一体化电机系统中的电磁兼容(一)ppt课件.pptx

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1、电气工程及自动化学院,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,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

2、的电磁兼容概况,4,6.1一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,5,6.1.2一体化电机系统电磁干扰的研究现状,国内对电气

3、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,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

4、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,7,6.2 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

5、，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,8,6.2 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

6、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。,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,9,6.2 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

7、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。,10,建立系统精确时域模型的步骤,建立功率半导体器件的高频模型。建立无源器件的高频模型。提取PCB板的寄生参数并建

8、立高频模型。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。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,11,南京航空航天大

9、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,12,6.2 一体化电机系统传导干

10、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）。,13,线性阻抗稳定网络的原理框图,线性阻抗网络（LISN）：它由50H的电感、1 F、0.1 F 的电容和50 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50的终端（在150k-

11、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,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。,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,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

12、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,16,Isao Takahashi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

13、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。,日本学者Satoshi Ogasawara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,17,D.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：,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,18,6.3 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研究的热点问题,6.3.1

14、 功率变换器瞬态特性研究内容,对于功率变换器的瞬态特性研究，按照研究对象分主要集中于以下几方面：,(1)高速数字电路的信号完整性 包括微带线和带状线间的耦合串扰、谐振问题、不完整地平面的寄生模式 (如槽线模、表面波模等)、阻抗突变的反射等问题。(2)散热器的电磁辐射特性(3) 屏蔽电缆束的辐射敏感性,研究方法：在近场区的低频电磁现象，研究方法以传导途径的集总参数电路模拟为主。在高频段，将干扰源简化为电或磁偶极子辐射源，以远场区平面波的研究方法为主。,19,6.3 一体化电机系统瞬态电磁特性研究的热点问题,6.3.2 功率变换器内电磁环境,由于电机系统增加了包括变流器及控制器在内的功率变换器，在

15、变流部分多采用PWM调制技术，使得半导体开关器件两端的电压及其流过的电流发生类似阶跃变化，产生很高的 和 ，进而产生很强瞬间干扰。,22kW三相电机变频器电磁骚扰,20,500kW高压变频设备的辐射发射测试,另一方面，功率变换器内部结构复杂、电气连接交错排列，使其中的电磁波多次散射、衍射。因此功率变换器内部电磁场是静态场、稳态场、似稳场和瞬态场的合成场，内部的电磁波也具有多模式、交叉极化和模式耦合等特性。这些电磁场与电磁波构成了变换器电磁内环境。,6.3 一体化电机系统瞬态电磁特性研究的热点问题,21,6.3 一体化电机系统瞬态电磁特性研究的热点问题,6.3.3 功率变换器瞬态电磁干扰源与干扰

16、机理,在功率变换器内电磁环境中存在潜在的和难以预知的电磁发射，其原因是功率变换器中蕴藏着形式多样的干扰源，其中主要是半导体(如功率二极管、MOSFET、IGBT和IPM等)反相恢复噪声和开关频率的高次谐波，还有电感和变压器的高频噪声等。这些干扰源分布在变换器中对敏感元件(如控制单元的数字/模拟集成电路、DSP、FPGA、A/D、D/A等)和敏感信号线(信号反馈、故障检测等线路)形成干扰。,半导体开关器件与散热器之间的容性耦合散热器天线效应散热器之间的串扰散热器对微带线骚扰微带线阻抗突变引起的反射、失真和串扰,22,根据干扰源与受扰体结构特征划分两类场分析模型：,微带结构特点：是信号能量大部分被

17、限制在地参考面上方微带线以下很窄的区域内，而且该区域的介电常数较大。折皱表面结构特点：具有周期性，因此齿间场函数也具有周期特征。而且表面电流较大，辐射发射较强。,根据辐射途径不同划分三类场分析模型：,功率器件散热器具有开敞式平扳折皱表面结构控制驱动器中电缆(导线)建立的场与线耦合模型用于主动场屏蔽的功率变换器外壳是一个被短路面包围的电磁谐振系统，对系统内部的波反射和衍射的研究应归结于闭区域内电磁场三维本征值问题进行处理。,6.3 一体化电机系统瞬态电磁特性研究的热点问题,23,瞬态电磁正问题,瞬态电磁逆问题,?,t1,t2t1,接收器,入射波,散射体,散射特征,正问题(FDTD Method)

