一体化电机系统中电磁兼容(三)

1、一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容2第第6章章 一体化电机一体化电机系统中的电磁兼容概况系统中的电磁兼容概况第第7章章 电机驱动系统电磁干扰的特点电机驱动系统电磁干扰的特点第第8章章 一体化电机系统主要部件高频等效电路的建立一体化电机系统主要部件高频等效电路的建立第第9章章 一体化电机系统传导电磁干扰测试与诊断技术一体化电机系统传导电磁干扰测试与诊断技术第第10章章 一体化一体化电机系统干扰源的电机系统干扰源的数学模型数学模型第第11章章 一体化一体化电机系统干扰源的电机系统干扰源的抑制抑制第第12章章 一体化一体化电机电机系统系统EMI滤波器的设计滤波器的设计第第13章章

2、电磁兼容设备简介电磁兼容设备简介一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容312.1 概概 述述12.2 滤波器插入损耗的定义及其表达滤波器插入损耗的定义及其表达形式形式12.3 传导干扰滤波器结构类型和阻抗失配的分析传导干扰滤波器结构类型和阻抗失配的分析12.4 一体化电机系统有源滤波器的一体化电机系统有源滤波器的设计设计12.5 一体化电机一体化电机系统电磁干扰系统电磁干扰无源滤波器的设计无源滤波器的设计一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容4典型三相典型三相EMI电源滤波器电源滤波器一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容5A.V.Jouanne等学者

3、所提出的共模变压器方案：等学者所提出的共模变压器方案： 方案方案设计思路：设计思路：从从消除电动机侧共模消除电动机侧共模EMI电流的角度进行设计的，它是在共模电流的角度进行设计的，它是在共模扼流圈的基础上，再在同一磁芯上缠绕一个终端连接阻尼电阻的第四绕组，以扼流圈的基础上，再在同一磁芯上缠绕一个终端连接阻尼电阻的第四绕组，以此抑制共模此抑制共模EMI电流的振荡，达到消除电机端共模电压带来的其它负面效应电流的振荡，达到消除电机端共模电压带来的其它负面效应。特点：特点：这种这种方法虽然对电机侧共模方法虽然对电机侧共模EMI电流的抑制效果较好，但只能降低共模电流的抑制效果较好，但只能降低共模电压的电

4、压的du/dt，而对共模电压的抑制效果并不明显。，而对共模电压的抑制效果并不明显。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容6D.A.Rendusara等学者提出了改进型二阶等学者提出了改进型二阶RLC低通功率变换器输出滤波器：低通功率变换器输出滤波器： 方案设计思路：方案设计思路：它它与原型滤波器相比，其重要区别就是通过导线把以星型形与原型滤波器相比，其重要区别就是通过导线把以星型形式连接的阻容电路中性点式连接的阻容电路中性点“n”与变换器直流母线钳位中点与变换器直流母线钳位中点“M”接在一起。接在一起。该滤波器的优点是可以同时减小电机侧的传导差模该滤波器的优点是可以同时减小电机侧

5、的传导差模EMI电流和传导共模电流和传导共模EMI电流，并且如果参数设计合理，还可以使电流，并且如果参数设计合理，还可以使Rf、Lf和和Cf的值很小，而将其安装在的值很小，而将其安装在功率变换器机壳内功率变换器机壳内。特点：特点：可以可以使电机端的过电压、对地共模使电机端的过电压、对地共模EMI电流以及轴电压显著减小，并电流以及轴电压显著减小，并且该滤波器的尺寸、损耗以及成本都较低且该滤波器的尺寸、损耗以及成本都较低。缺点缺点：如果如果系统的工作状况发生变化，则需要调节无源元件的参数，以确保系统的工作状况发生变化，则需要调节无源元件的参数，以确保能够有效地消除电机侧随载波频率变化的共模电压，因

6、此在实际工程应用中能够有效地消除电机侧随载波频率变化的共模电压，因此在实际工程应用中难于实现。难于实现。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容7Isao Takahashi提出的用于消除共模电流的有源提出的用于消除共模电流的有源EMI滤波器：滤波器：有源有源滤波器：滤波器： 有源电路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，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，与系统中

7、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。这样就抑制了系统中的电磁干扰噪声。方案设计思路：方案设计思路：先先对电网侧输入对电网侧输入/输出的共模电流进行采样，而后再借助于射极输出的共模电流进行采样，而后再借助于射极跟随器反向抽取逆变器输出的共模电流。它由共模电流互感器和互补高频晶体跟随器反向抽取逆变器输出的共模电流。它由共模电流互感器和互补高频晶体管管组成。组成。特点：特点：由于由于需要将晶体管直接接到系统直流母线上，所以该滤波器不能应用于需要将晶体管直接接到系统直流母线上，所以该滤波器不能应用于高电压系统。再有该方案只能抑制高电压系统。再有该

8、方案只能抑制PWM电机驱动系统的共模电机驱动系统的共模EMI电流，而对功电流，而对功率变换器输出端的共模率变换器输出端的共模EMI电压没有任何电压没有任何抑制作用。抑制作用。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容8日本学者日本学者Satoshi Ogasawara提出，用于消除提出，用于消除PWM功率变换器产生的共模电压：功率变换器产生的共模电压：方案设计思路：方案设计思路：从从消除消除PWM功率变换器产生的共模电压角度功率变换器产生的共模电压角度提出提出的的一一种有源种有源共模噪声消除器共模噪声消除器(ACC)方案。方案。该噪声消除器连接在功率变换器的输出端，它由该噪声消除器连

