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摘要
由于机电设备受暂态过电压所导致的劣化问题日益凸显与人们对特种设备安全日益增长的需求，需要对机电类特种设备及其重要安全电气部件进行浪涌抗扰度测试。通过对试验装置核心部分浪涌发生器主电路的理论分析与建模，给出了参数设计方法，最后通过simulink仿真表明，所设计的参数能够符合GB/T 17626.5-2008 输出波形浪涌发生器的冲击动作波形，为装置的实现提供设计依据。
关键词：电磁兼容；浪涌；参数设计；simulink
1.引言
电磁兼容性是机电类特种设备及其安全电气部件的重要技术指标之一，随着电梯、起重机械等系统的飞速发展，对电磁兼容试验提出了越来越高的要求，为了模拟由于开关操作（例如电容器组的切换、晶闸管的通断、设备和系统对地短路和电弧故障等）或雷击（包括避雷器的动作）在电网或通信线上产生的暂态过电压或过电流引起的故障对被测设备造成的影响，需进行浪涌抗扰度试验，而目前，国内该试验装置的厂家不多，且价格十分昂贵，因此有必要对浪涌抗扰度试验装置进行研究。本文主要针对该装置主电路拓扑的参数优化设计进行理论探究与仿真验证，为装置的实现奠定理论基础。
2.装置结构及设计指标
试验装置结构如图 1所示，装置主要由高压直流源发生器和组合波发生器两部分构成，高压直流源发生器主要是为主电路输入一个可调的高压直流电，为了减轻装置体积，本文采用高频开关电路代替传统工频变压器的方法，即市电通过二极管全波整流后，利用buck电路产生可调低压直流电，然后用推挽电路升压到300多V，再用三倍倍压整流电路升压到1000多V。
图1 试验装置结构框图
依据国家标准GB/T 17626.5-2008，试验装置的主电路拓扑结构如图2所示。图2中U为高压直流电源，Rl为充电电阻，S1为主电路mosfet开关管，C为脉冲充放电电容，R2为阻抗匹配电阻，R3为波尾电阻，L为波前电感；RL为负载。从图2中可以看出，组合波发生器主电路由充电回路和脉冲形成回路两部分构成。充电电路由U、R1和C构成，脉冲形成回路由R2、R3、L和RL构成。其工作原理为：首先，高压直流电源U通过充电电阻R1向储能电容C充电至电源电压。然后主电路开关S1闭合，储能电容C通过脉冲形成网络放电，即可得到所要求的电压浪涌。
图2 主电路拓扑
根据GB/T 17626.5—2008规定，发生器产生的浪涌波形应满足：开路电压波前时间1.2μs，开路电压半峰值时间50μs，短路电流波前时间8μs，短路电流半峰值时间20μs。
3.建模与参数设计
根据主电路拓扑的工作原理，可得主电路的浪涌电压和浪涌电流发生回路等效电路如图3所示，图3（a）、 图3（b）分别为开路电压波信号发生回路和短路电流波信号发生回路。
（a）开路电压发生等效回路 （b）短路电流发生等效回路
图3 主电路等效回路
根据基尔霍夫定律可分别得到关于开路电压uo与短路电流isc的节点时域模型
（1）
（2）
经过拉普拉斯复频域变换和反变换，可解得关于系统开路电压uo和短路电流isc的时域表达式，并可得到关于参数设计的近似取值如下式。
其中开路电压的波前时间 （3）
半峰值时间 （4）
短路电流发生回路的阻尼系数 （5）
计算出阻尼系数，短路电流的波前时间T1i和半峰值时间T2i可通过短路电流时域表达式数值解得到。
根据前文所述的设计指标，当主电路输出短路电流波时，C中的电量Q大约在短路电流波的脉冲持续时间内释放完毕，即Q=C·U=I·ti。根据GB/T 17626.5-2008表3，电源电压Uc是短路电流Isc波峰值的2倍，则可计算得到储能电容C的值约为10μF。由于输出回路的阻抗大致为2Ω，因此阻抗匹配电阻R2取1.9Ω。根据式（3）可得电感L与负载RL的取值关系为
（单位μH） （6）
根据式（4）可得R3与负载RL的取值关系为
（7）
4.仿真结果及分析
为验证参数设计的正确性，进行simulink仿真，负载RL取30Ω，由前文所述参数设计方法可计算出主电路主要参数为L=13μH， R3=9.2Ω。建立simulink仿真模型，得到输出的开路电压及短路电流波形如图4所示。
图4 仿真结果
由图4可知，输出波形满足GB/T 17626.5-2008标准的要求。
5.结论
本文在对浪涌抗扰度试验装置的主回路建模的基础上，推导了参数设计方法，并通过计算機仿真进行了验证，由simulink仿真可知，文中的主电路拓扑回路参数设计方法可满足国家标准GB/T 17626.5-2008的要求。
参考文献
[1] 杨仲江，徐乐，李祥超，等. 1.2/50 μs、8/20 μs 组合波发生器的研制[J]. 电瓷避雷器，2013（5）：58-65.
[2] 耿彪. 电磁抗扰度试验装置研制与微机保护系统EMC研究[D]. 大连理工大学，2008.
[3] 王玉峰，邹积岩， 廖敏夫，等. 组合波发生器的设计[J]. 高电压技术，2006，32（3）：10-12.
[4] 高楠， 吴小华， 刘源. 基于PI 调节的直流浪涌电压发生器的设计[J]. 电源技术，2012，36（4）：546-549.
[5] GB/T 17626.5-2008， 电磁兼容 试验和测量技术浪涌（冲击）抗扰度试验[S].
