鱼雷供电系统电磁兼容性研究与设计

潘 进, 王凯国, 亢 凯, 吴 斌

鱼雷供电系统电磁兼容性研究与设计

潘 进, 王凯国, 亢 凯, 吴 斌

(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)

针对鱼雷研制初期供电系统电磁兼容性超标问题, 通过分析鱼雷供电系统的组成及其电磁特性, 研究供电系统对雷内电子系统产生电磁干扰的原因和传输途径, 采取抑制电磁干扰的设计措施, 并进行试验对比验证, 试验结果表明, 传导和辐射干扰均被抑制在国军标所规定的极限线以下, 满足总体性能要求。

鱼雷; 供电系统; 电磁兼容性; 电磁干扰

0 引言

鱼雷是唯一能在水下精确制导的攻防装备, 是海军多平台武器系统的重要战斗载荷, 随着军方对鱼雷战技指标、战术运用要求的提高, 其电气复杂程度越来越高、工作电磁环境愈发严酷。

鱼雷供电系统是为全雷电子组件提供多种能源转换, 建立电气传输通路, 实现全雷电子系统相互匹配的硬件功能组成系统。其在鱼雷内部空间布局分布较广, 且功能组成复杂, 形成了小信号处理与大电流驱动共存, 高速总线数字通信与微弱模拟信号采样共存的工作环境。狭小紧密空间内的供电装置、机械装置成为电磁干扰的源头和传输途径, 作为雷内最基本的电子系统其设计效果直接决定了鱼雷的电磁兼容特性, 并最终影响着鱼雷的电气性能, 因此供电系统的电磁兼容性设计与考核已经成为鱼雷型号研发过程中的重要环节, 是保证鱼雷性能的一个关键因素。

某型号初期产品在进行电磁兼容性试验时出现测试结果超标现象, 经分析发射干扰的频谱特性、雷内电子组件的电气特性, 最终隔离到鱼雷供电系统, 文中对该系统进行特性分析, 定位干扰源、传输途径, 提出设计措施, 并通过相关试验验证, 达到提高供电系统电磁兼容性的目的。

1 供电系统组成及电磁干扰特性分析

鱼雷供电系统的主要功能是实现全雷的电气布局(包括供电布局、地线布局和电缆布局等)。具体功能是将武器平台电源(如火控电源)、化学电源(如电池)、物理电源(如发电机)进行隔离转换, 按动作时序的要求为雷内各电子系统供电。同时通过雷内电缆连接全雷各电子系统, 实现系统间电气的可靠传输。其核心供电方式采用如图1所示的分布与集中相结合的三级混合供电体制, 各转换电源之间相互隔离。

图1 鱼雷三级供电体制

针对供电系统各功能组成单元电磁干扰的产生和传播途径做以下具体分析。

1.1 发电机

供电系统中发电机多采用功率质量比较大的永磁发电机, 其模型见图2, 作为电磁能转换组件, 其干扰主要源自发电机本体和整流电路; 其气隙磁场为谐波分量较大的方波, 无法随负载变化进行自适应调节, 最终导致发电机输出的交流电具有电压调整率大和波形畸变率大的特点[1], 该部分干扰会随绕组线圈传导至后级整流电路。

发电机绕组输出的三相交流电通过二极管的自然换相导通实现交-直流(alternating current-direct current, AC-DC)整流, 在进行大功率输出时, 由于发电机换相过程中整流二极管的非线性工作特性, 导致滤波电容0两端的电压0在换相重叠期间出现跳变[2], 同时在自导大功率脉冲发射时的加负载和抛负载现象会导致发电机内产生瞬变自感电动势, 其作用表征为输出电压0的瞬态过冲[3]。由于瞬态过冲时间短且幅值高, 形成谐波成分复杂的宽频带干扰, 通过互连线缆的天线效应辐射至雷内空间, 并通过电源线传导至二级电源, 影响后级系统的电磁兼容性。