9、接在功率变换器的输出端，它由共模电压检测电路、互补推挽电路和共模变压器这三部分组成共模电压检测电路、互补推挽电路和共模变压器这三部分组成。特点：特点：该该噪声消除器可以通过滤除加载在感应电机端的共模电压，实现减小轴噪声消除器可以通过滤除加载在感应电机端的共模电压，实现减小轴电压、轴电流和共模电流，达到抑制感应系统电机侧传导共模电压、轴电流和共模电流，达到抑制感应系统电机侧传导共模EMI发射强度的发射强度的目的目的，但，但由于共模电压检测的星接电容器是与电机绕组呈并联关系，所以该滤由于共模电压检测的星接电容器是与电机绕组呈并联关系，所以该滤波器存在高低频特性难以兼顾的问题。波器存在高低频特性难以

10、兼顾的问题。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容9Satoshi Ogasawara等学者等学者又给又给出了改进型有源出了改进型有源EMI滤波器滤波器特点：特点：该该滤波器能够在消除感应电机端共模电压的同时抑制滤波器能够在消除感应电机端共模电压的同时抑制PWM功率变换系功率变换系统的谐波。但统的谐波。但Satoshi Ogasawara所提出这两种方法都采用了射极跟随器直接所提出这两种方法都采用了射极跟随器直接连到系统直流母线上这一方案，因而存在着互补晶体管额定电压必须大于直连到系统直流母线上这一方案，因而存在着互补晶体管额定电压必须大于直流母线电压的要求，因此流母线电压的要求

11、，因此，这，这两种滤波器不能应用于高电压系统中。两种滤波器不能应用于高电压系统中。方案设计思路：方案设计思路：型无源型无源EMI滤波器和有源共模噪声消除器相滤波器和有源共模噪声消除器相结合结合。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容10Y.Q.Xiang提出了提出了有源有源共模电压补偿器的结构共模电压补偿器的结构特点：特点：用于用于消除感应电机端共模电压的反向补偿电压是通过一个多电平功消除感应电机端共模电压的反向补偿电压是通过一个多电平功率变换器产生的，所以该有源共模电压补偿器可以应用于高电压系统率变换器产生的，所以该有源共模电压补偿器可以应用于高电压系统。但但由于其电路过于复杂

12、，而且四个串联电容的电压平衡问题又难于解决，由于其电路过于复杂，而且四个串联电容的电压平衡问题又难于解决，而且该补偿器的成本和体积都相对较大，所以限制了该补偿器在实际中的而且该补偿器的成本和体积都相对较大，所以限制了该补偿器在实际中的应用。应用。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容11以电压衰减表示插入损耗的传递函数形式以电压衰减表示插入损耗的传递函数形式：21log10PPIL 2120log20RRRUUILma) 参考电路参考电路 b) 测试电路测试电路插入损耗的定义插入损耗的定义一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容12把插入损耗近似表示为滤波器接入后电路

13、前后两端的电压把插入损耗近似表示为滤波器接入后电路前后两端的电压分贝数分贝数：采用采用传输参数方程更常用一些，它能更直观地反映滤波网传输参数方程更常用一些，它能更直观地反映滤波网络输入输出电压、电流的关系络输入输出电压、电流的关系：插入损耗插入损耗以阻抗形式和传输参数形式可分别表示为以阻抗形式和传输参数形式可分别表示为：)log(2021UUIL 22212122121111IZIZUIZIZU滤波网络滤波网络22222112122111IAUAIIAUAU2121122211)()(lg20ZZZZZZZZZILLgLgLggLgLZZZAZZAAZAIL22211211lg20一体化电机系

14、统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容13滤波器品种繁多滤波器品种繁多：常规滤波器常规滤波器 电磁干扰滤波器电磁干扰滤波器按滤波原理可分为：反射式按滤波原理可分为：反射式滤波器滤波器 吸收式滤波器吸收式滤波器按按滤波器的滤波器的频率特性：低通滤波器频率特性：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。带阻滤波器。按照不同的按照不同的拓扑结构：拓扑结构：LC型型 T型型 型型 多级滤波器多级滤波器一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容14滤波器的结构类型滤波器的结构类型多级滤波器多级滤波器LC型型T型型型型一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的

15、电磁兼容15LC滤波滤波网络网络由于不同的设备和电网网络提供的源阻抗不一样，加上所带负载阻抗的由于不同的设备和电网网络提供的源阻抗不一样，加上所带负载阻抗的性质和数值不同以及工作情况的变化，导致所需设计的滤波器输入端噪性质和数值不同以及工作情况的变化，导致所需设计的滤波器输入端噪声源的阻抗声源的阻抗Zg和负载阻抗和负载阻抗ZL是任意的，不可能满足滤波器插入损耗测试是任意的，不可能满足滤波器插入损耗测试时的阻抗匹配条件时的阻抗匹配条件Zg = Zg。分析分析LC型滤波器阻抗失配情况型滤波器阻抗失配情况对插入损耗对插入损耗的影响的影响一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容16负载负载

16、ZL为纯阻性负载，数值为为纯阻性负载，数值为RL，滤波器滤波器的插入损耗为：的插入损耗为：22220221)()1 (lg20)lg(10)(LRRLPPIL负载负载ZL为为感性感性，用一个电感用一个电感LL和一个可变电阻和一个可变电阻RL并联表示并联表示，电路电路的谐振频率为的谐振频率为L，滤波器滤波器的插入损耗为：的插入损耗为：2202222220)()1 ()lg(20)(LLLLLRLIL负载负载ZL为为容性容性，用一用一个个电容电容CL和一个可变电阻和一个可变电阻RL并联并联表示，表示，电路电路的谐振频率的谐振频率为为c，滤波器滤波器的插入损耗为：的插入损耗为：22222)()1 (