18、,结构特征,散射特征,逆问题(GA),结构特征,散射波,t1,t2t1,接收器,入射波,散射体,散射波,?,6.3 一体化电机系统瞬态电磁特性研究的热点问题,6.3.4 瞬态电磁场的目标与环境一体化建模,24,6.3 一体化电机系统瞬态电磁特性研究的热点问题,6.3.5 瞬态电磁场分析方法,解析法：求得Laplace方程、Helmholtz方程、Maxwell方程组的闭式解答。特点：理论上的解是精确的，而且包含各参量之间的依赖关系。当环境参量改变时不必重新求解，即具有一定的普适性。缺点：只适应于某些特定的情况，对于一般情况仍采用数值解法，对于大多数电磁场问题得不到解析解、不具有一般性，仍需要数

19、值法进行补充。,数值法：可分为微分方程法、泛函变分法、积分方程法特点：对于复杂结构的瞬态电磁场问题，只能采用数值分析的方法。,渐近法：渐近法是将电磁频谱划分为三个区域：低频区、谐振区和高频区。在低频区采用准静态法或电路的方法，在高频区采用光学的方法。,25,6.4一体化电机系统中的负面效应,6. 4一体化电机系统中的负面效应,6.4.1 共模电压,高频共模电压的存在，给交流变频调速系统带来以下两方面的负面效应：一方面，产生轴电压和轴承电流；另一方面是产生传导性EMI的主要因素。,26,6. 4一体化电机系统中的负面效应,6.4.2 共模电流（漏电流）,PWM逆变器中共模电压的变化，引起该电流流

20、过定子绕组和电机机座之间的杂散电容。在最坏的情况下，该电流峰值可能达到额定电流的10。这可能会对电机电流的控制产生不利影响，也可能导致电流控制的断路器的误动作。,在功率开关器件与散热器之间形成了一个较大的寄生电容。当逆变器正常工作时，随着每相桥臂上、下开关管的轮流开通，桥臂中点电位会随之发生准阶跃变化。如果从EMI角度看该现象，那么三个桥臂所输出的电压就是三个EMI干扰源，每个开关动作时都会对功率开关器件与散热片之间寄生电容进行充、放电，形成共模EMI电流，其大小为：,27,6. 4一体化电机系统中的负面效应,6.4.3 轴电压和轴承电流,当高频的共模电压作用在电机上时，使得电机内部存在的高频

21、寄生电容耦合的作用显现出来。包括定子与定子绕组之间的耦合电容、转子与定子绕组之间的耦合电容以及定子与转子之间的耦合电容，共模电压通过电机内部的寄生电容的耦合传输和分压，将在电机转轴上感应出轴电压。,电机的轴承电流的形成：(1)当电机正常运行时，轴承内外圈没有电接触，此时对电机内部的寄生耦合电容充电，当润滑介质击穿或由于电机运转时的振动等因素造成轴承内外圈短路时，充电电容放电，形成EDM放电加工电流；(2)轴承的阻抗很小，它将为由共模电压的du/dt所产生的轴承电流提供流通路径，形成du/dt电流；(3)由于流入和流出绕组的电流不相等,因此存在一个净的磁通，该磁通在环路中产生电动势，引起脉动的环

22、路电流。,电机的轴电压的形成：,28,a) 电机轴承的电气损坏 b) 球轴承外圈的电气损坏,6. 4一体化电机系统中的负面效应,29,6. 4一体化电机系统中的负面效应,6.4.4 电机终端过电压,当变频器和电动机的位置相隔较远时，需要一定长度的电缆引线把变频器输出的PWM电压传输至电动机的接线端。由于存在高的du/dt ，变频器发出的PWM脉冲电压在电缆线上以行波方式传输，当电缆的波阻抗与电动机的阻抗不匹配时，在电动机的接线端会产生反射。反射波与入射波叠加，从而使电动机端的电压近似加倍，因此会在电动机端产生过电压。,电机终端过电压的形成：,a) 未接长线电缆时功率变换器端输出电压,b) 接长

23、线电缆时功率变换器端输出电压,c) 接长线电缆时电机端电压,30,6. 4一体化电机系统中的负面效应,6.4.5 电磁干扰EMI,源：功率变换器在对电能进行控制和变换的同时，其中的开关器件不可避免的处于高速开通和关断状态，产生较大的电压和电流变化率，形成电磁干扰，对电机系统自身和周围环境产生较大的影响。传播路径：PWM驱动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路径。,功率变换器输出的冲信号图,IGBT通断瞬间管压降时域仿真波形,31,PWM驱动机系统传导电磁干扰频谱,PWM驱动电机相电压波形,IGBT通断瞬间管

