一體化電機(jī)系統(tǒng)中的電磁兼容(一)ppt課件

1、電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院,2,一體化電機(jī)系統(tǒng)中的電磁兼容,第6章 一體化電機(jī)系統(tǒng)中的電磁兼容概況 第7章 一體化電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾的特點(diǎn) 第8章 一體化電機(jī)系統(tǒng)主要部件高頻等效電路的建立 第9章 一體化電機(jī)系統(tǒng)傳導(dǎo)電磁干擾測(cè)試與診斷技術(shù) 第10章 一體化電機(jī)系統(tǒng)干擾源的數(shù)學(xué)模型 第11章 一體化電機(jī)系統(tǒng)干擾源的抑制 第12章 一體化電機(jī)系統(tǒng)EMI濾波器的設(shè)計(jì) 第13章 電磁兼容設(shè)備簡(jiǎn)介,3,第6章一體化電機(jī)系統(tǒng)中的電磁兼容概況,6.1一體化電機(jī)系統(tǒng)電磁干擾的研究現(xiàn)狀分析 6.2一體化電機(jī)系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾研究的熱點(diǎn)問(wèn)題 6.3一體化電機(jī)系統(tǒng)瞬態(tài)電磁特性研究的熱點(diǎn) 6.4一體化電機(jī)系統(tǒng)中的負(fù)面效應(yīng),第6

2、章 一體化電機(jī)系統(tǒng)中的電磁兼容概況,4,6.1一體化電機(jī)系統(tǒng)電磁干擾的研究現(xiàn)狀分析,6. 1 一體化電機(jī)系統(tǒng)電磁干擾的研究現(xiàn)狀分析,存在的電磁干擾現(xiàn)象幾乎覆蓋了電磁兼容領(lǐng)域中所要研究的所有問(wèn)題（自然的天電干擾除外,根據(jù)電磁干擾的狀態(tài)：穩(wěn)態(tài)干擾（諧波、傳導(dǎo)、輻射） 暫態(tài)干擾（靜電、浪涌、電壓跌落、短時(shí)中 斷、電快速瞬變脈沖群以及振鈴等） 從系統(tǒng)的角度：系統(tǒng)自身的干擾 、運(yùn)行環(huán)境的干擾 按噪聲的頻率：低頻傳導(dǎo)干擾、高頻輻射干擾。 按技術(shù)的相關(guān)性：系統(tǒng)抗擾度、電磁干擾的傳播特性、電磁兼容測(cè) 量技術(shù)、電磁干擾的抑制技術(shù),6.1.1 一體化電機(jī)系統(tǒng)電磁干擾的覆蓋面,5,6.1.2一體化電機(jī)系統(tǒng)電磁干擾的

3、研究現(xiàn)狀,國(guó)內(nèi)對(duì)電氣工程領(lǐng)域EMC問(wèn)題的研究正逐步開(kāi)展起來(lái)，但對(duì)一體化電機(jī)系統(tǒng)中變流裝置引起的干擾研究還很少,西安交通大學(xué)和天津大學(xué)：逆變器輸出脈沖電壓的反射 浙江大學(xué)針：開(kāi)關(guān)電源的EMI問(wèn)題 南京航空航天大學(xué)：?jiǎn)蜗嗳珮螂娐返母蓴_問(wèn)題進(jìn)行了建模和仿真 清華大學(xué)：電力電子裝置電磁干擾的傳播特性做了一些研究 海軍工程大學(xué)：電機(jī)的傳導(dǎo)干擾做了一些研究 哈爾濱工業(yè)大學(xué)：電機(jī)系統(tǒng)的共模電壓抑制方法 逆變器后長(zhǎng)電纜的電壓反 射現(xiàn)象,傳導(dǎo)干擾的研究,6. 1 一體化電機(jī)系統(tǒng)電磁干擾的研究現(xiàn)狀分析,6,輻射干擾的研究,輻射干擾：控制驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的輻射干擾,場(chǎng)線耦合模型 Taylor模型 Agrawal模型 Ra

4、chidi模型,三相無(wú)損均勻傳輸線的模型 一體化電機(jī)系統(tǒng)中長(zhǎng)線電纜模型建立,功率變換器中的散熱片的輻射問(wèn)題 散熱片的天線效應(yīng),PCB板的EMI問(wèn)題等 過(guò)孔連接、印制線或邊緣傳輸線,6. 1 一體化電機(jī)系統(tǒng)電磁干擾的研究現(xiàn)狀分析,7,6.2 一體化電機(jī)系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,6.2 一體化電機(jī)系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,6.2.1 一體化電機(jī)系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾的特點(diǎn),一體化電機(jī)系統(tǒng)的傳導(dǎo)和輻射干擾問(wèn)題，不僅要妨礙臨近設(shè)備的正常工作，而且同時(shí)也影響系統(tǒng)中控制和檢測(cè)單元的穩(wěn)定運(yùn)行。 一體化電機(jī)系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾由于是沿導(dǎo)線傳播，比起輻射干擾來(lái)說(shuō)，抑制更為困難。不同的電機(jī)系統(tǒng)，其干擾的強(qiáng)度和頻率特性不同，即

5、使同一系統(tǒng)，采用不同的控制措施，其干擾信號(hào)的特性也不同。 更為重要的是在一體化電機(jī)系統(tǒng)中主要的傳導(dǎo)干擾源基本上都是電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件(直流電機(jī)系統(tǒng)除外，它包括換向器)動(dòng)作所產(chǎn)生的電壓或電流跳變，往往不只一個(gè)，而且可能多個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)動(dòng)作，每個(gè)干擾源都是經(jīng)過(guò)調(diào)制出來(lái)的系列脈沖串，在脈沖中除了上升沿和下降沿包含有豐富的高次諧波以外，還包括了開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的高頻振蕩衰減的波形,a)調(diào)制脈沖串 b)單個(gè)脈沖展開(kāi)形狀 一體化電機(jī)系統(tǒng)聲源波形示意圖,8,6.2 一體化電機(jī)系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,6.2.2 一體化電機(jī)系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾機(jī)理分析,電機(jī)系統(tǒng)元器件繁多，布局復(fù)雜，所以器件與器件之間存在著大量的分布

6、參數(shù)，功率器件同裝置中其它部分相互耦合可為傳導(dǎo)干擾提供傳播途徑，系統(tǒng)的布局不同其耦合程度也不同。 功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)引起系統(tǒng)中各組件間復(fù)雜的相互耦合作用就會(huì)形成傳導(dǎo)干擾。 共模干擾主要是由于系統(tǒng)功率變換器中的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)動(dòng)作引起的du/dt經(jīng)系統(tǒng)對(duì)地雜散電容耦合而傳播。 差模干擾則主要是由于功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)引起的di/dt經(jīng)輸入輸出線間的導(dǎo)體傳播。 共模干擾和差模干擾是可以相互轉(zhuǎn)化的，并不是絕對(duì)分開(kāi)的,共模電流傳輸通道的不平衡造成非本質(zhì)差模噪聲的電路圖,9,6.2 一體化電機(jī)系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,6.2.3 一體化電機(jī)系統(tǒng)的建模,準(zhǔn)確有效的模型不僅能用來(lái)進(jìn)行EMI

7、的預(yù)測(cè)而且有利于濾波器的設(shè)計(jì)。 目前功率變換器的等效電路模型主要集中在傳導(dǎo)干擾頻段，傳導(dǎo)干擾預(yù)測(cè)應(yīng)用中最基本的預(yù)測(cè)模式是干擾源加干擾耦合通道。 對(duì)干擾源的建模主要有時(shí)域建模和頻域建模兩種方法： 時(shí)域建模：用物理元件如開(kāi)關(guān)管、電阻、電感和電容器的相關(guān)模型來(lái)模擬 EMI發(fā)射源。 特點(diǎn)：很容易理解系統(tǒng)的 EMI發(fā)射機(jī)理； 頻域建模：需要通過(guò)傅立葉變換將開(kāi)關(guān)器件波形由時(shí)域轉(zhuǎn)化成頻域，并且以頻 域參量表示噪聲傳播路徑的阻抗參數(shù)，那么很容易計(jì)算得到系統(tǒng)的 EMI噪聲頻譜分布。 特點(diǎn)：能夠快速地預(yù)測(cè) EMI頻譜，但模型的電路意義不夠直觀,10,建立系統(tǒng)精確時(shí)域模型的步驟,建立功率半導(dǎo)體器件的高頻模型。 建立