17、lg20)(LCCRLIL负载性质的变化对滤波器插入损耗的影响负载性质的变化对滤波器插入损耗的影响一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容17对比不同性质的负载与插入损耗的频率特性曲线可以看出对比不同性质的负载与插入损耗的频率特性曲线可以看出，感性感性负载负载使得电路的谐振频率使得电路的谐振频率L比比LC滤波电路的固有谐振频率滤波电路的固有谐振频率0提高了，提高了，因此在滤波器的截止频率范围内的插入损耗变小甚至会出现噪声放大的因此在滤波器的截止频率范围内的插入损耗变小甚至会出现噪声放大的可可能能;容容性负载性负载使得电路的谐振频率使得电路的谐振频率c比比LC电路的固有谐振频率电路的

18、固有谐振频率0降低了，因此降低了，因此在滤波器截止频率以内的插入损耗增加了。在滤波器截止频率以内的插入损耗增加了。LC滤波网络不同负载情况下插入损耗的频率特性滤波网络不同负载情况下插入损耗的频率特性一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容18考虑噪声考虑噪声源源阻抗阻抗对滤波器插入损耗对滤波器插入损耗的的影响影响设滤波器两端所加的源阻抗和负载阻抗分别满足条件设滤波器两端所加的源阻抗和负载阻抗分别满足条件ZgL，ZL30时，此条件很容易满足，此时的插入损耗可简化为：时，此条件很容易满足，此时的插入损耗可简化为：CLZZCLZZLZZZZILLgLLLLgLR1/)(1/)()(lg2

19、01C1)Z(ZZlg20LgLgLLZZLZCZLL)lg(20在在3.160时，上式结果大于时，上式结果大于20分贝。分贝。在源阻抗较大，负载阻抗很小在源阻抗较大，负载阻抗很小的情况下使用的情况下使用CL型滤波器明显型滤波器明显要比用要比用LC型滤波器的效果好。型滤波器的效果好。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容19结论结论:当源和负载阻抗的绝对值可以估计时，可以根据不同的阻抗失配情况选当源和负载阻抗的绝对值可以估计时，可以根据不同的阻抗失配情况选择相应的滤波器择相应的滤波器结构结构。 低低的源阻抗和低的负载阻抗可选用的源阻抗和低的负载阻抗可选用T型滤波器结构型滤波器结构

20、； 高的源阻抗和高的负载阻抗可选用高的源阻抗和高的负载阻抗可选用型滤波器结构；型滤波器结构； 低的源阻抗和高的负载阻抗可选用低的源阻抗和高的负载阻抗可选用LC型滤波器结构型滤波器结构； 高的源阻抗和低的负载阻抗可选用高的源阻抗和低的负载阻抗可选用CL型滤波器结构。型滤波器结构。归纳归纳出一个基本的原则：滤波器的电感端与低的源阻抗或低的负载阻抗出一个基本的原则：滤波器的电感端与低的源阻抗或低的负载阻抗串联，滤波器的电容端与高的源阻抗或负载阻抗并联。串联，滤波器的电容端与高的源阻抗或负载阻抗并联。另：另：为了为了尽量减小阻抗失配引起的滤波器性能下降，可以根据具体情况尽量减小阻抗失配引起的滤波器性能

21、下降，可以根据具体情况分别在滤波器两端加上适当参数的分别在滤波器两端加上适当参数的“P”匹配网络和匹配网络和“S”匹配网络来改匹配网络来改善系统的滤波性能。善系统的滤波性能。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容20反馈式有源滤波器结构示意图反馈式有源滤波器结构示意图Zn和和Zs分别表示噪声源的阻抗和阻抗网络接收机的检测阻抗，分别表示噪声源的阻抗和阻抗网络接收机的检测阻抗，in表示噪声源，表示噪声源，is、vs分别分别表示返回到接收机检测阻抗上的电流和电压，表示返回到接收机检测阻抗上的电流和电压，ic、vc分别表示有源滤波器补偿的电流和分别表示有源滤波器补偿的电流和电压。电压。1

22、、反馈反馈式有源滤波器式有源滤波器一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容21有源滤波器的插入损耗可以表示为：有源滤波器的插入损耗可以表示为：log20ssAvvIL 式中式中vs和和vs分别表示在接入滤波器前后接收机检测阻抗上的电压降。分别表示在接入滤波器前后接收机检测阻抗上的电压降。sss)(ZivZiiAiiZZZZZivsnsnsssnsnsn)1log(20nsAZZAIL)1log(20nsnAZZAZIL)/1log(20nsAZZAIL)Z1log(20snsAZZAILa）的）的插入损耗：插入损耗：b）的）的插入损耗：插入损耗：c）的）的插入损耗：插入损耗：d）的

23、）的插入损耗：插入损耗：一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容22四种滤波器也有各自对应的场合，不同的情况需要不同的滤波器类型，否四种滤波器也有各自对应的场合，不同的情况需要不同的滤波器类型，否则也将发挥不出其特长，甚至会对系统噪声进行放大，起到相反的作用。则也将发挥不出其特长，甚至会对系统噪声进行放大，起到相反的作用。 a)所示的滤波器所示的滤波器(检测电流进行电压补偿的方式检测电流进行电压补偿的方式)在滤波器增益远远大于在滤波器增益远远大于噪声源阻抗与测试系统阻抗之和时效果最佳；噪声源阻抗与测试系统阻抗之和时效果最佳； b)所示的滤波器所示的滤波器(检测电流进行电流补偿的方式