24、压降频谱图,转角90度的三条微带线的场分布仿真图,线距为1cm的导线间磁场分布测试图,6. 4一体化电机系统中的负面效应,32,第7章 一体化电机驱动系统电磁干扰的特点,7.1 功率半导体器件开关过程造成的电磁噪声7.2 整流电路造成的谐波干扰和电磁噪声7.3 PWM电机驱动器共模电压的产生7.4 用PWM技术的各种电力电子电路造成的电磁噪声,第7章 一体化电机驱动系统电磁干扰的特点,33,7.1功率半导体器件开关过程造成的电磁噪声,7. 1功率半导体器件开关过程造成的电磁噪声,在半导体变流装置中，无论是主回路还是控制回路，在器件开关过程中，都存在着高的du/dt和di/dt，它们通过线路或元

25、器件的寄生参数和分布参数可以引起频率高达几十千赫兹至几百千赫兹甚至几兆赫兹的瞬态电磁噪声，它们已成为不可忽视的电磁干扰源。,所有半导体变流装置主电路的核心部件是各类现代功率半导体器件：功率二极管(包括快速恢复功率二极管) 大功率晶体管(BJT) 晶闸管(SCR和GTO) 复合型场控功率晶体管(IGBT) 功率场效应管(功率SIT和功率MOSFET)等。控制部分：常常应用各种大规模数字集成电路、DSP和CPU芯片等高速集成电路。,34,7.1.1 功率二极管开关过程造成的电磁噪声,功率二极管开通、关断过程中造成的瞬态电磁噪声,a)开通过程,b)关断过程,7. 1功率半导体器件开关过程造成的电磁噪

26、声,35,开通过程：二极管PN结的长基区注入足够的少数载流子，发生电导调制需要一定的时间tr。 t00时二极管导通，二极管的电流迅速增大，但是其管压降不是立即下降， 而会出现一个快速的上冲，该电压上冲会导致一个宽带的电磁噪声。关断过程：存在于PN结长基区中的大量过剩少数载流子需要一定时间恢复到平衡状态，从而导致了很大的反向恢复电流。 当 t = t1时，PN结开始反向恢复； 在t1 t2时间内，其它过剩载流子，则依靠复合中心复合，而回到平衡状态。 这时管压降又出现以个负尖刺。通常t2 t1，所以该尖刺是个非常窄的 尖脉冲，产生的电磁噪声比开通时还要强。实际上，功率二极管反向脉冲电流的幅度、脉冲

27、宽度和形状，与二极管本身的特性及电路参数相关。 由于反向恢复电流脉冲的幅度和dir/dt都很大，它们在引线电感和与其相连 接的电路中，会产生很高的感应电压，从而造成强的宽频的瞬态电磁噪声。,7. 1功率半导体器件开关过程造成的电磁噪声,36,7.1.2SCR、GTO、BJT、IGBT开关过程造成的电磁噪声,a) SCR开通时电流电压波形 b) 开通时产生的噪声电压与电流的关系,SCR的开关过程造成瞬态噪声,从本质上说，这些器件与功率二极管一样，同属于少子半导体器件，因此它们的开、关过程也与二极管类似，无论在开通或关断时，都会产生瞬态电压和电流，也会通过引线电感形成宽频的电磁噪声。但是基于这些开

28、关器件自身的特性，从EMI分析的角度，它们彼此之间又有所差异。,SCR,7. 1功率半导体器件开关过程造成的电磁噪声,37,SCR：由于它包含了3个PN结，因此在关断后的反向恢复电流，要比二极管的小得多；而在开通时，由于门极触发的帮助，管压降的下降要比二极管的快得多。 因此对SCR而言，开通时造成的电磁噪声，要比关断时大。,GTO,a) GTO开通时电流电压波形 b) GTO关断时电流电压波系,GTO的开关过程造成瞬态电磁噪声,7. 1功率半导体器件开关过程造成的电磁噪声,38,GTO：它所造成的阳极电压、电流瞬态电磁噪声与SCR类似； 但是，由于它依靠门极反向抽流关断，门极的低电流增益(通常

