EAST极向场电源控制系统的EMC滤波设计与应用.pdf

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1、第5期王林森等．EAST极向场电源控制系统的EMC滤波设计与应用597EAST极向场电源控制系统的EMC滤波设计与应用王林森武旭李亚何诗英(中国科学院等离子体物理研究所，合肥230031)摘要滤波器是由电感、电容、电阻或铁氧体器件构成的频率选择性二端口网络，可以插入传输线中，抑制不需要的频率进行传播。结合电力电子系统电磁兼容理论和极向场电源的实际运行状况，对传导干扰和信号滤波的设计与应用进行介绍。关键词电磁兼容EAST电源系统滤波中圈分类号TH841文献标识码A文章编号1000-3932(2013)05-0597-05EAST超导托卡马克聚变实验装置是国家九五重大科学工程，工程

2、包括托卡马克装置、真空系统、电源及控制系统、低温系统、数据采集和等离子体控制系统、波加热和波驱动系统以及等离子体诊断系统等。极向场电源系统是EAST装置的核心子系统之一，由12套晶闸管相控变流器向12组相互耦合的极向场超导线圈供电，实现各种不同要求的等离子体位形及各种不同运行模式下的等离子体的产生、加热、平衡与控制。极向场电源系统核心设备变流器和续流柜，都是现代大型电力电子设备，设计总功率为60MW。12套电源系统大功率晶闸管、二极管的数量约1800只。1EAST极向场电源控制系统的设备概况及电磁环境晶闸管是现代电力电子技术的核心器件，利幅值用其正向触发开通，反向电压关断的特点

3、，完成交流电能向直流电能的转换。极向场电源中的变流器是三相全控桥式整流器，主要产生5、7、11、13次诸如6n±1(／7,=0，1，2，⋯)格式的谐波⋯。除了变流过程产生的高次谐波之外，电力电子器件的开关频率相当高，其开关的重复频率可以从工频到几百千赫兹。在传导射频段系统中同样会出现大量的开关频率谐波。各种元件开通关断时的会产生较强的dV／dt和di／dt，在这种尖峰信号的激励下，系统中寄生电感、电容往往会形成谐振，频率可达到数十兆赫兹。因此在极向场电源的内部，产生的干扰频谱是相当宽的，其频谱分布可以从电网频率一直到兆赫兹。图1为典型的电力电子系统产生的干扰频谱分布情况。工狐(

4、～iOHz)图1典型电力电子系统产生的干扰频谱五——电源基频；工。——开关频率从图中可以看出，电力电子系统中产生的干扰分为3类：第一类是电网电源的各次谐波，这种ON／OFF频率f／ltz(一IOMHz)收稿日期：2013-03-20(修改稿)598化工自动化及仪表第40卷干扰是在极向场电源相控整流环节形成的；第二类干扰是由电力电子器件本身的开关频率Z。及其倍数频率附近的干扰，这一干扰是系统中的一些高频开关环节产生的，其频率分布和幅值与开关的控制策略有关，成为开关频率谐波；第三类干扰则出现在数十兆赫兹上，这些干扰是由开关本身通断时器件内部的瞬变过程引起的，与开关器件内部载流子的运

5、动有关，称之为开关暂态干扰‘2

6、。图2是电源的单套原理图，电源工作过程分5个阶段：预磁阶段——变流器处于正向整流状态，使磁体电流慢速上升，极向场超导磁体充磁；等离子体产生阶段——磁体电流达到预定值约15．OkA后，晶闸管快速开关关断，产生2．4kV电压，使真空室中的气体击穿产生等离子体；等离子体电流上升阶段；等离子体平顶阶段——当磁体电流过零后，晶闸管开关闭合，变流器处于逆变状态，维持等离子体处于平顶阶段；等离子体电流下降阶段——当磁体电流达到预定值后，变流器处于反向逆变状态，使磁体退磁，系统退出。图2EAST极向场电源单套电源原理整个运行过程中，三相全控变流器处于整流或逆变状

7、态，产生高次谐波；总数约1800只的晶闸管运行时快速导通和截止；三阶段15kA电流关断瞬间会有很强的dV／dt和di／dt；特殊的设备直流快速开关或爆炸开关的分合闸、继电器的分合动作；平波电抗器、交直流母排交错在电源大厅内，安装的密度大，实验下会产生较强的电磁和磁场。这些设备产生的强干扰源，符合图1所示的频谱分析。2极向场电源控制系统中的传导干扰EAST极向场电源控制系统的EMC之接地设计和屏蔽设计与应用¨。，就是针对空间辐射干扰而设计的。不过实际运行表明，电源控制系统采用了屏蔽技术及各种接地措施，仍有传导干扰进入设备，这就需要采用滤波方式抑制干扰。2．1传导干扰的形成机理传导

8、干扰一般分为差模干扰和共模干扰，如图3所示。图中N为噪声源，R为受扰设备，V。为干扰电压，干扰噪声电流，。和信号电流，。的路径在往返两条线上是一致的。图3a所示差模干扰电流是由外界电磁场在信号线和信号地线构成的回路感应产生的。对于电流信号，。来说，本身就是差模输入，差模信号，。会直接叠加上真实信号t上，造成实际电流，。=，。+，。，形成误差。图3b干扰源进入线路和地线间，干扰电流在两条信号线上各流过一部分，以地为公共回路，而信号电流只在两条信号线的线路中流过。共模电流流人设备R中，由于两个共