测量和减少PWM逆变器馈电交流电机驱动系统辐射的EMI
聪小笠原（IEEE成员），秀树绫乃，博文赤城（IEEE研究员，冈山大学）
3-1-1 对马中，冈山，700，日本
摘要：本文介绍了辐射电磁噪声与共模和正常电流之间的理论和实验关系，注意由电压源PWM逆变器馈送的感应电动机驱动系统。 基于等效模型提出了一种减小电流的方法，该等效模型考虑了感应电动机内部的寄生杂散电容器。 实际测量由3.7kW感应电机驱动系统辐射的电磁干扰（EMI），符合VDE 0871 Class A [3m]。 实验结果验证了本文提出的已提出的共模变压器和正常模式滤波器的组合是减少由共模和正常模式电流引起的EM1的实际可行和有效的方法。
- 简介
像IGBT这样的高速开关器件的进步使得我们能够增加电源PWM逆变器的载波频率，从而导致更好的操作特性。 然而，高速开关可伴随以下由步进电压/电流变化引起的严重问题：
- 接地电流通过马达内部的杂散电容器逃逸到地球[1][2]
- 传导和辐射EMI [3]-[5]
- 轴承电流和轴电压[6][7]
- 缩短电机和变压器的绝缘寿命[8]-[11]
由高速开关引起的阶跃电压/电流变化在每个时刻产生高频振荡共模和正常模式电流开关，因为寄生杂散电容器不可避免地存在于交流电动机内部。 频率范围为100kHz至几MHz的振荡电流可以产生磁场，并且在整个辐射中产生电磁干扰（EMI）噪声。 因此对诸如AM无线电接收器和医疗设备的电子设备具有不良影响。 然而，关于电力电子设备辐射的EM1噪声的文献报道很少。
本文介绍辐射EMI噪声与高频振荡共模和正常模式电流之间的理论和实验关系，注意由电压源PWM逆变器馈电的感应电动机驱动系统。 提出了一种减小两个电流的方法。 基于将感应电动机内部的寄生杂散电容考虑在内的电动机模型。 共模电流振荡可以由作者[2]提出的共模变压器完全衰减，而正常模式电流振荡可以通过本文提出的正常模式滤波器来衰减。 由3.7kW感应电机驱动系统辐射的EMI实际上是测量的，符合VDE 0871 Class A [3m]。 实验结果验证了共模变压器和正常模式滤波器的组合是减少由共模和正常模式电流引起的EMI的实际可行和有效的方式。
表I
测试的逆变器和电感电机额定值。
输入电压 34 200 V
额定电流 21.0 A
最大电流 52.0 A
调制方案 正弦PWM
载波频率 2.4 kHz
额定输出 3.7 kW
额定转矩 23.5 Nm
最大扭矩 70.6 Nm
电机转速1500/2000r/min
实验结果验证了共模变压器和正常模式滤波器的组合是减少由共模和正常模式电流引起的EMI的实际可行和有效的方式。
- 系统配置
图1示出了实验系统的配置。3.7kW的感应电动机由电压源PWM逆变器通过三根馈电线驱动。电机框架通过接地线连接到虚拟接地点。使用10m长的5.5mm2宽的铜线作为每个馈电线和接地线。表I显示了测试的变频器和感应电动机额定值。
共模变压器和三个正常模式滤波器连接到变频器输出端子。共模变压器与传统的共模扼流圈相同，只是增加了由Rt的电阻短路的次级绕组。用于阻尼共模电流振荡[2]。每个正常模式滤波器由Lf的电感器和Rf的电阻器的并联组成。用于衰减正常模式电流振荡。共模电流在Rt的电阻中消耗少量的有功功率。而正常模式电流在Rf的电阻器中消耗可忽略量的有功功率。
引入虚拟接地点以避免开关板上的接地端子与实际接地点之间的内部阻抗的影响[2]。三个电容器的电容值远大于电机中的杂散电容，连接到二极管整流器的三相交流端子：接地线连接到三个电容器的中性点，其被假设为虚拟接地点 。 在实验系统中。 3pF的电容用于提供虚拟接地点。
- 共模和正常模式电流
图2示出了考虑电动机内部的杂散电容器的电动机模型1 [2]。 在电动机模型中，杂散电容器由三个电容器表示。 定子绕组和电动机框架之间的杂散电容器具有比两个定子绕组之间的电容大的电容，因为定子绕组嵌入定子芯的槽中。 因此，两个定子绕组之间的任何杂散电容器是可忽略的。 这里，e表示变频器和电动机端子之间的各供电线的线电感。
此外，图2对应于这样的情况，即当其它两相保持连接到较低电位时，从直流链路电压的较低电位到较高电位的切换。 注意，GND端子连接到较低电位，基于以下假设：
- 二极管整流器的高频共模阻抗可以忽略不计。
- 接地线和馈电线具有具有相同电感值的线路电感器。