24、检测电流进行电流补偿的方式)在噪声源阻抗远远大于在噪声源阻抗远远大于阻抗网络的阻抗时效果最佳；阻抗网络的阻抗时效果最佳； c)所示的滤波器所示的滤波器(检测电压进行电流补偿的方式检测电压进行电流补偿的方式)在滤波器增益远远大于在滤波器增益远远大于源阻抗和测试系统之并联阻抗时效果最佳；源阻抗和测试系统之并联阻抗时效果最佳； d)所示的滤波器所示的滤波器(检测电压进行电压补偿的方式检测电压进行电压补偿的方式)在噪声源阻抗远远小于在噪声源阻抗远远小于阻抗网络的阻抗时效果最佳。阻抗网络的阻抗时效果最佳。 有源滤波器不能影响原有系统的正常运行，不管什么情况，该有源滤波器只有源滤波器不能影响原有系统的正常

25、运行，不管什么情况，该有源滤波器只能消除系统产生的高频噪声而不应改变低频或工频时的运行情况。尤其是作能消除系统产生的高频噪声而不应改变低频或工频时的运行情况。尤其是作为抑制电磁干扰的有源滤波器，应减小在低频工作时对系统传输特性的影响，为抑制电磁干扰的有源滤波器，应减小在低频工作时对系统传输特性的影响，以免改变了系统的传输特性。以免改变了系统的传输特性。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容232、前馈型、前馈型有源有源滤波器滤波器前馈型滤波器中放大器的增益为单位值，利用检测的信号取一等幅值反相位前馈型滤波器中放大器的增益为单位值，利用检测的信号取一等幅值反相位的信号来抵消噪声，所

26、以常用的结构形式也只有电流检测、电流补偿和电压的信号来抵消噪声，所以常用的结构形式也只有电流检测、电流补偿和电压检测、电压补偿两种。检测、电压补偿两种。nZsZnisici*ni（a）nZsZnisv+-cv（b）*nv前馈式有源滤波器结构示意图前馈式有源滤波器结构示意图)(1 (log20snssnZZAAZZZIL)(1 (log20snnsnZZAAZZZIL一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容24nZsZsici0Zsv+-cvnvsZ0ZcinZnv+-a)b)补偿原理拓扑示意图补偿原理拓扑示意图电压补偿电压补偿滤波器滤波器基本基本思想思想：通常通常是通过检测电压或电

27、流信号，提供给是通过检测电压或电流信号，提供给滤波器滤波器，并并在被保护在被保护器件前串联一个器件前串联一个受控电压源受控电压源，从而从而阻止噪声电流流入到要消除噪声电流的阻止噪声电流流入到要消除噪声电流的设备中设备中，电流电流补偿补偿滤波器滤波器基本基本思想思想：通过通过检测电压或电流，通过滤波器在被保护器件旁并联一个检测电压或电流，通过滤波器在被保护器件旁并联一个受受控电流源控电流源，来来改变噪声电流的运行路径。改变噪声电流的运行路径。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容25根据对一体化电机系统传导干扰机理的分析可知传导干扰主要有两种原根据对一体化电机系统传导干扰机理的分析

28、可知传导干扰主要有两种原因造成，针对不同的原因，在所设计的滤波器中采取不同的措施。因造成，针对不同的原因，在所设计的滤波器中采取不同的措施。有源滤波器结构有源滤波器结构一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容26设计思路第设计思路第1部分：共模电压的消除部分：共模电压的消除逆变器逆变器后传导干扰的主要成份是逆变器生成的高频共模电压脉冲作用在电后传导干扰的主要成份是逆变器生成的高频共模电压脉冲作用在电机上引起的漏电流，所以可以通过消除共模电压来抑制漏电流。这可以通机上引起的漏电流，所以可以通过消除共模电压来抑制漏电流。这可以通过由推挽型射极跟随器过由推挽型射极跟随器(晶体管晶体管T3

29、和和T4组成组成)、共模变压器和一个共模电压、共模变压器和一个共模电压检测器组成的共模电压消除器来检测器组成的共模电压消除器来完成。完成。巧妙巧妙的利用共模变压器绕组同名端的连接关系使得变压器副边产生的感应的利用共模变压器绕组同名端的连接关系使得变压器副边产生的感应电势和逆变器生成的共模电压相互抵消。因为共模信号都是对地而言，三电势和逆变器生成的共模电压相互抵消。因为共模信号都是对地而言，三绕组的副边可以等效为一相绕组，所以可以把三相四绕组变压器简化成单绕组的副边可以等效为一相绕组，所以可以把三相四绕组变压器简化成单相系统，其简化过程如下。相系统，其简化过程如下。+_1u2u1i1i1i2i1

30、L1L1L2L1112ML 2L21M123M 共模变压器及其单相等效电路共模变压器及其单相等效电路一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容27)()(32)()(212122111121sIsIsLsMsMsMsLsUsUcomUcomU2Mi2ioutcomU,LcomRcomCcom有源滤波的共模电压消除原理图有源滤波的共模电压消除原理图221,12022)()()(3)()(comoutcomcomcomcomcomUssIMUUsZUsIsZUsLsIU02202122,)3()33()(ZsLLZsMLLUUsILcomoutcom一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系

