電壓的總諧波電壓畸變率小于5%，并且要求每根線上的各次諧波電流畸變率小于基波電流的3%。
當(dāng)電源上有較大的諧波電壓時，這些諧波電壓由于頻率較高，會通過濾波電容和雜散電容形成共模電流，這些共模電流以船體作為路徑的一部分。船體上的電流周圍產(chǎn)生磁場，這些磁場會影響一些設(shè)備的工作。
通常艦船上使用的電源線濾波器對共模電容的容量是有限制的，目的就是限制共模電流。
實際上，大部分電氣、電子設(shè)備對電源的諧波電壓都有要求，一般要求總諧波電壓畸變率小于5%。當(dāng)電源的諧波電壓過大時，很多設(shè)備會出現(xiàn)故障。
對于陸軍的飛機
CE101的主要目的是保證電源系統(tǒng)滿足電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-704的要求。滿足CE101限值的電流在1Ω電阻上產(chǎn)生的電壓畸變比MIL-STD-704標(biāo)準(zhǔn)中對電壓畸變的要求低20dB，之所以留20dB的余量，是考慮到可能有多臺設(shè)備共用一個電源。
對于海軍的飛機
僅對載有反潛設(shè)備的飛機上安裝的設(shè)備有CE101要求。因為反潛飛機的主要任務(wù)是偵測和定位潛艇。超過CE101限值的電流可能降低磁場均勻度檢測儀和聲納系統(tǒng)的性能。磁場均勻度檢測儀要能夠識別到地球磁場中五萬分之一以下的磁場擾動。目前由于機載設(shè)備產(chǎn)生的干擾，磁場均勻度檢測儀無法達(dá)到預(yù)定的靈敏度。
設(shè)備包含什么電路時，會產(chǎn)生CE101傳導(dǎo)發(fā)射？
答：CE101是低頻傳導(dǎo)發(fā)射。要知道什么電路會產(chǎn)生這種傳導(dǎo)發(fā)射，需要了解兩個知識：1、傳導(dǎo)發(fā)射是怎樣產(chǎn)生的；2、傳導(dǎo)發(fā)射的頻率與什么因素有關(guān)。
我們先看看傳導(dǎo)發(fā)射是怎樣產(chǎn)生的？
一個電路產(chǎn)生傳導(dǎo)時，一個顯著的特征就是，從電源吸取的電流的波形與電源電壓的波形不同。為什么這樣說呢？因為當(dāng)電流的波形與電壓的波形不同時，根據(jù)傅里葉變換的理論，它們的頻譜一定不同，即電流中包含了超過電壓頻譜的額外頻譜成分，這些成分就是傳導(dǎo)發(fā)射。因此電源線的傳導(dǎo)發(fā)射都是用頻譜來表示，只要發(fā)現(xiàn)了額外的頻譜成分，它就產(chǎn)生傳導(dǎo)發(fā)射。
了解了這個情況，我們要識別產(chǎn)生CE101的電路，只要找到那些可能導(dǎo)致電流與電壓的波形不同的電路。導(dǎo)致電流與電壓的波形不同，有兩個情況。下面分別討論。
當(dāng)一個電路的電阻（阻抗）不是一個常數(shù)，而是一個隨著外加電壓幅度變化的參數(shù)時，它的電流波形與電壓波形就是不同的。
為了說明這個結(jié)論，我們先看看滿足什么條件電壓與電流的頻率是相同的，然后去找不滿足這些條件的電路，就是會產(chǎn)生傳導(dǎo)發(fā)射的電路。
當(dāng)電壓與電流的關(guān)系是線性關(guān)系時，電壓的波形與電流的波形相同。最簡單的情況就是，由一個電阻構(gòu)成的電路，這時電壓與電流的關(guān)系是V=IR，這里R是一個常數(shù)，這時電流的波形與電壓波形相同，不會產(chǎn)生傳導(dǎo)發(fā)射。
但是，如圖1所示的電路，包含了一個二極管，當(dāng)電壓是一個正弦波時，只有正半波時二極管導(dǎo)通；負(fù)半波時，二極管截止。這時電流的波形與電壓波形不同，這個電路就會產(chǎn)生傳導(dǎo)發(fā)射。這種電路叫做非線性電路。
圖1 二極管電路產(chǎn)生傳導(dǎo)發(fā)射
熟悉電路的讀者可能會提出疑問，如果整流電路是一個全波整流，這時電壓的正半波和負(fù)半波都導(dǎo)通，于是電流波形與電壓波形相同，是不是就不會產(chǎn)生傳導(dǎo)發(fā)射了？是這樣的。傳導(dǎo)發(fā)射小了很多，之所以不會完全消失，是因為二極管有一個0.7V的截止電壓，所以電流波形與電壓波形還是有微小的差異。如果在全波整流電路的后面加一個紋波濾波電容，傳導(dǎo)發(fā)射就會增加，請大家想想原因。