8、無(wú)源器件的高頻模型。 提取PCB板的寄生參數(shù)并建立高頻模型。 將所抽取到的元器件的寄生參數(shù)和PCB板的分布參數(shù)加入到電路原理圖中，構(gòu)成完整的可以用于仿真?zhèn)鲗?dǎo)EMI的電路模型。 使用電路仿真軟件對(duì)模型電路進(jìn)行瞬態(tài)分析。其中使用的仿真軟件有Saber、Pspice等,頻域分析方法的主要思想,先推導(dǎo)出干擾源的時(shí)域表達(dá)式，再得到頻域表示式，進(jìn)而計(jì)算出落到線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)上的干擾電壓頻譜,例如：有文獻(xiàn)從電路的角度介紹了變換器傳導(dǎo)電磁干擾集中等效電路的建模方法，提出一種簡(jiǎn)單易行的方法估計(jì)變換器的噪聲源和內(nèi)阻抗，通過(guò)共模噪聲源和共模內(nèi)阻抗以及差模噪聲源和差模內(nèi)阻抗來(lái)預(yù)測(cè)濾波器的抑制效果,6.2 一體化電機(jī)系

9、統(tǒng)傳導(dǎo)干擾研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,11,南京航空航天大學(xué)：全橋開(kāi)關(guān)型變換器電磁干擾模型 運(yùn)用Cadence軟件提取變換器印刷電路板主要印制導(dǎo)線的寄生 參數(shù)，結(jié)合阻抗測(cè)試儀和MATLAB軟件提取變換器主要元器 件的寄生參數(shù)，并且用Saber進(jìn)行仿真。 浙江大學(xué)：開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)共模電流分析模型 Boost電路電磁干擾進(jìn)行了建模（時(shí)域模型電路和頻域分析模型） 半導(dǎo)體功率器件的高頻模型 清華大學(xué)：PWM開(kāi)關(guān)電源電磁干擾傳播通道的電路模型 西安電子科技大學(xué)：高頻集總傳導(dǎo)干擾的傳輸線模型 海軍工程大學(xué)：交流發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾的時(shí)域模型,國(guó)內(nèi)的研究學(xué)者在建立系統(tǒng)的高頻模型方面表現(xiàn)在,6.2 一體化電機(jī)系統(tǒng)傳導(dǎo)干

10、擾研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,12,6.2 一體化電機(jī)系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,6.2.4 一體化電機(jī)系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾測(cè)試技術(shù),一體化電機(jī)系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾測(cè)試電路原理圖,通常測(cè)試系統(tǒng)在一個(gè)平面上，標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的高度為八十厘米。實(shí)驗(yàn)臺(tái)上放有接地板，所有的待測(cè)設(shè)備、儀器和電纜都應(yīng)該安裝（放置）在該接地板上，該系統(tǒng)的所有設(shè)備不應(yīng)超出該接地板的邊緣，用它代替有噪聲的、不確定的、未連接參考地的交流電源墻座（連接到安全地,13,線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的原理框圖,線性阻抗網(wǎng)絡(luò)（LISN）：它由50H的電感、1 F、0.1 F 的電容和50 的電阻構(gòu)成。 三個(gè)基本作用：1）、阻礙交流電網(wǎng)側(cè)的噪聲； 2）、提供一個(gè)線性阻 抗（已知高頻特

11、性的）； 3）、提供一個(gè)50的終端（在150k-30MHz頻率范圍 內(nèi)）用于測(cè)試噪聲，探測(cè)系統(tǒng)傳導(dǎo)騷擾信號(hào),6.2 一體化電機(jī)系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,14,電磁干擾接收機(jī) 由于測(cè)量信號(hào)的微弱，要求接收機(jī)本身的噪聲極小，靈敏度高，檢波器的動(dòng)態(tài)范圍大，前級(jí)電路過(guò)載能力強(qiáng)，測(cè)量精度滿足 的要求,電磁干擾接收機(jī)原理框圖,電磁噪聲強(qiáng)度的表征方法：傅立葉（Fourier）變換后得其頻譜圖，頻譜分析是EMI診斷測(cè)量的理論基礎(chǔ)之一,6.2 一體化電機(jī)系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,15,電磁干擾源,傳播途徑,敏感設(shè)備 （受擾體,減小干擾源強(qiáng)度,正激變換器開(kāi)關(guān)頻率調(diào)制技術(shù) 隨機(jī)開(kāi)關(guān)頻率調(diào)制方式 利用兩個(gè)相反方向

12、矢量“回掃”的方法來(lái)取代零矢量的作用,優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路：即抑制du/dt和di/dt的技術(shù) 常規(guī)方法是采用緩沖電路 改變開(kāi)關(guān)器件的門極驅(qū)動(dòng)電路,改變電路拓?fù)?切斷電磁干擾傳播路徑,提高敏感設(shè)備的抗擾性,無(wú)源濾波 由無(wú)源器件組成 最有效、最常用,有源濾波 在電路中加入有源電路,傳導(dǎo)干擾：三要素,對(duì)稱結(jié)構(gòu)消除變換器輸出的共模電壓 三相四橋臂功率變換器方案 添加輔助零狀態(tài)開(kāi)關(guān),改進(jìn)控制策略,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示例,6.2 一體化電機(jī)系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,6.2.5 一體化電機(jī)系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾抑制措施,16,Isao Takahashi提出的用于消除共模電流的有源EMI濾波器,有源濾波器： 有源電路中的檢測(cè)環(huán)節(jié)可

13、以檢測(cè)系統(tǒng)中出現(xiàn)的電磁干擾電流或者電壓，通過(guò)其與系統(tǒng)的連接途徑，反方向?qū)z測(cè)到的干擾傳遞給系統(tǒng)，與系統(tǒng)中所產(chǎn)生的電磁干擾的電流或電壓大小相等但方向相反，互相抵消，這樣就抑制了系統(tǒng)中的電磁干擾噪聲,日本學(xué)者Satoshi Ogasawara提出，用于消除PWM功率變換器產(chǎn)生的共模電壓,6.2 一體化電機(jī)系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,17,D.A.Rendusara等學(xué)者提出了改進(jìn)型二階RLC低通功率變換器輸出濾波器,A.V.Jouanne等學(xué)者所提出的共模變壓器方案,無(wú)源濾波器,6.2 一體化電機(jī)系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,18,6.3 一體化電機(jī)系統(tǒng)瞬態(tài)電磁特性研究的熱點(diǎn),6.3 一體化電機(jī)系統(tǒng)

14、瞬態(tài)電磁特性研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,6.3.1 功率變換器瞬態(tài)特性研究?jī)?nèi)容,對(duì)于功率變換器的瞬態(tài)特性研究，按照研究對(duì)象分主要集中于以下幾方面,1)高速數(shù)字電路的信號(hào)完整性 包括微帶線和帶狀線間的耦合串?dāng)_、諧振問(wèn)題、不完整地平面的寄生模式 (如槽線模、表面波模等)、阻抗突變的反射等問(wèn)題。 (2)散熱器的電磁輻射特性 (3) 屏蔽電纜束的輻射敏感性,研究方法： 在近場(chǎng)區(qū)的低頻電磁現(xiàn)象，研究方法以傳導(dǎo)途徑的集總參數(shù)電路模擬為主。 在高頻段，將干擾源簡(jiǎn)化為電或磁偶極子輻射源，以遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)平面波的研究方法為主,19,6.3 一體化電機(jī)系統(tǒng)瞬態(tài)電磁特性研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,6.3.2 功率變換器內(nèi)電磁環(huán)境,由于電機(jī)系統(tǒng)增加

15、了包括變流器及控制器在內(nèi)的功率變換器，在變流部分多采用PWM調(diào)制技術(shù)，使得半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件兩端的電壓及其流過(guò)的電流發(fā)生類似階躍變化，產(chǎn)生很高的 和 ，進(jìn)而產(chǎn)生很強(qiáng)瞬間干擾,22kW三相電機(jī)變頻器電磁騷擾,20,500kW高壓變頻設(shè)備的輻射發(fā)射測(cè)試,另一方面，功率變換器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電氣連接交錯(cuò)排列，使其中的電磁波多次散射、衍射。因此功率變換器內(nèi)部電磁場(chǎng)是靜態(tài)場(chǎng)、穩(wěn)態(tài)場(chǎng)、似穩(wěn)場(chǎng)和瞬態(tài)場(chǎng)的合成場(chǎng)，內(nèi)部的電磁波也具有多模式、交叉極化和模式耦合等特性。這些電磁場(chǎng)與電磁波構(gòu)成了變換器電磁內(nèi)環(huán)境,6.3 一體化電機(jī)系統(tǒng)瞬態(tài)電磁特性研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,21,6.3 一體化電機(jī)系統(tǒng)瞬態(tài)電磁特性研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,6.3