31、统中的电磁兼容28设计思路第设计思路第2部分：补偿逆变器产生的漏电部分：补偿逆变器产生的漏电流流随着共模电压的消除，在电机上产生的漏电流大大减小，传导干扰的主要随着共模电压的消除，在电机上产生的漏电流大大减小，传导干扰的主要成份就是逆变器产生的漏电流。此电流可以通过由共模变压器和推挽电路成份就是逆变器产生的漏电流。此电流可以通过由共模变压器和推挽电路组成的有源滤波器来进行组成的有源滤波器来进行补偿。补偿。通过通过有源滤波器向主电路注入反相电流来补偿有源滤波器向主电路注入反相电流来补偿传导电流。传导电流。与与共模电压补偿器的分析类似，通过变压器绕组归算理论把共模变压器简共模电压补偿器的分析类似，

32、通过变压器绕组归算理论把共模变压器简化为一个等效的电路化为一个等效的电路模型。模型。giCigi滤波器滤波器inRN2CMLgiNibgmi有源滤波的漏电流补偿原理图有源滤波的漏电流补偿原理图共模变压器的简化模型共模变压器的简化模型一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容29共模电流共模电流ig和推挽放大器基极电流和推挽放大器基极电流ib关系的频域表达式：关系的频域表达式：pgbssNsisi)()(CMinpLRN2如果晶体管如果晶体管T1和和T2的带宽为的带宽为b，其传递函数用一阶系统表示，可以推，其传递函数用一阶系统表示，可以推出需要注入的补偿电流出需要注入的补偿电流ic为：

33、为：)(1)(1)(00sisssNsissigpbbbC注入电网的传导电流注入电网的传导电流ig是滤波器注入电流是滤波器注入电流ic和和PWM系统漏电流系统漏电流ig的和，的和，由此可以整理出由此可以整理出ig和和ig的关系也就是有源滤波器的插入损耗：的关系也就是有源滤波器的插入损耗：pbbppbggssNsssisi20)1)1(1)1)(1 ()()(上式表明了有源滤波的补偿效果也即插入损耗。假设所有元件都是理上式表明了有源滤波的补偿效果也即插入损耗。假设所有元件都是理想的，上述方程可以变成：想的，上述方程可以变成：01 (1)ggiiN一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼

34、容30参数设计过程：参数设计过程： 在在设计补偿滤波器的过程中，电流补偿部分要仔细选取和设计适当参数设计补偿滤波器的过程中，电流补偿部分要仔细选取和设计适当参数的晶体管和共模变压器，尤其是晶体管，要求宽频带、高增益和低损耗的晶体管和共模变压器，尤其是晶体管，要求宽频带、高增益和低损耗。 另外另外，要从电流检测共模变压器的结构工艺上采取措施，尽量减小绕组，要从电流检测共模变压器的结构工艺上采取措施，尽量减小绕组中的杂散电容。根据经验，漏电流检测共模变压器的变比一般取中的杂散电容。根据经验，漏电流检测共模变压器的变比一般取10效果效果比较好比较好。 共模电压滤波器中的共模电压检测阻抗共模电压滤波器

35、中的共模电压检测阻抗Z0采用电阻和电容串联以避免谐采用电阻和电容串联以避免谐振。假设电阻为振。假设电阻为RZ0，电容为，电容为CZ0，则：则：1)3 (133)(002020020212sCRsCLsCRsCMLsILZZZZZZ一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容31 在共模电压的抑制方法的设计过程中，需要使其插入损耗的传递函数在共模电压的抑制方法的设计过程中，需要使其插入损耗的传递函数IL(s)具有低通特性，因此由上式可得：具有低通特性，因此由上式可得：0332ML12LLn 由于逆变器产生的共模电压其主要频率都集中在开关频率及其整数倍上。由于逆变器产生的共模电压其主要频率

36、都集中在开关频率及其整数倍上。因而共模电压滤波器的谐振频率必须远小于逆变器的开关频率因而共模电压滤波器的谐振频率必须远小于逆变器的开关频率。可。可得其得其谐振频率为：谐振频率为： L1和和L2之间的关系用下式表示：之间的关系用下式表示：sZfCLf2)3(12200 根据经验与实验，取根据经验与实验，取Cz=180pF。其电感电阻可用下式计算：。其电感电阻可用下式计算：22)2()3(1sZfCL221nLL ZZCLR2)3(2为了减小晶体管承受电压的值，检测电路对共模电压的检测比例取为为了减小晶体管承受电压的值，检测电路对共模电压的检测比例取为1:4，即，即=Z0/Z1=9。一体化电机系统

37、中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容32研究目的：研究目的：针对针对PWM电机驱动系统所存在的传导干扰发射问题，通过对电机驱动系统所存在的传导干扰发射问题，通过对传导电磁干扰传播途径的研究，提出一种新的无源滤波器拓扑，传导电磁干扰传播途径的研究，提出一种新的无源滤波器拓扑，实现对共模电压的抑制，减小轴电压；并使系统达到电磁兼容实现对共模电压的抑制，减小轴电压；并使系统达到电磁兼容标准。标准。 一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容33IEC61800-3标准的传导干扰限值曲线图示标准的传导干扰限值曲线图示(Ureq,CM) dB =(UCM)dB-(Ulimit)dB(Ureq