图2 发电机原理图

1.2 电池

供电系统中电池种类较多, 有一次电池(如热电池)、二次电池(如锂电池)等众多分类, 钙系热电池的电化学特性决定其在高温熔融状态时, 电解质融化充分度、局部微泄漏情况均会导致其工作时内阻阻值发生变化, 进而导致输出电压出现跳动, 形成瞬间电噪声干扰[4], 锂系热电池与之相比电噪声显著降低。二次锂电池简化模型如图3所示, 图中1、2代表等效电阻,代表等效电容。由于电池内部扩散效应、极化效应和集肤效应的存在, 在不同频率条件下的动态阻抗特性不同, 因此不同干扰激励流经电池时产生的响应不同, 作为干扰传输途径, 电池和电源线将干扰响应叠加输出并传导至雷内二级电源[5]。针对大功率高比能动力电池, 其安装方式及电化学特性决定了每个单体电池的负极对雷壳之间会产生寄生电容, 多个单体电池串并联为电池组时其寄生电容分布参数同电池布局方式关联度较大, 在大功率扰动输出时各电池单体负极对雷壳电位变化较大, 寄生电容成为共模电流干扰的传输途径, 最终形成传导辐射, 干扰雷内其他电子系统[6]。

图3 电池等效模型

1.3 电源转换及管理装置

供电系统中电源转换及管理装置为二级电源, 其对一级电源进行隔离变换, 并根据动作时序的要求控制电源输出, 内部既有大功率DC-DC转换电路, 又有采样反馈控制电路, 属于干扰源与敏感电路共存的电子组件。内部DC-DC转换时, MOS管的高频开关斩波过程会在电源母线上产生大量的电压电流阶跃变化, 从而形成高次谐波干扰, 表现为反射纹波干扰传导至上一级电源[7], 同时次级变压器会将初级高频干扰耦合至后级电路, 形成高频脉动电流干扰, 最终传导至采样反馈控制电路, 影响其工作的可靠性。

电源管理中的反馈控制功能均采用数字信号处理(digital signal processing, DSP)或现场可编程门阵列(field programmable gate array, FPGA)电路实现, 其中晶振和高速时钟信号的走线也会产生高频振荡信号, 形成电磁干扰辐射至雷内空间[8]。

1.4 电缆

供电系统的电缆通过对外接口将雷内组件同雷外武器系统互连互通, 同时其贯穿全雷的布局设置将空间距离较远的电子组件连接在一起, 既进行电源功率传输又进行信息交互传输。电缆线束由多股不同定义的导线组成, 紧密相依的导线之间存在容性耦合和感性耦合关系, 其容性耦合的强度大小和频率特性与导线之间的分布电容有关, 感性耦合的强度大小与导线间距、干扰电流大小和回路面积等均相关[9], 且长距离线缆传输的辐射耦合不能忽视。多种复杂通信信号和功率电源信号均通过电缆束传输, 干扰信号会通过导线传输的天线效应辐射发射至相邻导线, 进而传导至其他电子系统, 同时电缆束会充当天线接收雷内其他干扰源的空间辐射干扰。

2 供电系统电磁兼容性设计

提高供电系统电磁兼容性应从降低干扰源能量、切断干扰传输途径和提高敏感电路抗干扰能力三方面进行相应的设计, 通过对功能组成及电磁干扰特性分析, 并根据设计可行性和费效比等因素综合优化考虑, 主要提出以下措施。

2.1 传导干扰抑制

雷外火控设定电缆是鱼雷与武器系统互连的唯一通路, 为抑制传导干扰对武器系统的影响, 对其传输途径进行滤波处理, 如图4所示, 初期鱼雷内部电源滤波器安装在跨舱段连接处, 需对前级电源传导干扰能实现有效抑制, 但为抑制尾段内舵机频繁操舵的高次谐波干扰通过空间辐射耦合或其倍频成分干扰以纹波形式传导至雷外火控电源线, 所采取的优化设计措施为: 在雷外交互接口处采用滤波参数相适应的接口滤波器, 实现电源传导干扰的双向抑制。

图4 传导干扰抑制措施

同时, 在电源转换及管理装置中增加共模抑制电容, 实现共模电流干扰快速泄放至壳体, 再将壳体可靠单点接地, 实现电源传导干扰的抑制。

2.2 辐射干扰抑制

鱼雷供电系统内部电子组件之间已实现电磁自兼容, 结合供电系统组件特点, 综合采用屏蔽、滤波及接地等手段实现辐射发射干扰源的抑制和传输途径的截断。

1) 为抑制多级供电体制中隔离变换产生的干扰, 采用逐级滤波方式抑制各级开关频率的倍频成分所形成的空间。

2) 为防止系统内干扰信号通过全雷电缆辐射耦合或传导发射到远端再辐射至空间, 对全雷电缆采用屏蔽处理并保证屏蔽层连续, 处理方式见图5。连接器端的屏蔽层采用360°搭接方式, 并通过连接器壳体同雷壳可靠连接[10], 连接器固定端采用导电衬垫的方式实现孔缝的电磁密封填充, 同时, 在电缆束屏蔽层内对关键的通信信号、点火信号等敏感信号线采用双绞多层屏蔽处理。