29、小于5)导致了它在关断时，门极电流和电压也会产生陡峭的大电流和电压脉冲，有时还会因门极电路寄生电容和电感的影响而产生振荡。 因此，门极电路产生的电磁噪声，常常变成GTO中EMI问题的主要方面。,BJT,BJT：与GTO情况类似； 只是它的开关速度比GTO快，开关时间在微秒数量级， 所以它的集电极电流和电压变化造成的瞬态电磁噪声要比GTO严重。,7. 1功率半导体器件开关过程造成的电磁噪声,39,MOSFET：功率场效应管，属于多子器件，不存在反向恢复问题，但是它的开关速度很高，开关过程中产生的di/dt可达到很高的数值，因而作用在电路中的寄生电感(电容)上，会产生很高的瞬态电压、电流和引起振荡

30、。 所以，它与高速数字脉冲电路中所用的高速门电路一样，产生的瞬态电磁噪声是不容忽视的。,IGBT：属于多子少于混合器件，开关速度比BJT更快(开关时间在几百纳秒至1微秒)，所以其电流变化造成的瞬态电磁噪声比BJT更大； 但是由于它是场控(电压榨制)器件，所以它的门极电路所造成的瞬态电磁噪声可以忽略不计。,IGBT,MOSFET,7. 1功率半导体器件开关过程造成的电磁噪声,40,7.1.3高速数字脉冲电路中的门电路造成的开关电磁噪声,一块逻辑门数字集成电路工作时，虽然只抽取几毫安的电流，似乎它不会造成什么电磁噪声，可是，由于它们的开关速度很高，加上与它连接的那些导线的引线电感，使它们也成为不可

31、忽视的电磁噪声源。因为当门电路的电流流过这些引线电感时，在它上面产生的电压为u=Ldi/dt，其中，L为是引线电感的数值，di/dt是流过门电路的电流变化率。例如：一个典型的逻辑门，在“开通”状态，从直流电源抽取5mA的电流，而在“关断”状态抽取1mA的电流，则开关时刻的电流变化为4mA，设其开关时间为2ns，电源的引线电感为500nH，当这个门开关转换时，在电源线上产生的瞬态脉冲电压： 如果综合考虑的话，这些门电路在工作时，电源线上产生的瞬态电压有时可高达数伏远远超过其电源电压5v。所以，对门电路在开关过程所造成的瞬态电磁噪声是必须认真考虑的。,7. 1功率半导体器件开关过程造成的电磁噪声,

32、41,7.2 整流电路造成的谐波干扰和电磁噪声,7. 2整流电路造成的谐波干扰和电磁噪声,a) 典型的电容滤波单相桥式整流电路 b) 电网侧电流、电压波形,带电容滤波的单相桥式整流电路给电网带来谐波干扰和电磁噪声,整流电路是电力电子系统的最基本电路之一，由于它与交流供电电网直接相连，所以它本身产生的谐波干扰和电磁噪声，以及出它供电的后级电路产生的电磁噪声，均可通过整流电路，以传导耦合的形式引入电网，造成对接在同一电网内的其他设备的电磁干扰。,由于输出滤波电容C的作用，其网侧电流波形为脉冲被，而不是正弦波，它在交流电网内阻抗L产生的压降，会造成网侧相电压波形畸变。首先它给电网会带来谐波干扰，同时

33、在开、关过程中产生的电流或电压的快速变化，会造成电磁干扰。,42,a) 三相全桥可控整流电路 b)相电压波形,典型的三相全桥可控整流电路造成EMI,对于典型的三相全桥可控整流电路来说，在可控硅整流器换流时，由于网侧接的大电抗器的影响，会使电网侧相电压波形出现换流缺口，并通过公共电网造成电磁噪声。,7. 2整流电路造成的谐波干扰和电磁噪声,43,7.3 PWM电机驱动器共模电压的产生,7. 3 PWM电机驱动器共模电压的产生,目前国际上对PWM电机驱动系统的共模电压还没有明确的定义；依据单相系统和直流系统的定义(每个导体与规定参考点(通常是地或机壳)之间的相电压的平均值)，将PWM 功率变换器输

34、出端中点对参考地的电位定义为系统共模电压。功率变换器所输出的共模电压可以通过测量感应电机星接绕组中性点对参考地的电位获得，而对于电机绕组为三角形连接的系统，则可以通过人为设置一个假中点，并进行测量获得。,44,7.3.1 三相整流桥产生的共模电压,两电平电压源PWM电机驱动系统,主要组成部分：不可控的二极管整流环节、滤波电容、逆变环节、电缆和感应电机等。,7. 3 PWM电机驱动器共模电压的产生,45,三相整流桥侧共模电压的建立,共模电压uMg的仿真波形及其频谱,7. 3 PWM电机驱动器共模电压的产生,46,逆变器侧(电机端)共模的建立,7.3.2 三相逆变器产生的共模电压,7. 3 PWM