38、,DM) dB =(UDM)dB-(Ulimit)dB 需要衰减的共模信号频谱图需要衰减的共模信号频谱图需要衰减的差模信号频谱图需要衰减的差模信号频谱图差模干扰预测的频谱图差模干扰预测的频谱图共模干扰预测的频谱图共模干扰预测的频谱图一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容34回路回路1：逆变器：逆变器电缆电缆电机寄生电容电机寄生电容电机地线电机地线系统地线系统地线主电源主电源整流器整流器逆变器逆变器回路回路2：逆变器：逆变器电缆电缆电机寄生电容电机寄生电容电机地线电机地线散热片地线散热片地线散热片散热片器件寄生电容器件寄生电容 逆变器逆变器回路回路3：逆变器：逆变器器件寄生电容器件

39、寄生电容散热片散热片散热片地线散热片地线系统地线系统地线主电源主电源整流器整流器逆逆 变器变器 uPWM驱动电机系统共模驱动电机系统共模EMI的传播路径的传播路径 插入滤波器前共模等效电路插入滤波器前共模等效电路一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容35u新的无源滤波器拓扑新的无源滤波器拓扑当该无源滤波器连接时系统的结构当该无源滤波器连接时系统的结构 本文提出的无源滤波器拓扑需要与未接地的电机中性点之间存在着通路，它包括本文提出的无源滤波器拓扑需要与未接地的电机中性点之间存在着通路，它包括了了2个共模滤波器和个共模滤波器和1个差模滤波器。个差模滤波器。 一体化电机系统中的电磁兼容

40、一体化电机系统中的电磁兼容36 差差模模滤滤波波器器的的设设计计 差模等效电路差模等效电路 3 210000538 2 222dLrVLxiLmH差模滤波器的谐振频率由差模干扰预测频谱获得，谐振频率为差模滤波器的谐振频率由差模干扰预测频谱获得，谐振频率为1.8kHz，L值值的计算：的计算： 当载波频率在当载波频率在10kHz时，可以看出时，可以看出3L/2远大于远大于3/(2C) ， 所以电流的幅值所以电流的幅值是由电感而不是电容决定的。是由电感而不是电容决定的。 取电感取电感L值为值为2.1mH，计算得电容值，计算得电容值C为为3.7F。 差差模滤波器参数设计模滤波器参数设计 一体化电机系统

41、中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容37 共模滤波器的设计 插入滤波器结构后共模等效电路插入滤波器结构后共模等效电路 回路回路4：逆变器：逆变器共模电感共模电感(LCM1) 差模滤波器差模滤波器(L/3, 3C) 直流导线直流导线逆变器逆变器回路回路5：逆变器：逆变器器件寄生电容器件寄生电容散热片散热片散热片地线散热片地线电机地线电机地线电机中线电机中线(RCM2 和和 3CCM2) 共模电感共模电感(LCM2) 逆变器逆变器回路回路6：逆变器：逆变器共模电感共模电感(LCM1) 差模电感差模电感 L/3 电缆电缆电机中线电机中线(RCM2和和 3CCM2) 共模电感共模电感(LCM2) 逆

42、变器逆变器 一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容38 共模电感的参数设计和构造：在共模电感的参数设计和构造：在40Hz时取电感的最大磁通密度时取电感的最大磁通密度0.8T，是饱和，是饱和 磁通密度的磁通密度的2/3。共模滤波器的谐振频率由共模干扰预测频谱获得，共模滤波。共模滤波器的谐振频率由共模干扰预测频谱获得，共模滤波电路的谐振频率为电路的谐振频率为1.5kHz，考虑到实际情况，根据经验将，考虑到实际情况，根据经验将CCM1的电容值定为的电容值定为470nF的典型值。的典型值。 由下式由下式 12CMCMfLC 取取LCM1 为为25mH， Rp的特征阻抗为的特征阻抗为210

43、 时，时，R CM1 定为定为20。 最后，最后，RCM2, L1 和和 CCM2 分别定为分别定为 100 , 300 H 和和 47 nF。 一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容39u 仿真结果仿真结果与分析与分析加入滤波器加入滤波器 轴电压时域波形轴电压时域波形 不加入不加入滤波器滤波器共模电压时域波形共模电压时域波形 传导电磁干扰频谱对比图传导电磁干扰频谱对比图 一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容40搭建实验平台，系统具体参数如下：搭建实验平台，系统具体参数如下：IPM型号为型号为PS21867(30A/600V)；逆变；逆变桥开关频率为桥开关频率为1

44、0kHz，调制比，调制比a=0.8；感应电机型号为；感应电机型号为J02-32-2，额定功率为，额定功率为4KW，额定电压为，额定电压为380V，额定频率为，额定频率为50Hz，额定转速为，额定转速为2882转转/分；整流分；整流桥型号为桥型号为MDS30A/1600V。 计算得出滤波器拓扑的最终参数：计算得出滤波器拓扑的最终参数：L=2.1mH；C=3.7F。LCM1 =25mH， Rp=210 ，RCM1 =20 ，CCM1=470nFRCM2 =100 ，LCM2= 300 H， CCM2= 47 nF。u实验结果与分析实验结果与分析 在传导在传导EMI测量中，测量中，LISN是必不可少

45、的测量仪器。是必不可少的测量仪器。 通过接收机通过接收机ER55CR(本文采用的接收机为意大利本文采用的接收机为意大利AFJ公司生产的公司生产的ER55CR型号型号)测得的传导电磁干扰频谱，按照系统应遵守标准测得的传导电磁干扰频谱，按照系统应遵守标准EN55011规定的干扰规定的干扰发射限值。发射限值。 一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容41不接滤波器时的共模电压不接滤波器时的共模电压(A)和轴电压和轴电压(B) 传导电磁干扰传导电磁干扰(无滤波器无滤波器) 共模电压共模电压(A)和轴电压和轴电压(B)(带有无源带有无源电磁干扰滤波器电磁干扰滤波器)传导电磁干扰传导电磁干扰(