在开关之后，Ed的直流链路电压仅施加到u相端子，因此增加Ed/3的共模电压。一旦在逆变器的一个相中发生开关，则可以流过共模电流和正常模式电流，如图2所示，其分别由实线和虚线描绘。共模电流也称为零序电流或接地电流通过寄生电容逃逸到接地线。正常模式电流从一个相位流动：其中发生开关！到其他两个阶段。
与图2中实线所示的共模电流有关的电感和电容分别为Lc=3/4l和Cc = 3c。另一方面，如虚线所示的正常模式电流的电路回路具有电感Ln=3/2l和电容Cn=2/3c。表II总结了与共模和正常模式电流有关的电路参数。电压比。特性阻抗和谐振频率可以计算为1/3; 4/9和1/2。这意味着正常模式电流具有共模电流的四分之三倍的振幅，并且具有是共模电流的两倍的振荡频率。
- 共模转换
图3示出了当在PWM逆变器的相中发生切换时，通过接地线逸出的共模电流或接地电流的实际测量波形。 图3中没有连接共模变压器和正常模式滤波器。 共模电流的不可忽略的量流过杂散电容器，其在具有750kHz的振荡频率的峰值为1.5A，在额定电动机电流21.0A下。
图4示出了用于形成LCR串联谐振电路的共模电流的等效电路。 一相中的开关导致共模电压的阶跃变化为直流链路电压的1/3。 考虑到逆变器输出电压中的340ns的上升时间，电路参数从图3所示的实验波形估计。
为了减小共模电流，由参考文献[2]中提出的共模变压器连接到逆变器输出端子。 共模变压器与传统的共模扼流圈相同，只是增加了紧耦合的次级绕组。 其端子通过电阻器短路。 虽然在三相供电线中流动的共模电流在铁氧体磁芯中产生磁通，但是除了它以外的逆变器输出电流不产生磁通。 因此，共模变压器仅用于共模电流，即接地电流，作为阻尼电阻器。
根据已经提出的设计方法[2]，为实验系统设计和构建了一个原型共模变压器。 图5显示了共模变压器的照片。 0.5W的阻尼电阻器连接到次级绕组端子，因为在电阻器中将消耗可忽略的功率量。 图6示出了在连接公共模式变压器（CMT）的情况下的共模电流的等效电路。 由于其漏感可忽略不计，所以共模变压器由与阻尼电阻并联连接的磁化电感表示。 电感和电阻值分别决定为6.4mH和510Omega;。
图7示出了在连接公共模式变压器的情况下的共模电流的实际测量波形。 比较图7和图3得出的结论是共模电流的峰值减小到1/8。 而且通过共模变压器实现共模电流振荡的完美阻尼。
- 正常模式滤波器
图8示出了在相应相位中发生切换的瞬间的逆变器输出电流的测量波形。 不可忽略的正常模式电流的量与图3所示的共模电流的1/3一起叠加在电动机电流上。 逆变器输出电流中的振荡分量或正常模式电流的峰值为2A，振荡频率为1.5MHz。因此，正常模式电流不仅可能导致EM1，还会导致电机端子的振铃和过电压。将正常模式电流振荡与共模电流振荡进行比较导致峰值和振荡频率比分别为4/3和2的事实。实验结果与表11所示的分析结果一致。
图9示出了用于正常模式电流的等效电路，其形成LCR串联谐振电路。 一相中的开关导致正常模式电压由于直流连接电压的阶跃变化。 类似于共模等效电路中的电路参数，考虑到逆变器输出电压中的340ns的时间，从图8中所示的实验波形估计出图9中的电路参数。
这些电路值与图4中的电路值进行比较。 电感比Lc/Ln=0.94和电容比Cc/Cn=.3也分别近似表11中所示的8/9和9/2。 这验证了图2的电动机模型能够处理共模电流和正常模式电流。
为了衰减正常模式电流振荡，必须将电阻器与正常模式电流环串联插入。 然而，电阻器的串联插入导致大量功率的消耗，不仅导致高频振荡电流，即正常模式电流，而且还导致非振荡电动机电流流过电阻器。 在变频器和电动机端子之间连接有由电阻和电感器构成的三个正常模式的滤波器，只有高频振荡电流流过电阻器，除此之外的逆变器输出电流流过 电感。 这证明用于阻尼正常模式电流振荡的电阻器的串联插入是合理的。
图10示出了包括正常模式滤波器的正常模式等效电路。 正常模式等效电路的形式与图6所示的公共模式等效电路的形式完全相同。 这表明共模变压器[2]的设计方法适用于正常模式滤波器。
要抑制正常模式电流振荡，应满足以下条件。
因此，正常模式滤波器电感决定为133uH，因为Lf应大于.图11显示了在正常模式滤波器中使用的实际电感。 100Omega;的电阻器并联连接到电感器。计算正常模式滤波器的截止频率通过公式