35、电机驱动器共模电压的产生,47,开关状态所对应的共模电压,7. 3 PWM电机驱动器共模电压的产生,48,共模电压的时域波形,以直流母线中点为参考的共模电压波形,电机共模电压仿真波形,参考点为大地时共模电压仿真波形,7. 3 PWM电机驱动器共模电压的产生,49,共模电压的频谱分析,基波成分(频率为50的成分)幅值为0，即共模电压中不含有频率为功率变换器输出电压基波频率的成分。共模电压的谐波幅值不随载波频率大小的变化而变化，但随载波频率的变化其谐波单元组发生相应的移动。一倍载波频率处的谐波幅值最大，三倍处次之，随着倍频数的提高呈下降趋势。,Jk 表示k阶贝塞尔函数,7. 3 PWM电机驱动器共

36、模电压的产生,50,7.3.3 长电缆连接时电机端共模电压的瞬时过电压,在实际工程应用中，功率变换器与电机之间通常都存在着长电缆连接，则此时受脉冲上升时间、电缆参数、感应电机等效阻抗等因素的影响，高频电压会出现反射，进而使电机端电压在电平转换瞬间出现瞬时过冲现象(瞬时过电压)，而且数值最大时可以达到逆变器相电压的2倍，于是有,如果PWM功率变换器与电机之间存在长电缆连接，那么感应电机端共模电压同样也会出现反射现象，使感应电机端共模电压的高频成分在电平转换瞬间出现电压瞬时值增大，而且最大值可以达到功率变换器端共模电压输出值的二倍。,7. 3 PWM电机驱动器共模电压的产生,51,长电缆连接时的电

37、机端共模电压仿真波形,结论：三相两电平电压源型PWM功率变换器输出的共模电压是一种与功率器件开关频率相同，且幅值在1/6倍和1/2倍直流母线电压，这4个值之间随开关器件导通状态的不同而不断跳变的四电平阶梯波。由于波形变化频率与变频器开关频率相同，电平跳变的频率为开关频率的6倍，因此，两电平PWM功率变换器输出的共模电压也是一种高频电压，同样存在着较高的du/dt。,同样根据共模电压的定义，仿照对三相功率变换器共模电压的描述方法，单相功率变换器及三相四桥臂功率变换器共模电压：,7. 3 PWM电机驱动器共模电压的产生,52,7.3.4 共模电压的傅立叶分析,三相变频器输出的三相相电压的傅立叶展开

38、式为：,7. 3 PWM电机驱动器共模电压的产生,53,结论：即在调制波为正弦波的情况下，三相变频器输出共模电压的基波和谐波的幅值分别为：基波成分(频率为1的成分)幅值为0，即共模电压中不含频率为调制波频率的成分。谐波成分：载波频率s奇数倍处存在谐波，幅值为 偶数倍处无谐波； 在角频率为（nsk1）处存在谐间波，振幅为其含义是：共模电压以载波ns为中心，边频k1分布其两侧，幅值两侧对称衰减的谐波。共模电压的谐波幅值不随载波频率大小的变化而变化，但随载波频率的变化而发生相应的移动，且一倍载波频率处的谐波幅值最大。,7. 3 PWM电机驱动器共模电压的产生,54,7.3.5 共模电压的测量方法,1

39、、直接测量法根据共模电压的，三个相电压相加再除以3即为共模电压，因此要想直接测量共模电压，只需要一台3个通道相互隔离的示波器同时测量3个相电压，然后再把三个相电压相加就可以得到3倍的共模电压波形。缺点：对测量仪器的要求很高，至少需要有3个通道，并且是彼此隔离的探头去测量。,直接测量法,间接测量法,7. 3 PWM电机驱动器共模电压的产生,55,2、间接测量法由于实验条件所限，一般很难直接测出某处的共模电压，但若引入虚拟中性点就可以很方便的测出共模电压。 虚拟中性点：3个Y形连接电容的中性点、 3个Y形连接阻值相同的电阻等。 例如：要测量电动机的共模电压，实际可以直接测量电动机中性点对地的电压，

