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PWM电机驱动系统传导共模EMI抑制方法研究

作　者: 姜保军
导　师: 梁维燕；孙力
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电机与电器
关键词: 传导共模EMI EMI滤波器共模电压共模电流插入损耗 EMI发射
分类号: TM921.5
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 921次
引　用: 5次
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内容摘要

虽然PWM电机驱动系统因其具有良好的运行特性,而在工业系统和民用装置中得到了广泛地应用,但它所带来的EMI问题也日趋严重,这不但严重地威胁着系统自身的安全、稳定运行,而且还对周边其它电气系统构成了较大的威胁。其中的传导共模EMI,因其传播路径包含大地,而会增大系统辐射EMI发射强度,同时它还会以电流的形式注入其它电气系统形成干扰,并且这种干扰的发射强度正随着功率变换器开关频率和电压、电流变化率的提高而逐渐增强。为此本文就PWM电机驱动系统传导共模EMI的抑制技术、及相关等效电路的建立方法进行了深入研究,并在此基础提出了相应的解决方法。本文在详细研究PWM电机驱动系统感应电机侧共模电压形成机理、时域/频域特性,及该侧共模EMI电流形成机理的基础上,提出了一种感应电机传导干扰频段共模等效电路。该等效电路是依据感应电机高频共模特性及绕组对地、对中性点阻抗幅频特性测量值获取等效电路参数。此共模等效电路可以用于分析和预测PWM电机驱动系统传导共模EMI发射强度、感应电机侧共模EMI电流。等效电路仿真结果与实验结果的具有良好的一致性。针对系统功率变换器侧传导共模EMI发射强度难以得到有效抑制这一问题,本文在深入分析该EMI形成机理与传播特点的基础上,提出了一种用于降低系统功率变换器侧传导共模EMI发射强度的方法。该方法是通过提高散热器对地共模阻抗实现这一目的的。为了从理论上验证该方法正确,论文通过FEM-BEM耦合法对采用此抑制方法前/后散热器表面电场强度的变化情况进行了数值模拟。模拟结果和实验结果证明了该方法能够有效地抑制功率变换器侧传导共模EMI发射强度。鉴于PWM电机驱动系统感应电机侧普遍存在着共模电压、共模电流这一EMI问题,本文依据系统感应电机侧共模电压、共模电流的形成机理,提出了一种应用于功率变换器输出端的无源共模EMI滤波器结构。它由结构类似于只具有单边星接绕组变压器结构的电感,且每相绕组两端并联电容的共模电压检测单元和起电压补偿作用的四绕组共模变压器组成。该滤波器克服了传统功率变换器输出端无源共模EMI滤波器高低频特性难以兼顾,且体积过大的缺点。仿真结果和实验结果均验证了该无源滤波器可以有效地抑制感应电机侧共模电压、共模电流,实现有效降低整个系统传导共模EMI发射强度的目的。研究了有源EMI滤波器的插入损耗及设计与应用中的最佳匹配问题,并依据所得出的“电流检测电流补偿方式反馈型有源滤波器适用于共模电流噪声和漏电流的抑制”观点,提出了一种用于抑制系统共模EMI电流的有源EMI滤波器结构。该有源滤波器是以反向补偿电流直接注入系统的方法阻断系统电源侧共模电流流通路径,实现有效抑制系统传导共模EMI发射强度这一目的。与采用补偿电流注入大地方式的典型有源EMI滤波器相比,该有源EMI滤波器克服了补偿电流不足所带来的插入损耗变小的缺点。同时,在该滤波器的电源设计上还注重了共模EMI电流的抑制。仿真结果与实验结果均证明该有源滤波器可以有效地抑制系统传导共模EMI发射强度。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-15
第1章绪论  15-31
  1.1 课题研究的背景及研究意义  15-17
  1.2 PWM 电机系统传导共模EMI 问题的研究现状  17-29
    1.2.1 感应电机共模等效电路的研究现状  17-19
    1.2.2 感应电机共模EMI 抑制技术的研究现状  19-29
  1.3 本文主要研究内容  29-31