另外一個常見的可能產(chǎn)生CE101傳導(dǎo)發(fā)射的場合是逆變電路。逆變電路把直流電壓變成交流電壓?？梢灶A(yù)見，在交流電壓驅(qū)動下的負(fù)載電流一定是波動的，這種電流波動會反應(yīng)到逆變器的直流輸入端，因此電流的波形與穩(wěn)定的直流電壓的波形不同，這意味著有傳導(dǎo)發(fā)射。
上面就是兩種可能產(chǎn)生傳導(dǎo)發(fā)射的典型場合。下面，我們還需要判斷傳導(dǎo)發(fā)射的頻率范圍是否落在CE101限值的頻率范圍內(nèi)。
從電流波形得到電流頻譜的方法是傅里葉變換，大部分示波器都有這個功能。我們關(guān)注的傳導(dǎo)發(fā)射，主要是那些周期性變化的電流。對于周期性變化的電流，它的最低頻率就是電流波形變化的頻率。例如，在圖1所示的二極管電路中，電流波形的頻率是50Hz，因此電流的最低頻率是50Hz。如果逆變器的輸出交流電壓頻率是20Hz，則傳導(dǎo)發(fā)射的最低頻率是20Hz。這些都落在CE101的頻率范圍內(nèi)。
而開關(guān)電源中的開關(guān)頻率一般為數(shù)十kHz，則超出了CER101的頻率范圍，不會產(chǎn)生CE101傳導(dǎo)發(fā)射。它所產(chǎn)生的傳導(dǎo)發(fā)射落在CE102的頻率范圍內(nèi)，這在后面CE102相關(guān)的部分討論。
歸納一下上面的知識，我們可以得到兩種典型的會產(chǎn)生CE101傳導(dǎo)發(fā)射的電路：
第一種是交流供電的場合，整流電路會產(chǎn)生CE101傳導(dǎo)發(fā)射。
單相整流電路的傳導(dǎo)發(fā)射譜線是基波的高次諧波頻率，高次諧波次數(shù)為2n±1，例如對于50Hz交流供電的場合，高次諧波的頻率3次（150Hz）5次（250Hz）7次（350Hz）9次等。三相整流電路的諧波次數(shù)為6n±1，例如對于50Hz交流供電的場合，高次諧波的頻率5次（250Hz）7次（350Hz）11次（550Hz）13次等。
第二種是包含逆變電路的場合，傳導(dǎo)發(fā)射的最低頻率為逆變電路的輸出交流電壓的頻率及其高次諧波。
聽說CE101試驗很難通過，是這樣嗎？當(dāng)設(shè)備包含什么電路時，會產(chǎn)生CE101傳導(dǎo)發(fā)射？
答：CE101試驗是比較難通過，特別是功率大于1kW的設(shè)備。
主要是因為CE101試驗是低頻傳導(dǎo)發(fā)射，對付這種低頻干擾，一般無法使用LC濾波電路，即使LC濾波電路可以解決，濾波器的重量和體積也難以接受。
下面我們分析一下什么電路會產(chǎn)生CE101傳導(dǎo)發(fā)射：
我們先看看傳導(dǎo)發(fā)射是怎樣產(chǎn)生的？
一個電路產(chǎn)生傳導(dǎo)時，會有一個顯著的特征，這就是，它從電源吸取的電流的波形與電源電壓的波形不同。
為什么這樣說呢？因為當(dāng)電流的波形與電壓的波形不同時，根據(jù)傅里葉變換的理論，它們的頻譜一定不同。也就是說，電流的頻譜中包含了超過電壓頻譜的額外頻譜成分，這些額外的成分就是傳導(dǎo)發(fā)射。我們判斷這些額外頻譜的幅度，如果超過限制值，就是不合格。
實際上，大家看一下GJB151B中的CE101的限制值，它是一條隨頻率變化的折線。也就是說，我們衡量CE101是否合格，是要獲得傳導(dǎo)發(fā)射的頻譜，考察各個頻率的譜線是否高于限制值。
了解了這個情況，我們要識別產(chǎn)生CE101的電路，只要找到那些可能導(dǎo)致電流與電壓的波形不同的電路即可。
我們再來看看不會導(dǎo)致傳導(dǎo)發(fā)射的電路是什么樣的？
設(shè)想一個電阻R與一個電源連接，電源的電壓是U，這時流過電阻的電流為：I = U/R。在這里，由于R是一個常數(shù)，因此電流的波形與電壓波形完全相同。這意味著，電流的頻譜與電壓的頻譜完全相同，沒有額外的頻譜成分。因此，不會產(chǎn)生傳導(dǎo)發(fā)射。這種電壓與電流呈現(xiàn)線性關(guān)系的電路叫線性電路，我們可以用專業(yè)術(shù)語表述，線性電路不會產(chǎn)生傳導(dǎo)發(fā)射。