40、即为电动机的共模电压。但由于电动机的制造工艺的限制，三相绕组并不一定完全对称，因此，此时可以在电动机绕组的接线端接入3个Y形连接阻值相同的电阻(如1M)，将其中性点作为电动机的虚拟中性点，进行共模电压的测量，这就是利用虚拟中性点的概念进行测量的方法。在实验时应注意，当变频器与电机之间用长电缆连接时，由于长线电缆对共模电压的反射，而使共模电压的幅值增大，高频成分加大，对系统的高频影响加剧所引起的，它反映到波形中就是电压波形出现振荡现象。,7. 3 PWM电机驱动器共模电压的产生,56,7.4 用PWM技术的各种电力电子电路造成的电磁噪声,7.4 用PWM技术的各种电力电子电路造成的电磁噪声,du

41、/dt：在电力电子器件通断瞬间，电压的跳变会在电容上产生很大的充电或放电电流。实际的驱动电路和主电路都会有一些滤波电容，电路中还存在杂散分布电容。在大功率驱动系统中du/dt可达6kV/s，而通过1nF的电容就可以产生6A的瞬态电流脉冲，从而对系统产生严重的电磁干扰。di/dt：在电力电子器件通断瞬间，电流的变化会在杂散电感上感应一个电压。在大功率驱动系统中， di/dt可达2kA/s，而通过30nH的杂散电感就可以激励出60V的瞬态电压脉冲。同时存在较大di/dt的电流环路也是一个辐射源，会对空间产生电磁场辐射形成辐射干扰。,7.4.1 电磁噪声源,57,PWM信号自身：逆变器中产生的PWM

42、波形除了有用的基波外，还含有丰富的高次谐波。目前，逆变器的开关频率从几kHz到几百kHz，谐波频率从几百kHz到几MHz ，由于高次谐波的存在，PWM信号也会对周围设备产生电磁干扰。控制电路：控制电路输出的高频时钟脉冲波形，同样也会产生一定的电磁干，但由于控制电路的电压水平较低，所以产生的干扰较小。共模电压：两电平电压源型变频器在常规PWM控制方式下，其输出端U、V、W输出的电压尽管相位互差120o，但三者之和并不为零，使之存在很高的共模电压(也就是零序电压)，从而形成系统共模干扰的一部分。非线性的元件和电路也是干扰源之一，它们会使电路中的信号发生畸变，增加了信号中的高频成份，加重了系统的电磁

43、干扰。,7.4 用PWM技术的各种电力电子电路造成的电磁噪声,58,IGBT开通与关断时管压降仿真波形,IGBT开通与关断时管压降所对应的频谱,导线中高频电流所产生的电磁场,PWM电机驱动系统网侧相电压出现的干扰毛刺,7.4 用PWM技术的各种电力电子电路造成的电磁噪声,59,7.4.2 噪声源频段,PWM电机驱动系统所产生的干扰频带一般分为以下几个频段：谐波段：频率范围02kHz。它增加了电网的损耗、使电压波形畸变、危害电网的正常运行，检验并消除这一范围的电磁噪声是独立与HF干扰问题的另一领域。一般通过电力有源/无源滤波器、无功补偿、多相或多重化等技术解决。(2) 音频段及射频段：频率范围1

44、6Hz20kHz、20kHz150kHz。目前对此频段还没有明确规定它的干扰发射限值。(3) 射频干扰频段：根据国际无线电特别委员会(CISPR)规定，电子设备的电磁干扰的射频段，民用起始于150kHz，通常被分为150kHz30MHz的传导干扰和30MHz3GHz的辐射干扰两个波段。这两个波段的干扰同谐波段干扰的耦合方式、传播通道差别较大，分析方法和影响区别也大，是电磁干扰研究的重点内容。即150kHz3GHz的传导干扰是电机系统电磁干扰研究的重点内容。,7.4 用PWM技术的各种电力电子电路造成的电磁噪声,60,7.4.3 电机系统传导干扰的传播途径,系统中没有任何EMI抑制时传导共模EM

