一体化电机系统中的电磁兼容(一)

一体化电机系统中的电磁兼容电气工程及自动化学院电磁驱动与控制研究所（ElectromagneticDrive&ControlLab.）《一体化电机系统中的电磁兼容》2一体化电机系统中的电磁兼容第6章一体化电机系统中的电磁兼容概况第7章一体化电机驱动系统电磁干扰的特点第8章一体化电机系统主要部件高频等效电路的建立第9章一体化电机系统传导电磁干扰测试与诊断技术第10章一体化电机系统干扰源的数学模型第11章一体化电机系统干扰源的抑制第12章一体化电机系统EMI滤波器的设计第13章电磁兼容设备简介电磁驱动与控制研究所（ElectromagneticDrive&ControlLab.）《一体化电机系统中的电磁兼容》3第6章一体化电机系统中的电磁兼容概况6.1一体化电机系统电磁干扰的研究现状分析6.2一体化电机系统传导干扰研究的热点问题6.3一体化电机系统瞬态电磁特性研究的热点6.4一体化电机系统中的负面效应第6章一体化电机系统中的电磁兼容概况电磁驱动与控制研究所（ElectromagneticDrive&ControlLab.）《一体化电机系统中的电磁兼容》46.1一体化电机系统电磁干扰的研究现状分析6.1一体化电机系统电磁干扰的研究现状分析存在的电磁干扰现象几乎覆盖了电磁兼容领域中所要研究的所有问题（自然的天电干扰除外）。•根据电磁干扰的状态：稳态干扰（谐波、传导、辐射）暂态干扰（静电、浪涌、电压跌落、短时中断、电快速瞬变脉冲群以及振铃等）•从系统的角度：系统自身的干扰、运行环境的干扰•按噪声的频率：低频传导干扰、高频辐射干扰。•按技术的相关性：系统抗扰度、电磁干扰的传播特性、电磁兼容测量技术、电磁干扰的抑制技术。6.1.1一体化电机系统电磁干扰的覆盖面电磁驱动与控制研究所（ElectromagneticDrive&ControlLab.）《一体化电机系统中的电磁兼容》56.1.2一体化电机系统电磁干扰的研究现状国内对电气工程领域EMC问题的研究正逐步开展起来，但对一体化电机系统中变流装置引起的干扰研究还很少。•西安交通大学和天津大学：逆变器输出脉冲电压的反射•浙江大学针：开关电源的EMI问题•南京航空航天大学：单相全桥电路的干扰问题进行了建模和仿真•清华大学：电力电子装置电磁干扰的传播特性做了一些研究•海军工程大学：电机的传导干扰做了一些研究•哈尔滨工业大学：电机系统的共模电压抑制方法逆变器后长电缆的电压反射现象传导干扰的研究6.1一体化电机系统电磁干扰的研究现状分析电磁驱动与控制研究所（ElectromagneticDrive&ControlLab.）《一体化电机系统中的电磁兼容》6辐射干扰的研究•辐射干扰：控制驱动器内部的辐射干扰场线耦合模型Taylor模型Agrawal模型Rachidi模型三相无损均匀传输线的模型一体化电机系统中长线电缆模型建立功率变换器中的散热片的辐射问题散热片的天线效应PCB板的EMI问题等过孔连接、印制线或边缘传输线6.1一体化电机系统电磁干扰的研究现状分析电磁驱动与控制研究所（ElectromagneticDrive&ControlLab.）《一体化电机系统中的电磁兼容》76.2一体化电机系统传导干扰研究的热点问题6.2一体化电机系统传导干扰研究的热点问题6.2.1一体化电机系统传导干扰的特点•一体化电机系统的传导和辐射干扰问题，不仅要妨碍临近设备的正常工作，而且同时也影响系统中控制和检测单元的稳定运行。•一体化电机系统的传导干扰由于是沿导线传播，比起辐射干扰来说，抑制更为困难。不同的电机系统，其干扰的强度和频率特性不同，即使同一系统，采用不同的控制措施，其干扰信号的特性也不同。•更为重要的是在一体化电机系统中主要的传导干扰源基本上都是电力半导体开关器件(直流电机系统除外，它包括换向器)动作所产生的电压或电流跳变，往往不只一个，而且可能多个开关同时动作，每个干扰源都是经过调制出来的系列脉冲串，在脉冲中除了上升沿和下降沿包含有丰富的高次谐波以外，还包括了开通和关断时产生的高频振荡衰减的波形。