16、.3 功率變換器瞬態(tài)電磁干擾源與干擾機(jī)理,在功率變換器內(nèi)電磁環(huán)境中存在潛在的和難以預(yù)知的電磁發(fā)射，其原因是功率變換器中蘊(yùn)藏著形式多樣的干擾源，其中主要是半導(dǎo)體(如功率二極管、MOSFET、IGBT和IPM等)反相恢復(fù)噪聲和開(kāi)關(guān)頻率的高次諧波，還有電感和變壓器的高頻噪聲等。這些干擾源分布在變換器中對(duì)敏感元件(如控制單元的數(shù)字/模擬集成電路、DSP、FPGA、A/D、D/A等)和敏感信號(hào)線(信號(hào)反饋、故障檢測(cè)等線路)形成干擾,半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件與散熱器之間的容性耦合 散熱器天線效應(yīng) 散熱器之間的串?dāng)_ 散熱器對(duì)微帶線騷擾 微帶線阻抗突變引起的反射、失真和串?dāng)_,22,根據(jù)干擾源與受擾體結(jié)構(gòu)特征劃分兩類場(chǎng)分

17、析模型,微帶結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)：是信號(hào)能量大部分被限制在地參考面上方微帶線以下很窄的區(qū)域內(nèi)，而且該區(qū)域的介電常數(shù)較大。 折皺表面結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)：具有周期性，因此齒間場(chǎng)函數(shù)也具有周期特征。而且表面電流較大，輻射發(fā)射較強(qiáng),根據(jù)輻射途徑不同劃分三類場(chǎng)分析模型,功率器件散熱器具有開(kāi)敞式平扳折皺表面結(jié)構(gòu) 控制驅(qū)動(dòng)器中電纜(導(dǎo)線)建立的場(chǎng)與線耦合模型 用于主動(dòng)場(chǎng)屏蔽的功率變換器外殼是一個(gè)被短路面包圍的電磁諧振系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的波反射和衍射的研究應(yīng)歸結(jié)于閉區(qū)域內(nèi)電磁場(chǎng)三維本征值問(wèn)題進(jìn)行處理,6.3 一體化電機(jī)系統(tǒng)瞬態(tài)電磁特性研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,23,瞬態(tài)電磁正問(wèn)題,瞬態(tài)電磁逆問(wèn)題,t1,t2t1,接收器,入射波,散射體,散

18、射特征,正問(wèn)題 (FDTD Method,結(jié)構(gòu)特征,散射特征,逆問(wèn)題 (GA,結(jié)構(gòu)特征,散射波,t1,t2t1,接收器,入射波,散射體,散射波,6.3 一體化電機(jī)系統(tǒng)瞬態(tài)電磁特性研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,6.3.4 瞬態(tài)電磁場(chǎng)的目標(biāo)與環(huán)境一體化建模,24,6.3 一體化電機(jī)系統(tǒng)瞬態(tài)電磁特性研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,6.3.5 瞬態(tài)電磁場(chǎng)分析方法,解析法： 求得Laplace方程、Helmholtz方程、Maxwell方程組的閉式解答。 特點(diǎn)：理論上的解是精確的，而且包含各參量之間的依賴關(guān)系。當(dāng)環(huán)境參量改變時(shí)不必重新求解，即具有一定的普適性。 缺點(diǎn)：只適應(yīng)于某些特定的情況，對(duì)于一般情況仍采用數(shù)值解法，對(duì)于大多數(shù)電磁

19、場(chǎng)問(wèn)題得不到解析解、不具有一般性，仍需要數(shù)值法進(jìn)行補(bǔ)充,數(shù)值法： 可分為微分方程法、泛函變分法、積分方程法 特點(diǎn)：對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)電磁場(chǎng)問(wèn)題，只能采用數(shù)值分析的方法,漸近法： 漸近法是將電磁頻譜劃分為三個(gè)區(qū)域：低頻區(qū)、諧振區(qū)和高頻區(qū)。在低頻區(qū)采用準(zhǔn)靜態(tài)法或電路的方法，在高頻區(qū)采用光學(xué)的方法,25,6.4一體化電機(jī)系統(tǒng)中的負(fù)面效應(yīng),6. 4一體化電機(jī)系統(tǒng)中的負(fù)面效應(yīng),6.4.1 共模電壓,高頻共模電壓的存在，給交流變頻調(diào)速系統(tǒng)帶來(lái)以下兩方面的負(fù)面效應(yīng)： 一方面，產(chǎn)生軸電壓和軸承電流； 另一方面是產(chǎn)生傳導(dǎo)性EMI的主要因素,26,6. 4一體化電機(jī)系統(tǒng)中的負(fù)面效應(yīng),6.4.2 共模電流（漏電流,

20、PWM逆變器中共模電壓的變化，引起該電流流過(guò)定子繞組和電機(jī)機(jī)座之間的雜散電容。在最壞的情況下，該電流峰值可能達(dá)到額定電流的10。這可能會(huì)對(duì)電機(jī)電流的控制產(chǎn)生不利影響，也可能導(dǎo)致電流控制的斷路器的誤動(dòng)作,在功率開(kāi)關(guān)器件與散熱器之間形成了一個(gè)較大的寄生電容。當(dāng)逆變器正常工作時(shí)，隨著每相橋臂上、下開(kāi)關(guān)管的輪流開(kāi)通，橋臂中點(diǎn)電位會(huì)隨之發(fā)生準(zhǔn)階躍變化。如果從EMI角度看該現(xiàn)象，那么三個(gè)橋臂所輸出的電壓就是三個(gè)EMI干擾源，每個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)都會(huì)對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件與散熱片之間寄生電容進(jìn)行充、放電，形成共模EMI電流，其大小為,27,6. 4一體化電機(jī)系統(tǒng)中的負(fù)面效應(yīng),6.4.3 軸電壓和軸承電流,當(dāng)高頻的共模電壓

21、作用在電機(jī)上時(shí)，使得電機(jī)內(nèi)部存在的高頻寄生電容耦合的作用顯現(xiàn)出來(lái)。包括定子與定子繞組之間的耦合電容、轉(zhuǎn)子與定子繞組之間的耦合電容以及定子與轉(zhuǎn)子之間的耦合電容，共模電壓通過(guò)電機(jī)內(nèi)部的寄生電容的耦合傳輸和分壓，將在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上感應(yīng)出軸電壓,電機(jī)的軸承電流的形成： (1)當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，軸承內(nèi)外圈沒(méi)有電接觸，此時(shí)對(duì)電機(jī)內(nèi)部的寄生耦合電容充電，當(dāng)潤(rùn)滑介質(zhì)擊穿或由于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)等因素造成軸承內(nèi)外圈短路時(shí)，充電電容放電，形成EDM放電加工電流； (2)軸承的阻抗很小，它將為由共模電壓的du/dt所產(chǎn)生的軸承電流提供流通路徑，形成du/dt電流； (3)由于流入和流出繞組的電流不相等,因此存在一個(gè)凈的磁

22、通，該磁通在環(huán)路中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，引起脈動(dòng)的環(huán)路電流,電機(jī)的軸電壓的形成,28,a) 電機(jī)軸承的電氣損壞 b) 球軸承外圈的電氣損壞,6. 4一體化電機(jī)系統(tǒng)中的負(fù)面效應(yīng),29,6. 4一體化電機(jī)系統(tǒng)中的負(fù)面效應(yīng),6.4.4 電機(jī)終端過(guò)電壓,當(dāng)變頻器和電動(dòng)機(jī)的位置相隔較遠(yuǎn)時(shí)，需要一定長(zhǎng)度的電纜引線把變頻器輸出的PWM電壓傳輸至電動(dòng)機(jī)的接線端。由于存在高的du/dt ，變頻器發(fā)出的PWM脈沖電壓在電纜線上以行波方式傳輸，當(dāng)電纜的波阻抗與電動(dòng)機(jī)的阻抗不匹配時(shí)，在電動(dòng)機(jī)的接線端會(huì)產(chǎn)生反射。反射波與入射波疊加，從而使電動(dòng)機(jī)端的電壓近似加倍，因此會(huì)在電動(dòng)機(jī)端產(chǎn)生過(guò)電壓,電機(jī)終端過(guò)電壓的形成,a) 未接長(zhǎng)線電纜