46、带有无源电磁干带有无源电磁干扰滤波器扰滤波器) 一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容42测量结果可知，测量结果可知， 共模电压和轴电压几乎都被抑制掉了，轴电压减小到了共模电压和轴电压几乎都被抑制掉了，轴电压减小到了 100 mV，这将不会对电机造成永久性的损害。，这将不会对电机造成永久性的损害。 接入滤波器后通过接入滤波器后通过LISN测得的传导测得的传导EMI干扰频谱可见，传干扰频谱可见，传导干扰频段范围内干扰信号幅值均在电磁兼容标准导干扰频段范围内干扰信号幅值均在电磁兼容标准EN55011规定的范围内，即使在干扰最强的频点，其干扰发射也比规规定的范围内，即使在干扰最强的频点

47、，其干扰发射也比规定的标准要低定的标准要低10 dB以上。以上。 一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容4343主要设备主要设备1. 全全功能电脑型耐受性测试器功能电脑型耐受性测试器TRANSIENT-2000 2. 射频信号发生器、功率放大器、天线射频信号发生器、功率放大器、天线3. 接收机、接收机、LISN4. 阻抗分析仪阻抗分析仪4395A一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容44441.全全功能电脑型耐受性测试器功能电脑型耐受性测试器TRANSIENT-2000 传导干扰抗扰度测试设备：满足传导干扰抗扰度测试设备：满足GB/T17626-1998系列系列一体

48、化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容4545一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容4646三相耦合三相耦合/去耦合网络去耦合网络CDN 2000-04-32耦合耦合/ /去耦合电路具有以下几项功能：去耦合电路具有以下几项功能：耦合电路应当能使由发生器产生的瞬态在受试设备的电源或控制端子上耦合电路应当能使由发生器产生的瞬态在受试设备的电源或控制端子上传输，并且能隔离工频或信号电压对发生器的反向影响（应记住在抗扰度试传输，并且能隔离工频或信号电压对发生器的反向影响（应记住在抗扰度试验期间受试设备应处于正常工作状态）；验期间受试设备应处于正常工作状态）；去耦电路（反向滤波器

49、）的功能是防止注入的瞬态进入与受试设备端子去耦电路（反向滤波器）的功能是防止注入的瞬态进入与受试设备端子相连的网络中，一方面是为了限止只对受试设备进行试验及保护不被试验的相连的网络中，一方面是为了限止只对受试设备进行试验及保护不被试验的元件；另一方面是为了避免网络阻抗对瞬态波形和幅值的影响。去耦电路一元件；另一方面是为了避免网络阻抗对瞬态波形和幅值的影响。去耦电路一般用于实验室试验，而可以不用于现场试验。般用于实验室试验，而可以不用于现场试验。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容4747静电放电测试（静电放电测试（ESD: electrostatic discharge）GB/

50、T17626.2-1998 静电放电静电放电 electrostatic discharge, ESD具有不同静电电位的物体相互靠近或直接接触引起的电荷转移具有不同静电电位的物体相互靠近或直接接触引起的电荷转移。 接触接触放电方法放电方法 contact discharge method试验发生器的电极保持与受试设备的接触并由发生器内的放电开关激励发电试验发生器的电极保持与受试设备的接触并由发生器内的放电开关激励发电的一种试验方法的一种试验方法。 空气放电方法空气放电方法 air discharge method将试验发生器的充电电极靠近受试设备并由火花对受试设备激励放电的一种将试验发生器的充

51、电电极靠近受试设备并由火花对受试设备激励放电的一种试验方法试验方法。 直接放电直接放电 direct application直接对受试设备实施放电直接对受试设备实施放电。 间接放电间接放电 indirect application对对受试设备附近的耦合板实施放电，以模拟人员对受试设备附近的物体放电。受试设备附近的耦合板实施放电，以模拟人员对受试设备附近的物体放电。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容4848试验等级试验等级一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容4949静电枪静电枪 圆头：空气放电圆头：空气放电尖头：接触放电尖头：接触放电一体化电机系统中的电磁兼容一

52、体化电机系统中的电磁兼容5050电快速瞬变脉冲群（电快速瞬变脉冲群（EFT）：）：burst TRANSIENT-2000GB/T17626.4-1998工业测量和控制设备工业测量和控制设备(继电器、电流接触器等继电器、电流接触器等)通常与传统控制单元一起工作，通常与传统控制单元一起工作，如荧光灯、镇流器、半自动咖啡研磨机、吸尘器、演示机组、电吹风、普通如荧光灯、镇流器、半自动咖啡研磨机、吸尘器、演示机组、电吹风、普通发动机等在任何电源系统中，在开关机转换时，所有这些设备主要会产生干发动机等在任何电源系统中，在开关机转换时，所有这些设备主要会产生干扰感应电、脉冲波形如下图所示：扰感应电、脉冲波

53、形如下图所示： 重复性快速瞬变试验是一种将由许多快速瞬变脉冲组成的脉冲群耦合到电气和电重复性快速瞬变试验是一种将由许多快速瞬变脉冲组成的脉冲群耦合到电气和电子设备的电源端口、信号和控制端口的试验。试验的要点是瞬变的短上升时间、子设备的电源端口、信号和控制端口的试验。试验的要点是瞬变的短上升时间、重复率和低能量。重复率和低能量。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容5151 EFT/B electrical fast transient/burst电快速瞬变脉冲群。电快速瞬变脉冲群。 耦合耦合 coupling线路间的相互作用，将能量从一个线路传送到另一个线路。线路间的相互作用，将