正常模式滤波器在比截止频率高得多的频率范围内用作100Omega;的电阻器，而在低得多的频率范围内，它用作133mu;H的电感器。
图12示出了在连接正常模式滤波器的情况下逆变器输出电流的实验波形。 正常模式电流的峰值减小到1A，正常模式电流振荡被正常模式滤波器完全衰减。
- EMI的测量
图13示出了在半消声室中执行的EMI测量的示意图。 除了感应电动机之外，所有驱动系统设备被放置在室下方的基底上，以便仅测量由在接地线中流动的高频振荡电流以及在逆变器和电动机端子之间的馈送线引起的EMI。 所有电线沿1m * 1m的木架固定。 基于四种不同的布线方式进行测量;
A.使三根馈线和接地线成一束，
B.对于从馈电线分离的地线，以形成不可忽略的电路回路，
C.对于故意错误的有线u相馈线形成不可忽略的电路回路，
D.使用屏蔽三芯电缆，其屏蔽导体用作接地线。
图14显示了用于实验和测量的感应电动机和木制框架。 电机放在一张木桌上。 在布线A中，馈线和接地线沿着木制框架的上侧和右侧固定在一起。 在接线B或C; 接地线或u相馈电线沿框架的左侧和下侧固定，从而形成电路回路。 在布线D中，用作接地线的屏蔽导体连接在电动机框架和虚拟接地点之间。
图15示出了没有共模变压器和正常模式滤波器的布线4中辐射EMI的测量结果。 虽然共模电流和正常模式电流在一起，但辐射EMI不会超过极限值。 辐射是可忽略的，因为由电流产生的磁场彼此抵消。
图16示出了在布线B中，没有共模变压器和正常模式滤波器。 布线B对应于通常的布线条件，即三相馈送导线构成束，而马达框架通过与束“分离”的接地导线连接到接地端子。 因此，流入由馈线和接地线形成的电路回路中的每相共模电流可以辐射EMI。 然而，正常模式电流难以辐射EMI，尽管其在馈送线中流动。 图16得出结论，在150kHz至1MHz范围内的EMI超过极限值15dB。
图17示出了在布线C中，没有共模变压器和正常模式滤波器。 u相线中的共模电流和正常模式电流流动，其中u相共模电流等于接地电流的1/3。 因此，由150kHz至1MHz范围内的共模电流产生的EMI比图16的EMI小约10dB。 由正常模式电流产生的EMI在1.5MHz处具有峰值，并且峰值超过极限值15dB。 峰值频率与图9所示的正常模式等效电路的谐振频率一致。 上述三个图中所示的测量结果表明共模和正常电流都可以辐射EMI。 然而，最小化由馈电和/或接地线形成的环路面积对于减小辐射EMI是有效的。
图18显示了没有共模变压器和正常模式滤波器的布线D中的EMI的测量结果。 结果表明，使用屏蔽三芯电缆在抑制辐射EMI方面更有效。 注意，屏蔽电缆在每个内部电线和屏蔽导体之间趋向于具有较高的电容。
图19示出了布线B中的EMI，其中共模变压器和正常模式滤波器。 与图16相比，150kHz至1MHz范围内的EMI降低了20dB，因为共模变压器可以抑制共模电流振荡，如图7所示。 在这种情况下，EMI被抑制在极限值内。
图20示出了在布线C中，具有共模变压器和正常模式滤波器。 图17中1.5MHz处的峰值完全消失，因为图12所示的正常模式滤波器具有极好的衰减效果。
- 结论
这个调节器已经讨论了辐射的EMI和感应电动机内部的杂散电容器中流过的高频振荡电流之间的理论和实验关系。 实验结果得出以下结论：
- 图2中描述的电机模型能够处理共模电流和正常模式电流。
- 用于共模电流或正常模式电流的等效电路由LCR串联谐振电路表示。
- 在变频器和电机端子之间连接共模变压器和正常模式滤波器是一种实际可行的和有效的方式，不仅阻尼共模和正常模式电流振荡，而且减少由电流辐射的EMI 振荡。
- 屏蔽三芯电缆的使用在减小辐射EMI方面比由馈电线和成形线形成的环路面积的最小化更有效，但振荡电流从逆变器端子流出。
共模变压器和正常模式滤波器将有望解决其他问题，如传导EMI，绝缘寿命和轴承电流。
参考文献
[1]《高频逆变器馈电感应电机的泄漏电流降低》，Y.村井、T.久保田、Y.川濑,IEEE Trance,工业应用，28栏第4号，pp.858-8163,1994年4/8月
[2
全文共5893字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[142658]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