23、時(shí)功率變換器端輸出電壓,b) 接長(zhǎng)線電纜時(shí)功率變換器端輸出電壓,c) 接長(zhǎng)線電纜時(shí)電機(jī)端電壓,30,6. 4一體化電機(jī)系統(tǒng)中的負(fù)面效應(yīng),6.4.5 電磁干擾EMI,源：功率變換器在對(duì)電能進(jìn)行控制和變換的同時(shí)，其中的開(kāi)關(guān)器件不可避免的處于高速開(kāi)通和關(guān)斷狀態(tài)，產(chǎn)生較大的電壓和電流變化率，形成電磁干擾，對(duì)電機(jī)系統(tǒng)自身和周圍環(huán)境產(chǎn)生較大的影響。 傳播路徑：PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)元器件繁多，布局復(fù)雜，所以器件與器件之間存在著大量的分布參數(shù)，功率器件同裝置中其它部分相互耦合可為傳導(dǎo)干擾提供傳播路徑,功率變換器輸出的沖信號(hào)圖,IGBT通斷瞬間管壓降時(shí)域仿真波形,31,PWM驅(qū)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)傳導(dǎo)電磁干擾頻譜,PWM驅(qū)動(dòng)

24、電機(jī)相電壓波形,IGBT通斷瞬間管壓降頻譜圖,轉(zhuǎn)角90度的三條微帶線的場(chǎng)分布仿真圖,線距為1cm的導(dǎo)線間磁場(chǎng)分布測(cè)試圖,6. 4一體化電機(jī)系統(tǒng)中的負(fù)面效應(yīng),32,第7章 一體化電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾的特點(diǎn),7.1 功率半導(dǎo)體器件開(kāi)關(guān)過(guò)程造成的電磁噪聲 7.2 整流電路造成的諧波干擾和電磁噪聲 7.3 PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器共模電壓的產(chǎn)生 7.4 用PWM技術(shù)的各種電力電子電路造成的電磁噪聲,第7章 一體化電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾的特點(diǎn),33,7.1功率半導(dǎo)體器件開(kāi)關(guān)過(guò)程造成的電磁噪聲,7. 1功率半導(dǎo)體器件開(kāi)關(guān)過(guò)程造成的電磁噪聲,在半導(dǎo)體變流裝置中，無(wú)論是主回路還是控制回路，在器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中，都存在著高的

25、du/dt和di/dt，它們通過(guò)線路或元器件的寄生參數(shù)和分布參數(shù)可以引起頻率高達(dá)幾十千赫茲至幾百千赫茲甚至幾兆赫茲的瞬態(tài)電磁噪聲，它們已成為不可忽視的電磁干擾源,所有半導(dǎo)體變流裝置主電路的核心部件是各類現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件：功率二極管(包括快速恢復(fù)功率二極管) 大功率晶體管(BJT) 晶閘管(SCR和GTO) 復(fù)合型場(chǎng)控功率晶體管(IGBT) 功率場(chǎng)效應(yīng)管(功率SIT和功率MOSFET)等。 控制部分：常常應(yīng)用各種大規(guī)模數(shù)字集成電路、DSP和CPU芯片等高速集成電路,34,7.1.1 功率二極管開(kāi)關(guān)過(guò)程造成的電磁噪聲,功率二極管開(kāi)通、關(guān)斷過(guò)程中造成的瞬態(tài)電磁噪聲,a)開(kāi)通過(guò)程,b)關(guān)斷過(guò)程,7.

26、 1功率半導(dǎo)體器件開(kāi)關(guān)過(guò)程造成的電磁噪聲,35,開(kāi)通過(guò)程：二極管PN結(jié)的長(zhǎng)基區(qū)注入足夠的少數(shù)載流子，發(fā)生電導(dǎo)調(diào)制需要一定的時(shí)間tr。 t00時(shí)二極管導(dǎo)通，二極管的電流迅速增大，但是其管壓降不是立即下降， 而會(huì)出現(xiàn)一個(gè)快速的上沖，該電壓上沖會(huì)導(dǎo)致一個(gè)寬帶的電磁噪聲。 關(guān)斷過(guò)程：存在于PN結(jié)長(zhǎng)基區(qū)中的大量過(guò)剩少數(shù)載流子需要一定時(shí)間恢復(fù)到平衡狀態(tài)，從而導(dǎo)致了很大的反向恢復(fù)電流。 當(dāng) t = t1時(shí)，PN結(jié)開(kāi)始反向恢復(fù)； 在t1 t2時(shí)間內(nèi)，其它過(guò)剩載流子，則依靠復(fù)合中心復(fù)合，而回到平衡狀態(tài)。 這時(shí)管壓降又出現(xiàn)以個(gè)負(fù)尖刺。通常t2 t1，所以該尖刺是個(gè)非常窄的 尖脈沖，產(chǎn)生的電磁噪聲比開(kāi)通時(shí)還要強(qiáng)。

27、實(shí)際上，功率二極管反向脈沖電流的幅度、脈沖寬度和形狀，與二極管本身的特性及電路參數(shù)相關(guān)。 由于反向恢復(fù)電流脈沖的幅度和dir/dt都很大，它們?cè)谝€電感和與其相連 接的電路中，會(huì)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，從而造成強(qiáng)的寬頻的瞬態(tài)電磁噪聲,7. 1功率半導(dǎo)體器件開(kāi)關(guān)過(guò)程造成的電磁噪聲,36,7.1.2SCR、GTO、BJT、IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程造成的電磁噪聲,a) SCR開(kāi)通時(shí)電流電壓波形 b) 開(kāi)通時(shí)產(chǎn)生的噪聲電壓與電流的關(guān)系,SCR的開(kāi)關(guān)過(guò)程造成瞬態(tài)噪聲,從本質(zhì)上說(shuō)，這些器件與功率二極管一樣，同屬于少子半導(dǎo)體器件，因此它們的開(kāi)、關(guān)過(guò)程也與二極管類似，無(wú)論在開(kāi)通或關(guān)斷時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電壓和電流，也會(huì)通過(guò)引

28、線電感形成寬頻的電磁噪聲。但是基于這些開(kāi)關(guān)器件自身的特性，從EMI分析的角度，它們彼此之間又有所差異,SCR,7. 1功率半導(dǎo)體器件開(kāi)關(guān)過(guò)程造成的電磁噪聲,37,SCR：由于它包含了3個(gè)PN結(jié)，因此在關(guān)斷后的反向恢復(fù)電流，要比二極管的小得多；而在開(kāi)通時(shí)，由于門極觸發(fā)的幫助，管壓降的下降要比二極管的快得多。 因此對(duì)SCR而言，開(kāi)通時(shí)造成的電磁噪聲，要比關(guān)斷時(shí)大,GTO,a) GTO開(kāi)通時(shí)電流電壓波形 b) GTO關(guān)斷時(shí)電流電壓波系,GTO的開(kāi)關(guān)過(guò)程造成瞬態(tài)電磁噪聲,7. 1功率半導(dǎo)體器件開(kāi)關(guān)過(guò)程造成的電磁噪聲,38,GTO：它所造成的陽(yáng)極電壓、電流瞬態(tài)電磁噪聲與SCR類似； 但是，由于它依靠門極

29、反向抽流關(guān)斷，門極的低電流增益(通常小于5)導(dǎo)致了它在關(guān)斷時(shí)，門極電流和電壓也會(huì)產(chǎn)生陡峭的大電流和電壓脈沖，有時(shí)還會(huì)因門極電路寄生電容和電感的影響而產(chǎn)生振蕩。 因此，門極電路產(chǎn)生的電磁噪聲，常常變成GTO中EMI問(wèn)題的主要方面,BJT,BJT：與GTO情況類似； 只是它的開(kāi)關(guān)速度比GTO快，開(kāi)關(guān)時(shí)間在微秒數(shù)量級(jí)， 所以它的集電極電流和電壓變化造成的瞬態(tài)電磁噪聲要比GTO嚴(yán)重,7. 1功率半導(dǎo)體器件開(kāi)關(guān)過(guò)程造成的電磁噪聲,39,MOSFET：功率場(chǎng)效應(yīng)管，屬于多子器件，不存在反向恢復(fù)問(wèn)題，但是它的開(kāi)關(guān)速度很高，開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的di/dt可達(dá)到很高的數(shù)值，因而作用在電路中的寄生電感(電容)上，會(huì)產(chǎn)