45、I的传播途径,7.4 用PWM技术的各种电力电子电路造成的电磁噪声,61,1、功率变换侧共模EMI的传播途径在PWM功率变换系统中，为保证开关管工作时不会因过热而失效，都要对其安装散热器，并且为防止短路，开关管的金属外壳与散热器之间是通过导热绝缘介质相隔离的，同时散热器又是通过机箱接地的，于是，在功率开关器件与散热器之间就形成了一个较大的寄生电容。当逆变器正常工作时，随着每相桥臂上、下开关管的轮流开通，桥臂中点电位会随之发生准阶跃变化。如果从EMI角度看该现象，那么三个桥臂所输出的电压就是三个EMI干扰源，而且每个开关动作时都会对功率开关器件与散热片之间寄生进行电容充、放电，形成共模EMI电流

46、(漏电流)，其大小为：对于整流器桥与散热片之间的共模EMI电流，则与逆变器侧的情况一样，只不过是其变化没有逆变器侧的频率高。,7.4 用PWM技术的各种电力电子电路造成的电磁噪声,62,2、感应电机侧共模EMI的传播途径感应电机定子绕组与电机外壳之间同样具着有较大的寄生电容，并且出于安全考虑电机机壳又是与大地相连接的，于是具有很高du/dt的高频共模电压就会对这些寄生进行电容充、放电，从而形成电机侧的共模EMI电流。如果变频器与电机之间存在长电缆连接，也会通过电缆与地之间分布电容耦合形成共模EMI电流。共模EMI电流的返回路径包括系统变压器中性点和功率变换器电网侧连接电缆的对地分布电容。主要流

47、通路径是系统变压器中性点的接地电缆，并且根据变压器中性点的电缆连接形式不同，共模电流的幅值也有所不同。 当变压器中性点通过电缆直接接地时，返回共模EMI电流就会相对较大； 反之，通过电阻连接时就会小一些。通过功率变换器电网侧电缆对地分布 电容返回的共模EMI电流与分布电容的大小有关。,7.4 用PWM技术的各种电力电子电路造成的电磁噪声,63,总之1、一体化电机系统产生传导共模EMI的主要根源是功率开关器件高速通断所产生的du/dt、di/dt和功率变换器所输出的高频共模电压。2、共模EMI电流的形成是一个非常复杂的过程，它与很多因素有关，如与电缆的长度与规格、变换器的结构与工艺、脉冲触发方式

48、、设备安装形式以及系统接地点的大地导电特性等因素有关。3、功率变换器所输出的高频共模EMI电压、共模EMI电流对电气系统的安全运行有着严重地危害，并且它也是一体化电机系统传导EMI发射强度高于其它电子、电气系统传导EMI发射强度的一个主要原因。,7.4 用PWM技术的各种电力电子电路造成的电磁噪声,64,第8章 一体化电机系统主要部件高频等效电路的建立,8.1 PWM功率变换器的高频模型8.2 PWM驱动电机系统中长线电缆的高频等效模型8.3 电机本体的高频模型,第8章一体化电机系统主要部件高频等效电路的建立,65,8.1 PWM功率变换器的高频模型,8. 1 PWM功率变换器的高频模型,在分

49、析和建立预测传导干扰模型时，必须考虑电路中无源器件高频时所具有的非理想性。由于所有的电子元器件和互连线都会存在着非设计(寄生)电路单元， 如寄生电阻、寄生电感、寄生电容。这些寄生电路单元的电气特性会随着频率的升高而逐渐增强，这使得元器件在低频时所表现的特性反而会随着频率的升高而逐渐减弱。一体化电机系统中的功率器件多为MOSFET和IGBT，容量稍大的电机系统一般都用IGBT作为功率变换开关器件。本课程一体化电机系统开关器件以IGBT作为研究的主要对象，来建立其高频的传导干扰模型。,66,功率开关器件IGBT的仿真模型通常可以采用Pspice、Saber等仿真软件所提供的高频模型，但是IGBT集

50、电极和发射极的寄生电感、寄生电阻、DC整流桥及IGBT模块与散热器之间的寄生电容必须考虑。,IGBT逆变器一个桥臂的寄生参数,Rloc、Lloc、Rloe、Rloe：IGBT集电极和发射极的寄生电阻、寄生电感，大小可以通过IGBT的外部实验确定；Rlog、Rlog：IGBT栅极触发脉冲引线的寄生电阻、寄生电感；ChT：一个IGBT模块与散热器之间的寄生电容。,8. 1 PWM功率变换器的高频模型,67,寄生参数的获得：可以采用实验测取和参数拟合相结合的方法。实验的方法来测取必要的参数需要做三个实验：（1）直流IC-UCE的特性曲线实验；（2）门极充电的特性曲线；（3）感性负载的开关实验。此外还