a)调制脉冲串b)单个脉冲展开形状一体化电机系统声源波形示意图电磁驱动与控制研究所（ElectromagneticDrive&ControlLab.）《一体化电机系统中的电磁兼容》86.2一体化电机系统传导干扰研究的热点问题6.2.2一体化电机系统的传导干扰机理分析•电机系统元器件繁多，布局复杂，所以器件与器件之间存在着大量的分布参数，功率器件同装置中其它部分相互耦合可为传导干扰提供传播途径，系统的布局不同其耦合程度也不同。•功率开关器件的开关运行状态引起系统中各组件间复杂的相互耦合作用就会形成传导干扰。•共模干扰主要是由于系统功率变换器中的功率半导体开关器件开关动作引起的du/dt经系统对地杂散电容耦合而传播。•差模干扰则主要是由于功率半导体开关器件开关引起的di/dt经输入输出线间的导体传播。•共模干扰和差模干扰是可以相互转化的，并不是绝对分开的。VsABD1D4D2D3V2V3ESCpC1R1C2R2(a)(b)共模电流传输通道的不平衡造成非本质差模噪声的电路图电磁驱动与控制研究所（ElectromagneticDrive&ControlLab.）《一体化电机系统中的电磁兼容》96.2一体化电机系统传导干扰研究的热点问题6.2.3一体化电机系统的建模•准确有效的模型不仅能用来进行EMI的预测而且有利于滤波器的设计。•目前功率变换器的等效电路模型主要集中在传导干扰频段，传导干扰预测应用中最基本的预测模式是干扰源加干扰耦合通道。•对干扰源的建模主要有时域建模和频域建模两种方法：时域建模：用物理元件如开关管、电阻、电感和电容器的相关模型来模拟EMI发射源。特点：很容易理解系统的EMI发射机理；频域建模：需要通过傅立叶变换将开关器件波形由时域转化成频域，并且以频域参量表示噪声传播路径的阻抗参数，那么很容易计算得到系统的EMI噪声频谱分布。特点：能够快速地预测EMI频谱，但模型的电路意义不够直观。电磁驱动与控制研究所（ElectromagneticDrive&ControlLab.）《一体化电机系统中的电磁兼容》10建立系统精确时域模型的步骤(1)建立功率半导体器件的高频模型。(2)建立无源器件的高频模型。(3)提取PCB板的寄生参数并建立高频模型。(4)将所抽取到的元器件的寄生参数和PCB板的分布参数加入到电路原理图中，构成完整的可以用于仿真传导EMI的电路模型。(5)使用电路仿真软件对模型电路进行瞬态分析。其中使用的仿真软件有Saber、Pspice等。频域分析方法的主要思想先推导出干扰源的时域表达式，再得到频域表示式，进而计算出落到线路阻抗稳定网络上的干扰电压频谱。例如：有文献从电路的角度介绍了变换器传导电磁干扰集中等效电路的建模方法，提出一种简单易行的方法估计变换器的噪声源和内阻抗，通过共模噪声源和共模内阻抗以及差模噪声源和差模内阻抗来预测滤波器的抑制效果。6.2一体化电机系统传导干扰研究的热点问题电磁驱动与控制研究所（ElectromagneticDrive&ControlLab.）《一体化电机系统中的电磁兼容》11南京航空航天大学：全桥开关型变换器电磁干扰模型运用Cadence软件提取变换器印刷电路板主要印制导线的寄生参数，结合阻抗测试仪和MATLAB软件提取变换器主要元器件的寄生参数，并且用Saber进行仿真。浙江大学：开关电源的传导共模电流分析模型Boost电路电磁干扰进行了建模（时域模型电路和频域分析模型）半导体功率器件的高频模型清华大学：PWM开关电源电磁干扰传播通道的电路模型西安电子科技大学：高频集总传导干扰的传输线模型海军工程大学：交流发电机整流系统传导干扰的时域模型国内的研究学者在建立系统的高频模型方面表现在：6.2一体化电机系统传导干扰研究的热点问题电磁驱动与控制研究所（ElectromagneticDrive&ControlLab.）