第2章感应电机高频共模等效电路的分析与建立  31-55
  2.1 引言  31
  2.2 PWM 电机驱动系统感应电机侧共模电压的形成机理  31-41
    2.2.1 三相整流桥产生的共模电压  32-34
    2.2.2 三相逆变器产生的共模电压  34-38
    2.2.3 长电缆连接时电机端共模电压的瞬时过电压  38-40
    2.2.4 逆变器输出共模电压的频谱分析  40-41
  2.3 感应电机高频共模等效电路的建立  41-48
    2.3.1 感应电机内部的寄生参数与共模电流  42-44
    2.3.2 感应电机高频共模等效电路拓扑结构的确立  44-46
    2.3.3 电路参数的确定  46-48
  2.4 仿真与实验  48-54
    2.4.1 电机侧共模电压与共模电流  48
    2.4.2 模型的仿真与实验验证  48-54
  2.5 本章小结  54-55
第3章功率变换器侧传导共模EMI 的分析与抑制  55-78
  3.1 引言  55
  3.2 PWM 电机系统传导共模EMI 的分析  55-60
    3.2.1 传导共模EMI 的干扰源  56-58
    3.2.2 传导共模EMI 的传播途径  58-60
  3.3 PWM 电机驱动系统主要组成部分的高频等效电路  60-64
    3.3.1 PWM 功率变换器的高频等效电路  60-62
    3.3.2 传输电缆的高频等效电路  62-64
  3.4 功率变换器侧传导共模EMI 抑制方法的分析与提出  64-67
    3.4.1 抑制方法分析  64-65
    3.4.2 抑制方法的提出  65-67
  3.5 数值模拟与实验  67-77
    3.5.1 数值模拟  67-75
    3.5.2 实验  75-77
  3.6 本章小结  77-78
第4章电机侧传导共模EMI 的无源抑制技术  78-100
  4.1 引言  78
  4.2 滤波器插入损耗  78-80
  4.3 传统EMI 滤波器在PWM 电机系统中的应用  80-84
    4.3.1 传统EMI 滤波器的电路结构分析  80-83
    4.3.2 传统EMI 滤波器的应用原则  83-84
    4.3.3 传统EMI 滤波器应用于PWM 电机系统所表现出的不足  84
  4.4 感应电机侧共模EMI 的无源抑制技术  84-93
    4.4.1 无源EMI 滤波器的工作原理  84-85
    4.4.2 共模电压信号检测  85-88
    4.4.3 无源滤波器的电路设计  88-91
    4.4.4 共模变压器的电压补偿  91-93
  4.5 仿真与实验  93-99
    4.5.1 仿真结果分析  94-97
    4.5.2 实验结果分析  97-99
    4.5.3 误差分析  99
  4.6 本章小结  99-100
第5章系统共模EMI 电流的有源抑制技术  100-119
  5.1 引言  100
  5.2 有源EMI 滤波器的分析  100-107
    5.2.1 有源滤波器的工作原理  100-101
    5.2.2 有源EMI 滤波器的最佳匹配  101-107
  5.3 系统电网侧有源EMI 滤波器的设计  107-116
    5.3.1 滤波器电路结构的分析与设计  107-108
    5.3.2 电流检测环节的分析与设计  108-113
    5.3.3 推挽放大环节的分析与设计  113-115
    5.3.4 电流耦合环节的分析与设计  115
    5.3.5 滤波器的插入损耗  115-116
  5.4 仿真与实验  116-117
  5.5 本章小结  117-119
结论  119-121
参考文献  121-132
攻读学位期间发表的学术论文  132-134
致谢  134-135
个人简历  135

PWM电机驱动系统传导共模EMI抑制方法研究

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