30、生很高的瞬態(tài)電壓、電流和引起振蕩。 所以，它與高速數(shù)字脈沖電路中所用的高速門電路一樣，產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁噪聲是不容忽視的,IGBT：屬于多子少于混合器件，開(kāi)關(guān)速度比BJT更快(開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾百納秒至1微秒)，所以其電流變化造成的瞬態(tài)電磁噪聲比BJT更大； 但是由于它是場(chǎng)控(電壓榨制)器件，所以它的門極電路所造成的瞬態(tài)電磁噪聲可以忽略不計(jì),IGBT,MOSFET,7. 1功率半導(dǎo)體器件開(kāi)關(guān)過(guò)程造成的電磁噪聲,40,7.1.3高速數(shù)字脈沖電路中的門電路造成的開(kāi)關(guān)電磁噪聲,一塊邏輯門數(shù)字集成電路工作時(shí)，雖然只抽取幾毫安的電流，似乎它不會(huì)造成什么電磁噪聲，可是，由于它們的開(kāi)關(guān)速度很高，加上與它連接的那些導(dǎo)線

31、的引線電感，使它們也成為不可忽視的電磁噪聲源。因?yàn)楫?dāng)門電路的電流流過(guò)這些引線電感時(shí)，在它上面產(chǎn)生的電壓為u=Ldi/dt，其中，L為是引線電感的數(shù)值，di/dt是流過(guò)門電路的電流變化率。 例如：一個(gè)典型的邏輯門，在“開(kāi)通”狀態(tài)，從直流電源抽取5mA的電流，而在“關(guān)斷”狀態(tài)抽取1mA的電流，則開(kāi)關(guān)時(shí)刻的電流變化為4mA，設(shè)其開(kāi)關(guān)時(shí)間為2ns，電源的引線電感為500nH，當(dāng)這個(gè)門開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，在電源線上產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖電壓： 如果綜合考慮的話，這些門電路在工作時(shí)，電源線上產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓有時(shí)可高達(dá)數(shù)伏遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其電源電壓5v。 所以，對(duì)門電路在開(kāi)關(guān)過(guò)程所造成的瞬態(tài)電磁噪聲是必須認(rèn)真考慮的,7. 1功率半導(dǎo)

32、體器件開(kāi)關(guān)過(guò)程造成的電磁噪聲,41,7.2 整流電路造成的諧波干擾和電磁噪聲,7. 2整流電路造成的諧波干擾和電磁噪聲,a) 典型的電容濾波單相橋式整流電路 b) 電網(wǎng)側(cè)電流、電壓波形,帶電容濾波的單相橋式整流電路給電網(wǎng)帶來(lái)諧波干擾和電磁噪聲,整流電路是電力電子系統(tǒng)的最基本電路之一，由于它與交流供電電網(wǎng)直接相連，所以它本身產(chǎn)生的諧波干擾和電磁噪聲，以及出它供電的后級(jí)電路產(chǎn)生的電磁噪聲，均可通過(guò)整流電路，以傳導(dǎo)耦合的形式引入電網(wǎng)，造成對(duì)接在同一電網(wǎng)內(nèi)的其他設(shè)備的電磁干擾,由于輸出濾波電容C的作用，其網(wǎng)側(cè)電流波形為脈沖被，而不是正弦波，它在交流電網(wǎng)內(nèi)阻抗L產(chǎn)生的壓降，會(huì)造成網(wǎng)側(cè)相電壓波形畸變。 首

33、先它給電網(wǎng)會(huì)帶來(lái)諧波干擾，同時(shí)在開(kāi)、關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的電流或電壓的快速變化，會(huì)造成電磁干擾,42,a) 三相全橋可控整流電路 b)相電壓波形,典型的三相全橋可控整流電路造成EMI,對(duì)于典型的三相全橋可控整流電路來(lái)說(shuō)，在可控硅整流器換流時(shí)，由于網(wǎng)側(cè)接的大電抗器的影響，會(huì)使電網(wǎng)側(cè)相電壓波形出現(xiàn)換流缺口，并通過(guò)公共電網(wǎng)造成電磁噪聲,7. 2整流電路造成的諧波干擾和電磁噪聲,43,7.3 PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器共模電壓的產(chǎn)生,7. 3 PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器共模電壓的產(chǎn)生,目前國(guó)際上對(duì)PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的共模電壓還沒(méi)有明確的定義； 依據(jù)單相系統(tǒng)和直流系統(tǒng)的定義(每個(gè)導(dǎo)體與規(guī)定參考點(diǎn)(通常是地或機(jī)殼)之間的相電壓的平均

34、值)，將PWM 功率變換器輸出端中點(diǎn)對(duì)參考地的電位定義為系統(tǒng)共模電壓。 功率變換器所輸出的共模電壓可以通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電機(jī)星接繞組中性點(diǎn)對(duì)參考地的電位獲得，而對(duì)于電機(jī)繞組為三角形連接的系統(tǒng)，則可以通過(guò)人為設(shè)置一個(gè)假中點(diǎn)，并進(jìn)行測(cè)量獲得,44,7.3.1 三相整流橋產(chǎn)生的共模電壓,兩電平電壓源PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),主要組成部分： 不可控的二極管整流環(huán)節(jié)、濾波電容、逆變環(huán)節(jié)、電纜和感應(yīng)電機(jī)等,7. 3 PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器共模電壓的產(chǎn)生,45,三相整流橋側(cè)共模電壓的建立,共模電壓uMg的仿真波形及其頻譜,7. 3 PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器共模電壓的產(chǎn)生,46,逆變器側(cè)(電機(jī)端)共模的建立,7.3.2 三相逆變器產(chǎn)生

35、的共模電壓,7. 3 PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器共模電壓的產(chǎn)生,47,開(kāi)關(guān)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的共模電壓,7. 3 PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器共模電壓的產(chǎn)生,48,共模電壓的時(shí)域波形,以直流母線中點(diǎn)為參考的共模電壓波形,電機(jī)共模電壓仿真波形,參考點(diǎn)為大地時(shí)共模電壓仿真波形,7. 3 PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器共模電壓的產(chǎn)生,49,共模電壓的頻譜分析,基波成分(頻率為50的成分)幅值為0，即共模電壓中不含有頻率為功率變換器輸出電壓基波頻率的成分。 共模電壓的諧波幅值不隨載波頻率大小的變化而變化，但隨載波頻率的變化其諧波單元組發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng)。一倍載波頻率處的諧波幅值最大，三倍處次之，隨著倍頻數(shù)的提高呈下降趨勢(shì),Jk 表示k階貝塞爾函數(shù),

36、7. 3 PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器共模電壓的產(chǎn)生,50,7.3.3 長(zhǎng)電纜連接時(shí)電機(jī)端共模電壓的瞬時(shí)過(guò)電壓,在實(shí)際工程應(yīng)用中，功率變換器與電機(jī)之間通常都存在著長(zhǎng)電纜連接，則此時(shí)受脈沖上升時(shí)間、電纜參數(shù)、感應(yīng)電機(jī)等效阻抗等因素的影響，高頻電壓會(huì)出現(xiàn)反射，進(jìn)而使電機(jī)端電壓在電平轉(zhuǎn)換瞬間出現(xiàn)瞬時(shí)過(guò)沖現(xiàn)象(瞬時(shí)過(guò)電壓)，而且數(shù)值最大時(shí)可以達(dá)到逆變器相電壓的2倍，于是有,如果PWM功率變換器與電機(jī)之間存在長(zhǎng)電纜連接，那么感應(yīng)電機(jī)端共模電壓同樣也會(huì)出現(xiàn)反射現(xiàn)象，使感應(yīng)電機(jī)端共模電壓的高頻成分在電平轉(zhuǎn)換瞬間出現(xiàn)電壓瞬時(shí)值增大，而且最大值可以達(dá)到功率變換器端共模電壓輸出值的二倍,7. 3 PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器共模電壓的產(chǎn)

37、生,51,長(zhǎng)電纜連接時(shí)的電機(jī)端共模電壓仿真波形,結(jié)論：三相兩電平電壓源型PWM功率變換器輸出的共模電壓是一種與功率器件開(kāi)關(guān)頻率相同，且幅值在1/6倍和1/2倍直流母線電壓，這4個(gè)值之間隨開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通狀態(tài)的不同而不斷跳變的四電平階梯波。由于波形變化頻率與變頻器開(kāi)關(guān)頻率相同，電平跳變的頻率為開(kāi)關(guān)頻率的6倍，因此，兩電平PWM功率變換器輸出的共模電壓也是一種高頻電壓，同樣存在著較高的du/dt,同樣根據(jù)共模電壓的定義，仿照對(duì)三相功率變換器共模電壓的描述方法，單相功率變換器及三相四橋臂功率變換器共模電壓,7. 3 PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器共模電壓的產(chǎn)生,52,7.3.4 共模電壓的傅立葉分析,三相變頻器輸出的