由于机电设备受暂态过电压所导致的劣化问题日益凸显与人们对特种设备安全日益增长的需求，需要对机电类特种设备及其重要安全电气部件进行浪涌抗扰度测试。通过对试验装置核心部分浪涌发生器主电路的理论分析与建模，给出了参数设计方法，最后通过simulink仿真表明，所设计的参数能够符合GB/T 17626.5-2008 输出波形浪涌发生器的冲击动作波形，为装置的实现提供设计依据。
关键词：电磁兼容；浪涌；参数设计；simulink
1.引言
电磁兼容性是机电类特种设备及其安全电气部件的重要技术指标之一，随着电梯、起重机械等系统的飞速发展，对电磁兼容试验提出了越来越高的要求，为了模拟由于开关操作（例如电容器组的切换、晶闸管的通断、设备和系统对地短路和电弧故障等）或雷击（包括避雷器的动作）在电网或通信线上产生的暂态过电压或过电流引起的故障对被测设备造成的影响，需进行浪涌抗扰度试验，而目前，国内该试验装置的厂家不多，且价格十分昂贵，因此有必要对浪涌抗扰度试验装置进行研究。本文主要针对该装置主电路拓扑的参数优化设计进行理论探究与仿真验证，为装置的实现奠定理论基础。
2.装置结构及设计指标
试验装置结构如图 1所示，装置主要由高压直流源发生器和组合波发生器两部分构成，高压直流源发生器主要是为主电路输入一个可调的高压直流电，为了减轻装置体积，本文采用高频开关电路代替传统工频变压器的方法，即市电通过二极管全波整流后，利用buck电路产生可调低压直流电，然后用推挽电路升压到300多V，再用三倍倍压整流电路升压到1000多V。
图1 试验装置结构框图
依据国家标准GB/T 17626.5-2008，试验装置的主电路拓扑结构如图2所示。图2中U为高压直流电源，Rl为充电电阻，S1为主电路mosfet开关管，C为脉冲充放电电容，R2为阻抗匹配电阻，R3为波尾电阻，L为波前电感；RL为负载。从图2中可以看出，组合波发生器主电路由充电回路和脉冲形成回路两部分构成。充电电路由U、R1和C构成，脉冲形成回路由R2、R3、L和RL构成。其工作原理为：首先，高压直流电源U通过充电电阻R1向储能电容C充电至电源电压。然后主电路开关S1闭合，储能电容C通过脉冲形成网络放电，即可得到所要求的电压浪涌。
图2 主电路拓扑
根据GB/T 17626.5—2008规定，发生器产生的浪涌波形应满足：开路电压波前时间1.2μs，开路电压半峰值时间50μs，短路电流波前时间8μs，短路电流半峰值时间20μs。
3.建模与参数设计
根据主电路拓扑的工作原理，可得主电路的浪涌电压和浪涌电流发生回路等效电路如图3所示，图3（a）、 图3（b）分别为开路电压波信号发生回路和短路电流波信号发生回路。
（a）开路电压发生等效回路 （b）短路电流发生等效回路
图3 主电路等效回路
根据基尔霍夫定律可分别得到关于开路电压uo与短路电流isc的节点时域模型
（1）
（2）
经过拉普拉斯复频域变换和反变换，可解得关于系统开路电压uo和短路电流isc的时域表达式，并可得到关于参数设计的近似取值如下式。
其中开路电压的波前时间 （3）
半峰值时间 （4）
短路电流发生回路的阻尼系数 （5）
计算出阻尼系数，短路电流的波前时间T1i和半峰值时间T2i可通过短路电流时域表达式数值解得到。
根据前文所述的设计指标，当主电路输出短路电流波时，C中的电量Q大约在短路电流波的脉冲持续时间内释放完毕，即Q=C·U=I·ti。根据GB/T 17626.5-2008表3，电源电压Uc是短路电流Isc波峰值的2倍，则可计算得到储能电容C的值约为10μF。由于输出回路的阻抗大致为2Ω，因此阻抗匹配电阻R2取1.9Ω。根据式（3）可得电感L与负载RL的取值关系为
（单位μH） （6）
根据式（4）可得R3与负载RL的取值关系为
（7）
4.仿真结果及分析
为验证参数设计的正确性，进行simulink仿真，负载RL取30Ω，由前文所述参数设计方法可计算出主电路主要参数为L=13μH， R3=9.2Ω。建立simulink仿真模型，得到输出的开路电压及短路电流波形如图4所示。
图4 仿真结果
由图4可知，输出波形满足GB/T 17626.5-2008标准的要求。
5.结论
本文在对浪涌抗扰度试验装置的主回路建模的基础上，推导了参数设计方法，并通过计算機仿真进行了验证，由simulink仿真可知，文中的主电路拓扑回路参数设计方法可满足国家标准GB/T 17626.5-2008的要求。
参考文献
[1] 杨仲江，徐乐，李祥超，等. 1.2/50 μs、8/20 μs 组合波发生器的研制[J]. 电瓷避雷器，2013（5）：58-65.
[2] 耿彪. 电磁抗扰度试验装置研制与微机保护系统EMC研究[D]. 大连理工大学，2008.
[3] 王玉峰，邹积岩， 廖敏夫，等. 组合波发生器的设计[J]. 高电压技术，2006，32（3）：10-12.
[4] 高楠， 吴小华， 刘源. 基于PI 调节的直流浪涌电压发生器的设计[J]. 电源技术，2012，36（4）：546-549.
[5] GB/T 17626.5-2008， 电磁兼容 试验和测量技术浪涌（冲击）抗扰度试验[S].