《一体化电机系统中的电磁兼容》126.2一体化电机系统传导干扰研究的热点问题6.2.4一体化电机系统传导干扰测试技术一体化电机系统传导干扰测试电路原理图通常测试系统在一个平面上，标准实验台的高度为八十厘米。实验台上放有接地板，所有的待测设备、仪器和电缆都应该安装（放置）在该接地板上，该系统的所有设备不应超出该接地板的边缘，用它代替有噪声的、不确定的、未连接参考地的交流电源墙座（连接到安全地）。电磁驱动与控制研究所（ElectromagneticDrive&ControlLab.）《一体化电机系统中的电磁兼容》13线性阻抗稳定网络的原理框图线性阻抗网络（LISN）：它由50µH的电感、1µF、0.1µF的电容和50Ω的电阻构成。三个基本作用：1）、阻碍交流电网侧的噪声；2）、提供一个线性阻抗（已知高频特性的）；3）、提供一个50Ω的终端（在150k-30MHz频率范围内）用于测试噪声，探测系统传导骚扰信号。6.2一体化电机系统传导干扰研究的热点问题电磁驱动与控制研究所（ElectromagneticDrive&ControlLab.）《一体化电机系统中的电磁兼容》14电磁干扰接收机由于测量信号的微弱，要求接收机本身的噪声极小，灵敏度高，检波器的动态范围大，前级电路过载能力强，测量精度满足的要求。传感器衰减器校正信号源射频放大混频器中频放大检波器输出指示本振电磁干扰接收机原理框图电磁噪声强度的表征方法：傅立叶（Fourier）变换后得其频谱图，频谱分析是EMI诊断测量的理论基础之一。6.2一体化电机系统传导干扰研究的热点问题电磁驱动与控制研究所（ElectromagneticDrive&ControlLab.）《一体化电机系统中的电磁兼容》15电磁干扰源传播途径敏感设备（受扰体）减小干扰源强度正激变换器开关频率调制技术随机开关频率调制方式利用两个相反方向矢量“回扫”的方法来取代零矢量的作用优化驱动电路：即抑制du/dt和di/dt的技术常规方法是采用缓冲电路改变开关器件的门极驱动电路改变电路拓扑切断电磁干扰传播路径提高敏感设备的抗扰性无源滤波由无源器件组成最有效、最常用有源滤波在电路中加入有源电路•传导干扰：三要素对称结构消除变换器输出的共模电压三相四桥臂功率变换器方案添加辅助零状态开关改进控制策略拓扑结构示例6.2一体化电机系统传导干扰研究的热点问题6.2.5一体化电机系统传导干扰抑制措施电磁驱动与控制研究所（ElectromagneticDrive&ControlLab.）《一体化电机系统中的电磁兼容》16电源isLisLi´sLi´L有源EMI滤波器电机负载IsaoTakahashi提出的用于消除共模电流的有源EMI滤波器：有源滤波器：有源电路中的检测环节可以检测系统中出现的电磁干扰电流或者电压，通过其与系统的连接途径，反方向将检测到的干扰传递给系统，与系统中所产生的电磁干扰的电流或电压大小相等但方向相反，互相抵消，这样就抑制了系统中的电磁干扰噪声。LISN50频谱分析C1ucC0C0Tr1Tr2vinvu0有源共模噪声消除器电机负载1:1N三相电源日本学者SatoshiOgasawara提出，用于消除PWM功率变换器产生的共模电压：6.2一体化电机系统传导干扰研究的热点问题电磁驱动与控制研究所（ElectromagneticDrive&ControlLab.）《一体化电机系统中的电磁兼容》17D.A.Rendusara等学者提出了改进型二阶RLC低通功率变换器输出滤波器：ACACAC长线电缆LsuUuVuWLsLsiUiViWuAuBuCiAiBiCMiCMuCMuDC逆变器输出波滤波器LfRfCf电机负载n'共模虚拟地Rt变压器电机负载A.V.Jouanne等学者所提出的共模变压器方案：无源滤波器6.2一体化电机系统传导干扰研究的热点问题电磁驱动与控制研究所（ElectromagneticDrive&ControlLab.）《一体化电机系统中的电磁兼容》186.3一体化电机系统瞬态电磁特性研究的热点6.3一体化电机系统瞬态电磁特性