54、能量从一个线路传送到另一个线路。 耦合网络耦合网络 coupling network用于将能量从一个线路传送到另一个线路的电路。用于将能量从一个线路传送到另一个线路的电路。 去耦网络去耦网络 decoupling network用于防止施加到受试设备上的电快速瞬变电压影响其他不被试验的装置、设备或用于防止施加到受试设备上的电快速瞬变电压影响其他不被试验的装置、设备或系统的电路。系统的电路。 耦合夹耦合夹 coupling clamp在受试线路没有任何电连接的情况下，以共模形式将干扰信号耦合到受试线路的、在受试线路没有任何电连接的情况下，以共模形式将干扰信号耦合到受试线路的、具有规定尺寸和特性的

55、一种装置。具有规定尺寸和特性的一种装置。 接地（参考）平面接地（参考）平面 ground (reference) plane一块导电平面，其电位用作公共参考电位。一块导电平面，其电位用作公共参考电位。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容5252试验等级试验等级一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容5353插入：容性耦合夹插入：容性耦合夹 耦合夹能在与受试设备各端口的端子、电缆屏蔽层或受试设备的任何其他耦合夹能在与受试设备各端口的端子、电缆屏蔽层或受试设备的任何其他部分无任何电连接的情况下把快速瞬变脉冲群耦合到受试线路上部分无任何电连接的情况下把快速瞬变脉冲群耦合到

56、受试线路上。 耦合夹的耦合电容取决于电缆的直径、材料和屏蔽（如果存在）耦合夹的耦合电容取决于电缆的直径、材料和屏蔽（如果存在）。 该装置由盖住受试线路电缆（扁平型或圆形）的夹板（用镀锌钢、黄铜、该装置由盖住受试线路电缆（扁平型或圆形）的夹板（用镀锌钢、黄铜、铜或铝板制成）组成，并且应放置在面积最小为铜或铝板制成）组成，并且应放置在面积最小为1m2的接地平面上。接地的接地平面上。接地参考平面的周边至少应超出耦合夹参考平面的周边至少应超出耦合夹0.1m。 耦合夹的两端应具有高压同轴接头，其任一端均与试验发生器连接。发生耦合夹的两端应具有高压同轴接头，其任一端均与试验发生器连接。发生器应接到耦合夹最

57、接近受试设备的那一端器应接到耦合夹最接近受试设备的那一端。 耦合夹本身应尽可能地合拢，以提供电缆和耦合夹之间最大的耦合电容耦合夹本身应尽可能地合拢，以提供电缆和耦合夹之间最大的耦合电容。 验收试验要求采取使用耦合夹的耦合方式：耦合夹被设计用于连接到输入验收试验要求采取使用耦合夹的耦合方式：耦合夹被设计用于连接到输入/输出端口和通讯端口的线路。交直流电源端口在不能使用耦合输出端口和通讯端口的线路。交直流电源端口在不能使用耦合/去耦网络去耦网络时，也可以使用耦合夹。也可按照产品标准采用其他耦合方式（如：耦合时，也可以使用耦合夹。也可按照产品标准采用其他耦合方式（如：耦合/去耦网络）。去耦网络）。一

58、体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容5454规定尺寸和特性：规定尺寸和特性：特性参数：特性参数：电缆与耦合夹之间典型的耦合电缆与耦合夹之间典型的耦合电容：电容：50pF200pF；圆电缆可用的直径范围：圆电缆可用的直径范围：4mm40mm；绝缘耐受能力：绝缘耐受能力：5kV（试验脉冲：（试验脉冲：1.2/50s）。）。警告：耦合段与其他所有导电结构（受试电缆和接地平面除外）的间距应大于警告：耦合段与其他所有导电结构（受试电缆和接地平面除外）的间距应大于0.5m。容性耦合夹的结构容性耦合夹的结构一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容5555雷击浪涌测试（雷击浪涌测试（

59、SURGE）：）：CNG TRANSIENT-2000GB/T17626.5-1998 雷电瞬变雷电瞬变雷电产生浪涌（冲击）电压的主要原理如下：雷电产生浪涌（冲击）电压的主要原理如下：a)直接雷击于外部电路（户外），注入的大电流流过接地电阻或外部电路阻抗而直接雷击于外部电路（户外），注入的大电流流过接地电阻或外部电路阻抗而产生电压；产生电压；b)在建筑物内、外导体上产生感应电压和电流的间接雷击（即云层之间或云层中在建筑物内、外导体上产生感应电压和电流的间接雷击（即云层之间或云层中的雷击或击于附近物体的雷击，这种雷击产生电磁场）；的雷击或击于附近物体的雷击，这种雷击产生电磁场）；c)附近直接对地

60、放电的雷电人地电流耦合到设备组接地系统的公共接地路径附近直接对地放电的雷电人地电流耦合到设备组接地系统的公共接地路径。 浪涌（冲击）浪涌（冲击）surge沿线路传送的电流、电压或功率的瞬态波。其特性是先快速上升后缓慢下降。沿线路传送的电流、电压或功率的瞬态波。其特性是先快速上升后缓慢下降。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容5656试验等级试验等级优先选择的试验等级范围如表所示。优先选择的试验等级范围如表所示。试验等级应根据安装情况来选择；试验等级应根据安装情况来选择；较低的试验等级也应得到满足；较低的试验等级也应得到满足；对不同界面的试验等级的选择。对不同界面的试验等级的选择