38、三相相電壓的傅立葉展開(kāi)式為,7. 3 PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器共模電壓的產(chǎn)生,53,結(jié)論： 即在調(diào)制波為正弦波的情況下，三相變頻器輸出共模電壓的基波和諧波的幅值分別為： 基波成分(頻率為1的成分)幅值為0，即共模電壓中不含頻率為調(diào)制波頻率的成分。 諧波成分：載波頻率s奇數(shù)倍處存在諧波，幅值為 偶數(shù)倍處無(wú)諧波； 在角頻率為（nsk1）處存在諧間波，振幅為 其含義是：共模電壓以載波ns為中心，邊頻k1分布其兩側(cè)，幅值兩側(cè)對(duì)稱衰減的諧波。 共模電壓的諧波幅值不隨載波頻率大小的變化而變化，但隨載波頻率的變化而發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng)，且一倍載波頻率處的諧波幅值最大,7. 3 PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器共模電壓的產(chǎn)生,54,7.3

39、.5 共模電壓的測(cè)量方法,1、直接測(cè)量法 根據(jù)共模電壓的，三個(gè)相電壓相加再除以3即為共模電壓，因此要想直接測(cè)量共 模電壓，只需要一臺(tái)3個(gè)通道相互隔離的示波器同時(shí)測(cè)量3個(gè)相電壓，然后再把三個(gè)相電壓相加就可以得到3倍的共模電壓波形。 缺點(diǎn)：對(duì)測(cè)量?jī)x器的要求很高，至少需要有3個(gè)通道，并且是彼此隔離的探頭去測(cè)量,直接測(cè)量法,間接測(cè)量法,7. 3 PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器共模電壓的產(chǎn)生,55,2、間接測(cè)量法 由于實(shí)驗(yàn)條件所限，一般很難直接測(cè)出某處的共模電壓，但若引入虛擬中性點(diǎn)就可以很方便的測(cè)出共模電壓。 虛擬中性點(diǎn)：3個(gè)Y形連接電容的中性點(diǎn)、 3個(gè)Y形連接阻值相同的電阻等。 例如：要測(cè)量電動(dòng)機(jī)的共模電壓，實(shí)際可

40、以直接測(cè)量電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)對(duì)地的電壓，即為電動(dòng)機(jī)的共模電壓。但由于電動(dòng)機(jī)的制造工藝的限制，三相繞組并不一定完全對(duì)稱，因此，此時(shí)可以在電動(dòng)機(jī)繞組的接線端接入3個(gè)Y形連接阻值相同的電阻(如1M)，將其中性點(diǎn)作為電動(dòng)機(jī)的虛擬中性點(diǎn)，進(jìn)行共模電壓的測(cè)量，這就是利用虛擬中性點(diǎn)的概念進(jìn)行測(cè)量的方法。 在實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意，當(dāng)變頻器與電機(jī)之間用長(zhǎng)電纜連接時(shí)，由于長(zhǎng)線電纜對(duì)共模電壓的反射，而使共模電壓的幅值增大，高頻成分加大，對(duì)系統(tǒng)的高頻影響加劇所引起的，它反映到波形中就是電壓波形出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象,7. 3 PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器共模電壓的產(chǎn)生,56,7.4 用PWM技術(shù)的各種電力電子電路造成的電磁噪聲,7.4 用PWM技術(shù)的各

41、種電力電子電路造成的電磁噪聲,du/dt： 在電力電子器件通斷瞬間，電壓的跳變會(huì)在電容上產(chǎn)生很大的充電或放電電流。 實(shí)際的驅(qū)動(dòng)電路和主電路都會(huì)有一些濾波電容，電路中還存在雜散分布電容。 在大功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中du/dt可達(dá)6kV/s，而通過(guò)1nF的電容就可以產(chǎn)生6A的瞬態(tài)電流脈沖，從而對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。 di/dt： 在電力電子器件通斷瞬間，電流的變化會(huì)在雜散電感上感應(yīng)一個(gè)電壓。 在大功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中， di/dt可達(dá)2kA/s，而通過(guò)30nH的雜散電感就可以激勵(lì)出60V的瞬態(tài)電壓脈沖。 同時(shí)存在較大di/dt的電流環(huán)路也是一個(gè)輻射源，會(huì)對(duì)空間產(chǎn)生電磁場(chǎng)輻射形成輻射干擾,7.4.1 電磁噪聲

42、源,57,PWM信號(hào)自身： 逆變器中產(chǎn)生的PWM波形除了有用的基波外，還含有豐富的高次諧波。 目前，逆變器的開(kāi)關(guān)頻率從幾kHz到幾百kHz，諧波頻率從幾百kHz到幾MHz ，由于高次諧波的存在，PWM信號(hào)也會(huì)對(duì)周圍設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。 控制電路： 控制電路輸出的高頻時(shí)鐘脈沖波形，同樣也會(huì)產(chǎn)生一定的電磁干，但由于控制電路的電壓水平較低，所以產(chǎn)生的干擾較小。 共模電壓： 兩電平電壓源型變頻器在常規(guī)PWM控制方式下，其輸出端U、V、W輸出的電壓盡管相位互差120o，但三者之和并不為零，使之存在很高的共模電壓(也就是零序電壓)，從而形成系統(tǒng)共模干擾的一部分。 非線性的元件和電路也是干擾源之一，它們會(huì)使電

43、路中的信號(hào)發(fā)生畸變，增加了信號(hào)中的高頻成份，加重了系統(tǒng)的電磁干擾,7.4 用PWM技術(shù)的各種電力電子電路造成的電磁噪聲,58,IGBT開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)管壓降仿真波形,IGBT開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)管壓降所對(duì)應(yīng)的頻譜,導(dǎo)線中高頻電流所產(chǎn)生的電磁場(chǎng),PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)相電壓出現(xiàn)的干擾毛刺,7.4 用PWM技術(shù)的各種電力電子電路造成的電磁噪聲,59,7.4.2 噪聲源頻段,PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的干擾頻帶一般分為以下幾個(gè)頻段： 諧波段：頻率范圍02kHz。 它增加了電網(wǎng)的損耗、使電壓波形畸變、危害電網(wǎng)的正常運(yùn)行，檢驗(yàn)并消除這一范圍的電磁噪聲是獨(dú)立與HF干擾問(wèn)題的另一領(lǐng)域。一般通過(guò)電力有源/無(wú)源濾波器、無(wú)功補(bǔ)

44、償、多相或多重化等技術(shù)解決。 (2) 音頻段及射頻段：頻率范圍16Hz20kHz、20kHz150kHz。 目前對(duì)此頻段還沒(méi)有明確規(guī)定它的干擾發(fā)射限值。 (3) 射頻干擾頻段：根據(jù)國(guó)際無(wú)線電特別委員會(huì)(CISPR)規(guī)定，電子設(shè)備的電磁干擾的射頻段，民用起始于150kHz，通常被分為150kHz30MHz的傳導(dǎo)干擾和30MHz3GHz的輻射干擾兩個(gè)波段。 這兩個(gè)波段的干擾同諧波段干擾的耦合方式、傳播通道差別較大，分析方法和影響區(qū)別也大，是電磁干擾研究的重點(diǎn)內(nèi)容。即150kHz3GHz的傳導(dǎo)干擾是電機(jī)系統(tǒng)電磁干擾研究的重點(diǎn)內(nèi)容,7.4 用PWM技術(shù)的各種電力電子電路造成的電磁噪聲,60,7.4.3

45、 電機(jī)系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾的傳播途徑,系統(tǒng)中沒(méi)有任何EMI抑制時(shí)傳導(dǎo)共模EMI的傳播途徑,7.4 用PWM技術(shù)的各種電力電子電路造成的電磁噪聲,61,1、功率變換側(cè)共模EMI的傳播途徑 在PWM功率變換系統(tǒng)中，為保證開(kāi)關(guān)管工作時(shí)不會(huì)因過(guò)熱而失效，都要對(duì)其安裝散熱器，并且為防止短路，開(kāi)關(guān)管的金屬外殼與散熱器之間是通過(guò)導(dǎo)熱絕緣介質(zhì)相隔離的，同時(shí)散熱器又是通過(guò)機(jī)箱接地的，于是，在功率開(kāi)關(guān)器件與散熱器之間就形成了一個(gè)較大的寄生電容。 當(dāng)逆變器正常工作時(shí)，隨著每相橋臂上、下開(kāi)關(guān)管的輪流開(kāi)通，橋臂中點(diǎn)電位會(huì)隨之發(fā)生準(zhǔn)階躍變化。如果從EMI角度看該現(xiàn)象，那么三個(gè)橋臂所輸出的電壓就是三個(gè)EMI干擾源，而且每個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作