我們再看一個會產(chǎn)生傳導(dǎo)發(fā)射的情況
把前面電路中的電阻，換成二極管，并且電源用正弦波電壓，如圖1所示。
圖1 二極管電路產(chǎn)生傳導(dǎo)發(fā)射
這時，流過二極管的電流與電壓的波形就不同了。因為只有電壓為正半波時二極管導(dǎo)通，有電流通過二極管；電壓為負(fù)半波時，二極管截止，沒有幾乎沒有電流。因此，這個電路中電流的波形與電壓波形不同，這意味著，電流的頻譜與電壓的頻譜不同，有許多額外的頻譜成分，因此這個電路就會產(chǎn)生傳導(dǎo)發(fā)射。這種電路叫非線性電路。
熟悉電路的讀者可能會提出疑問，如果把圖中的整流二極管換成一個整流橋，也就是做全波整流，這時電壓的正半波和負(fù)半波都導(dǎo)通，于是電流波形與電壓波形相同，是不是就不會產(chǎn)生傳導(dǎo)發(fā)射了？
確實是這樣的。嚴(yán)格的講，這種全橋電路的傳導(dǎo)發(fā)射小了很多。之所以不會完全消失，是因為二極管有一個0.7V的截止電壓，所以電流波形與電壓波形還是有微小的差異。
有經(jīng)驗的工程師會提出疑問：現(xiàn)實中，他的整流橋電路CE101超標(biāo)很嚴(yán)重。這是因為在整流橋的后面一般有一個紋波平滑電容，這個電容導(dǎo)致了電流的波形與電壓的波形非常不同，大家可以分析一下如何不同。
包含平滑濾波電容的整流橋會產(chǎn)生CE101傳導(dǎo)發(fā)射。請大家記住這個結(jié)論。
另外一個常見的可能產(chǎn)生CE101傳導(dǎo)發(fā)射的場合是逆變電路
逆變電路把直流電壓變成交流電壓?？梢灶A(yù)見，在交流電壓驅(qū)動下的負(fù)載電流一定是交流電流。對于線性電路，例如電機，電流與電壓的頻率相同。如果負(fù)載是非線性電路，則電流會有豐富的高次諧波。這種電流變化肯定會反應(yīng)到逆變器的直流輸入端，因此電流的波形與穩(wěn)定的直流電壓的波形不同，這意味著有傳導(dǎo)發(fā)射。
上面就是兩種可能產(chǎn)生傳導(dǎo)發(fā)射的典型場合。
我們還需要判斷傳導(dǎo)發(fā)射的頻率范圍是否落在CE101限值的頻率范圍內(nèi)？
我們關(guān)注的傳導(dǎo)發(fā)射，主要是那些周期性變化的電流。對于周期性變化的電流，它的最低頻率就是電流波形變化的頻率。例如，在圖1所示的二極管電路中，電流波形的頻率是50Hz，因此電流的最低頻率是50Hz，落在CE101的頻率范圍內(nèi)。當(dāng)然，對于50Hz的電流頻譜，由于與電壓頻率相同，因此沒有限制，只限制50Hz的整倍數(shù)的頻率。
引申一下討論，開關(guān)電源中也會導(dǎo)致電流的波動，但是電流的波動頻率一般為數(shù)十kHz，則超出了CER101的頻率范圍，不會產(chǎn)生CE101傳導(dǎo)發(fā)射。他所產(chǎn)生的傳導(dǎo)發(fā)射落在CE102的頻率范圍內(nèi)，這在后面CE102相關(guān)的部分討論。
對于逆變電路，主要看逆變輸出的交流電壓的頻率。例如，驅(qū)動電機的輸出交流電壓頻率是200Hz，則傳導(dǎo)發(fā)射的最低頻率是200Hz。這落在CE101的頻率范圍內(nèi)。如果輸出電壓的頻率為20kHz，就超出了CE101的頻率范圍。
歸納一下上面的知識，我們可以得到兩種典型的會產(chǎn)生CE101傳導(dǎo)發(fā)射的電路：
1、第一種是交流供電的場合
帶平滑濾波電容的整流電路會產(chǎn)生CE101傳導(dǎo)發(fā)射。單相整流電路的傳導(dǎo)發(fā)射譜線是基波的高次諧波頻率，高次諧波次數(shù)為2n±1，例如對于50Hz交流供電的場合，高次諧波的頻率3次(150Hz)、5次(250Hz)、7次(350Hz)、9次等。三相整流電路的諧波次數(shù)為6n±1，例如對于50Hz交流供電的場合，高次諧波的頻率5次(250Hz)、7次(350Hz)、11次(550Hz)、13次等。
2、第二種是包含逆變電路的場合，傳導(dǎo)發(fā)射的最低頻率為逆變電路的輸出交流電壓的頻率及其高次諧波。
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