3) 对辐射发射较强的发电机和电源转换及管理装置, 增加可靠接地的屏蔽壳体, 实现对空间耦合传输途径的阻截, 对干扰源发电机采用气隙磁场设计和分数槽绕组优化设计, 实现输出电压的正弦化, 避免过多谐波成分干扰传导至二级电源。

图5 电缆屏蔽处理方式

4) 对电源转换及管理装置内部高速时钟信号采用展频调制技术, 以降低频谱带宽峰值功率, 布局走线采用包地覆铜处理以降低其空间辐射。

3 电磁兼容性试验验证

电磁兼容性设计效果应经过相关试验测试进行验证考核评估, 通过是否对供电系统施加相关措施对比测试结果的方式, 验证电磁兼容性设计是否合理。以GJB151A-1997的测试条件为要求, 参照GJB152A-1997的测试方法进行CE102和RE102项试验测试。

3.1 CE102测试结果

CE102测试结果如图6所示。从图可知, 供电系统采取前述设计措施后, 传导干扰从未采取措施超标7 dBμV左右优化至具有10 dBμV的安全裕度, 其主要集中在1~10 MHz, 百千赫兹级别频段的频谱分布同电源转换及管理装置中DC-DC模块的开关频率相近, 通过设计优化实现传导发射干扰的抑制。

3.2 RE102测试结果

25~30 MHz频段的RE102测试结果如图7所示, 未加设计改进措施时存在350 kHz左右间隔的倍频干扰现象, 其频率特性同三级电源中DC-DC变换的开关频率相近, 通过施加设计改进措施后, 超标频点得到有效抑制。

RE102垂直极化测试结果如图8所示, 可知供电系统采取前述设计措施后, 从未采取措施前整体包络曲线超标, 最大超标达25 dBμV/m, 优化至通过极限线考核, 并具有一定的安全裕度, 在10 MHz以下的频段通过电缆屏蔽处理等措施将干扰抑制在极限线以下。

RE102水平极化测试结果如图9所示, 可知供电系统采取前述设计措施后, 从最大超标24 dBμV/m优化至具有4 dBμV/m的安全裕度, 在30~60 MHz之间的倍频干扰以及百兆赫兹级频段的通信干扰均得到有效抑制。

图6 CE102测试结果

图7 RE102超标频点

图8 RE102 垂直极化测试结果

图9 RE102 水平极化测试结果

4 结束语

文中通过对鱼雷供电系统电磁特性研究分析, 明确应采取的设计措施, 通过对比试验结果表明, 相关措施实现了对传导和辐射干扰的有效抑制, 达到了国军标的要求。其原理分析和抑制措施对其他类似产品的电磁兼容性设计有一定的参考价值。

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Research and Design of Electromagnetic Compatibility of Torpedo Power Supply System

PAN Jin, WANG Kai-guo, KANG Kai, WU Bin

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

This work studies the electromagnetic compatibility(EMC) of the power supply system that exceeds the standard in the early stage of the development of a torpedo by analyzing the composition and electromagnetic characteristics of the torpedo power supply system, the causes and transmission ways of electromagnetic interference from the power supply system to the electronic system inside the torpedo. The design measures to suppress the electromagnetic interference are taken, the conduction and radiation interference are suppressed below the limit line in the national military standard to meet the general performance requirements.

torpedo; power supply system; electromagnetic compatibility(EMC); electromagnetic interference

TJ630.1; TB71.2

A

2096-3920(2020)04-0456-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.016

2019-05-23;

2019-06-26.

潘 进(1987-), 男, 硕士, 高级工程师, 主要研究方向为鱼雷总体技术.

潘进, 王凯国, 亢凯, 等. 鱼雷供电系统电磁兼容性研究与设计[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(4): 456-460.

(责任编辑: 许 妍)