46、時(shí)都會(huì)對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件與散熱片之間寄生進(jìn)行電容充、放電，形成共模EMI電流(漏電流)，其大小為： 對(duì)于整流器橋與散熱片之間的共模EMI電流，則與逆變器側(cè)的情況一樣，只不過(guò)是其變化沒(méi)有逆變器側(cè)的頻率高,7.4 用PWM技術(shù)的各種電力電子電路造成的電磁噪聲,62,2、感應(yīng)電機(jī)側(cè)共模EMI的傳播途徑 感應(yīng)電機(jī)定子繞組與電機(jī)外殼之間同樣具著有較大的寄生電容，并且出于安全考慮電機(jī)機(jī)殼又是與大地相連接的，于是具有很高du/dt的高頻共模電壓就會(huì)對(duì)這些寄生進(jìn)行電容充、放電，從而形成電機(jī)側(cè)的共模EMI電流。 如果變頻器與電機(jī)之間存在長(zhǎng)電纜連接，也會(huì)通過(guò)電纜與地之間分布電容耦合形成共模EMI電流。 共模EMI電流

47、的返回路徑包括系統(tǒng)變壓器中性點(diǎn)和功率變換器電網(wǎng)側(cè)連接電纜的對(duì)地分布電容。 主要流通路徑是系統(tǒng)變壓器中性點(diǎn)的接地電纜，并且根據(jù)變壓器中性點(diǎn)的電纜連接形式不同，共模電流的幅值也有所不同。 當(dāng)變壓器中性點(diǎn)通過(guò)電纜直接接地時(shí)，返回共模EMI電流就會(huì)相對(duì)較大； 反之，通過(guò)電阻連接時(shí)就會(huì)小一些。通過(guò)功率變換器電網(wǎng)側(cè)電纜對(duì)地分布 電容返回的共模EMI電流與分布電容的大小有關(guān),7.4 用PWM技術(shù)的各種電力電子電路造成的電磁噪聲,63,總之 1、一體化電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生傳導(dǎo)共模EMI的主要根源是功率開(kāi)關(guān)器件高速通斷所產(chǎn)生的du/dt、di/dt和功率變換器所輸出的高頻共模電壓。 2、共模EMI電流的形成是一個(gè)非常復(fù)

48、雜的過(guò)程，它與很多因素有關(guān)，如與電纜的長(zhǎng)度與規(guī)格、變換器的結(jié)構(gòu)與工藝、脈沖觸發(fā)方式、設(shè)備安裝形式以及系統(tǒng)接地點(diǎn)的大地導(dǎo)電特性等因素有關(guān)。 3、功率變換器所輸出的高頻共模EMI電壓、共模EMI電流對(duì)電氣系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著嚴(yán)重地危害，并且它也是一體化電機(jī)系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI發(fā)射強(qiáng)度高于其它電子、電氣系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI發(fā)射強(qiáng)度的一個(gè)主要原因,7.4 用PWM技術(shù)的各種電力電子電路造成的電磁噪聲,64,第8章 一體化電機(jī)系統(tǒng)主要部件高頻等效電路的建立,8.1 PWM功率變換器的高頻模型 8.2 PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)中長(zhǎng)線電纜的高頻等效模型 8.3 電機(jī)本體的高頻模型,第8章一體化電機(jī)系統(tǒng)主要部件高頻等效電路的建立

49、,65,8.1 PWM功率變換器的高頻模型,8. 1 PWM功率變換器的高頻模型,在分析和建立預(yù)測(cè)傳導(dǎo)干擾模型時(shí)，必須考慮電路中無(wú)源器件高頻時(shí)所具有的非理想性。 由于所有的電子元器件和互連線都會(huì)存在著非設(shè)計(jì)(寄生)電路單元， 如寄生電阻、寄生電感、寄生電容。這些寄生電路單元的電氣特性會(huì)隨著頻率的升高而逐漸增強(qiáng)，這使得元器件在低頻時(shí)所表現(xiàn)的特性反而會(huì)隨著頻率的升高而逐漸減弱。 一體化電機(jī)系統(tǒng)中的功率器件多為MOSFET和IGBT，容量稍大的電機(jī)系統(tǒng)一般都用IGBT作為功率變換開(kāi)關(guān)器件。 本課程一體化電機(jī)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)器件以IGBT作為研究的主要對(duì)象，來(lái)建立其高頻的傳導(dǎo)干擾模型,66,功率開(kāi)關(guān)器件IGB

50、T的仿真模型通?？梢圆捎肞spice、Saber等仿真軟件所提供的高頻模型，但是IGBT集電極和發(fā)射極的寄生電感、寄生電阻、DC整流橋及IGBT模塊與散熱器之間的寄生電容必須考慮,IGBT逆變器一個(gè)橋臂的寄生參數(shù),Rloc、Lloc、Rloe、Rloe：IGBT集電極和發(fā)射極的寄生電阻、寄生電感，大小可以通過(guò)IGBT的外部實(shí)驗(yàn)確定； Rlog、Rlog：IGBT柵極觸發(fā)脈沖引線的寄生電阻、寄生電感； ChT：一個(gè)IGBT模塊與散熱器之間的寄生電容,8. 1 PWM功率變換器的高頻模型,67,寄生參數(shù)的獲得：可以采用實(shí)驗(yàn)測(cè)取和參數(shù)擬合相結(jié)合的方法。 實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)測(cè)取必要的參數(shù)需要做三個(gè)實(shí)驗(yàn)： （

51、1）直流IC-UCE的特性曲線實(shí)驗(yàn)； （2）門極充電的特性曲線； （3）感性負(fù)載的開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)。 此外還需要開(kāi)關(guān)器件的出廠數(shù)據(jù)表。 整流橋及IGBT模塊與散熱器之間的寄生電容主要影響功率變換器側(cè)的共模EMI電流，其大小可以在六個(gè)IGBT及DC整流橋與輸入/輸出電纜斷開(kāi)時(shí)通過(guò)LCR表或阻抗分析儀測(cè)量獲得，也可以通過(guò)電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的方法獲得,8. 1 PWM功率變換器的高頻模型,68,功率變換器的寄生參數(shù),ChD1、ChD2、ChD3、ChD4、ChD5、ChD6：整流二管D1、D2、D3、D4、D5、D6與 散熱器之間的寄生電容； ChT1、ChT2、ChT3、ChT4、ChT5、ChT6：IGBT

52、模塊T1、T2、T3、T4、T5、T6管與 散熱器之間的寄生電容； ChP、ChL：兩條直流母線與散熱器之間的寄生電容,8. 1 PWM功率變換器的高頻模型,69,8.2 PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)中長(zhǎng)線電纜的高頻等效模型,8.2 PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)中長(zhǎng)線電纜的高頻等效模型,很多工業(yè)應(yīng)用中，需要較長(zhǎng)的電纜線把功率變換器輸出的脈沖電壓傳輸給電機(jī)負(fù)載，甚至在有的應(yīng)用場(chǎng)合，長(zhǎng)線電纜可以長(zhǎng)達(dá)好幾千米。 從電磁波的角度對(duì)長(zhǎng)線電纜進(jìn)行分析，因?yàn)殚L(zhǎng)線電纜上存在著大量的分布電容和電感，這就是長(zhǎng)線電纜的分布參數(shù)特性。 分布參數(shù)的存在必然會(huì)使電纜線上出現(xiàn)行波，一旦電機(jī)的等效阻抗與電纜的波阻抗不相匹配時(shí)，反射現(xiàn)象就會(huì)出現(xiàn)在

53、電機(jī)終端。 在電機(jī)端產(chǎn)生過(guò)電壓就是反射波電壓與入射波電壓的疊加，出現(xiàn)高頻阻尼振蕩，加劇電動(dòng)機(jī)繞組的絕緣壓力。 研究表明，這種反射現(xiàn)象與功率變換器輸出脈沖的上升時(shí)間以及電纜的長(zhǎng)度有關(guān)。 一般，PWM脈沖的傳輸速度約為光速的1/2，功率變換器將脈沖傳輸給電機(jī)，如 果脈沖上升時(shí)間不足脈沖傳輸時(shí)間3倍時(shí)，電機(jī)端發(fā)生全反射，使電壓近似加倍， 從而使電動(dòng)機(jī)的絕緣迅速老化甚至擊穿,70,8.2.1傳輸線理論分析,電纜的電磁效應(yīng),低頻交流信號(hào)傳輸電路:對(duì)于采用三相工頻正弦對(duì)稱電壓驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由于連接電纜所傳輸只是50Hz低頻交流信號(hào)，可以認(rèn)為系統(tǒng)的電場(chǎng)能量全部集中在電容器件中，磁場(chǎng)能量全部集中在電

54、感器件中，各元器件之間的連接導(dǎo)線則是既無(wú)損耗又無(wú)電感效應(yīng)、電容效應(yīng)的理想傳輸線。 高頻脈沖信號(hào)傳輸電路:由于PWM功率變換器與感應(yīng)電機(jī)之間連接電纜所傳輸?shù)氖歉哳l脈沖信號(hào)，并且電纜的幾何長(zhǎng)度常常與又傳輸信號(hào)的波長(zhǎng)在數(shù)量級(jí)上相當(dāng)，是“電大尺寸”電路，此時(shí)電纜所固有的分布電感、分布電容與功率變換器電路中的電感、電容可相比擬，所以電纜分布參數(shù)所表現(xiàn)出的電磁效應(yīng)不能被忽略不計(jì)的,8.2 PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)中長(zhǎng)線電纜的高頻等效模型,71,在分析PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)EMC問(wèn)題時(shí)需要考慮電纜所固有的分布參數(shù)的作用，其傳輸特性可采用傳輸線模型來(lái)描述,平行傳輸線等效電路,x：表示傳輸線的一個(gè)微小段幾何長(zhǎng)度； L0、

55、R0、C0、G0：分別表示x微段長(zhǎng)傳輸線分布電路參數(shù)的集總表示。 分布參數(shù)的大小由傳輸線的幾何尺寸、相互空間位置及周圍媒質(zhì)的物理特性決定，而與電磁量無(wú)關(guān)，但卻可以通過(guò)有關(guān)場(chǎng)量的求解獲得,8.2 PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)中長(zhǎng)線電纜的高頻等效模型,72,在長(zhǎng)線電纜上，電壓u和i作為被傳輸?shù)男胁ū厝粷M足波動(dòng)方程，對(duì)無(wú)損傳輸線，波動(dòng)方程可以表示為,結(jié)論：電纜上任意一點(diǎn)的電壓和電流都是由正向行波和反向行波疊加而成的，其表達(dá)式為達(dá)朗貝爾解的形式,求解得,式中 ：v波的傳輸速度， ；Z傳輸線的波阻，,式中 L0電纜單位長(zhǎng)度電感；C0電纜單位長(zhǎng)度電容,8.2 PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)中長(zhǎng)線電纜的高頻等效模型,73,8.2

56、.2電壓反射過(guò)程,PWM脈沖，作為正向行波（入射波），由功率變換器傳向電機(jī)，在電機(jī)端反射后產(chǎn)生反向行波（反射波）傳向功率變換器，傳至功率變換器輸出端后的反射波又產(chǎn)生第二個(gè)入射波，等等,波的反射和折射,式中 Z0電纜的波阻抗； Z1功率變換器輸出端的波阻抗； Z2電機(jī)的波阻抗； 0、1、2折射系數(shù)，0、1為A點(diǎn)的折射系數(shù)，2為B點(diǎn)的折射系數(shù)； 1、2反射系數(shù)，1為A點(diǎn)的反射系數(shù)，2為B點(diǎn)的反射系數(shù),8.2 PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)中長(zhǎng)線電纜的高頻等效模型,74,假設(shè)電纜的長(zhǎng)度有限，在電纜A、B兩點(diǎn)經(jīng)過(guò)n次反射和折射的電壓可以按照網(wǎng)絡(luò)法獲得,其中，n=0，1，2.，由于-110，則UA和UB產(chǎn)生衰減振蕩

57、的波形,電機(jī)的負(fù)載阻抗Z2遠(yuǎn)大于電纜的波阻抗Z0，而且功率變換器是由大容量的濾波電容和導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)組成，其波阻抗Z1要遠(yuǎn)小于電纜的波阻抗Z0，這樣存在一個(gè)波阻抗的關(guān)系Z1 Z0 Z2，可以得到-110，021。 兩端取極值時(shí)的情況比較特殊，當(dāng)1=-1時(shí)，A點(diǎn)發(fā)生全反射，即功率變換器輸出端電壓完全反射，此時(shí)Z0遠(yuǎn)大于電源阻抗；當(dāng)2=1時(shí)，B點(diǎn)發(fā)生全反射，即電機(jī)終端電壓發(fā)生完全反射。但是后者相位不發(fā)生變化，而前者相位相反,8.2 PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)中長(zhǎng)線電纜的高頻等效模型,75,長(zhǎng)線電纜對(duì)功率變換器輸出端電壓和電機(jī)端電壓影響的時(shí)域波形,未接長(zhǎng)線電纜時(shí)功率變換器端輸出電壓,接長(zhǎng)線電纜時(shí)功率變換

58、器端輸出電壓,接長(zhǎng)線電纜時(shí)電機(jī)端電壓,由于采用PWM調(diào)制策略的功率變換器，開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通和關(guān)斷瞬間產(chǎn)生一系列的有一定的上升和下降時(shí)間的脈沖電壓，這樣必然在電纜及其兩端產(chǎn)生一系列的波過(guò)程，用長(zhǎng)線電纜將功率變換器與電機(jī)相連，出現(xiàn)的過(guò)電壓現(xiàn)象則正是由于波的折射和反射,8.2 PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)中長(zhǎng)線電纜的高頻等效模型,76,8.2.3 PWM脈沖波在電纜上的傳輸反射過(guò)程分析,脈沖波在長(zhǎng)線電纜中的傳輸過(guò)程,電機(jī)端電壓發(fā)生全反射的主要原因是電纜的阻抗與電機(jī)的阻抗特性特性不匹配。 電纜的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，功率變換器輸出的脈沖波在電纜上的傳輸時(shí)間就越長(zhǎng)，電纜結(jié)構(gòu)及介質(zhì)決定了脈沖波的傳播特性。 脈沖波在傳輸終端發(fā)生全反

59、射，引起電機(jī)端的過(guò)電壓現(xiàn)象，電纜的長(zhǎng)度和脈沖波的上升或者下降時(shí)間決定了過(guò)電壓幅值的大小,8.2 PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)中長(zhǎng)線電纜的高頻等效模型,77,結(jié)論： 電纜的高頻振蕩頻率反比于電纜的長(zhǎng)度，且與分布電容和分布電感密切相關(guān)。 電纜的分布參數(shù)則取決于電纜的材質(zhì)、幾何結(jié)構(gòu)和尺寸、絕緣材質(zhì)的物理特性以及導(dǎo)體間距離等等。 如果考慮電纜的阻尼效應(yīng)，將會(huì)加快電機(jī)終端電壓幅值的衰減,電機(jī)終端電壓最大值發(fā)生在脈沖波經(jīng)過(guò)第一次反射后返回功率變換器端的時(shí)候，即在(,2)之內(nèi)。如果在2倍的電壓傳輸時(shí)間仍小于功率變換器的上升時(shí)間，那么此時(shí)的電壓要小于經(jīng)過(guò)一次電壓反射后電機(jī)終端電壓，此時(shí)可求得過(guò)電壓產(chǎn)生的臨界時(shí)間,電纜臨

60、界長(zhǎng)度和高頻振蕩頻率相應(yīng)的為,8.2 PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)中長(zhǎng)線電纜的高頻等效模型,78,8.2.4電纜的高頻傳輸線模型（一,建立單位長(zhǎng)度每相電纜的高頻模型,Rs和Ls為電纜模型的串聯(lián)參數(shù)，RP1、RP2、CP1和CP2為并聯(lián)參數(shù)，分別與短路阻抗和開(kāi)路阻抗相關(guān)聯(lián)，可以通過(guò)測(cè)量到的短路阻抗特性和開(kāi)路阻抗特性計(jì)算得到,8.2 PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)中長(zhǎng)線電纜的高頻等效模型,79,電纜短路阻抗測(cè)量接線,電纜開(kāi)路阻抗測(cè)量接線,參數(shù)計(jì)算過(guò)程,電纜短路阻抗,電纜開(kāi)路阻抗,8.2 PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)中長(zhǎng)線電纜的高頻等效模型,80,8.2.4電纜的高頻傳輸線模型（二,電纜的每根導(dǎo)線參數(shù),8.2 PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)中