无需线路阻抗稳定网络的PWM电机驱动系统运行的电磁干扰测量
摘要—： 本文提出了一种进行脉冲宽调制（PWM）逆变器感应电动机驱动系统产生的电磁干扰的测量技术，该方法不需要人工线路阻抗稳定网络(LISN)并且在LISN运行时可以计算干扰水平.。当一个LISN无效,条件苛刻并无法实现的情况下测试也可以被执行 。这通常是大型驱动系统或已经安装在现场的系统的情况下。基于逆变器开关情况可以用一个正常的RF电压探头和频谱分析仪来测量共模和差模激励源的光谱特性. 高频线路电感（HF)一些测试需要隔离,但成本和复杂性都比线路阻抗稳定网络低. 共模和差模等效电路，然后从测量阻抗。任何给定阻抗 (including an LISN) 的干扰都可以被确定。 15 W PWM驱动系统的实验室试验进行了验证的准确性和有效性的建议法。
关键词 — 传导干扰，电磁兼容，功率转换器，变速驱动器。
I.介绍
交流变速传动系统产生的电磁干扰在工业上越来越受到关注. 过滤是达到要求的一般方法，但在调控要求下给产品和产品开发增加相当大的成本。为了达到国际标准或者合适的过滤以及确定抑制技术，在频率范围高达30 MHz 下的一般的测试需要识别系统的噪音来源。 标准的测量需要线路阻抗稳定网络 (LISN)来驱动. LISN的作用是为了从电力供给中隔离驱动 (在高频率时)还有提供了一种通过串联固定阻抗(例如，50电阻)测量分流射频电流的传导干扰手段. 然而就像下面讨论的, 在某些情况下能够测量不使用 LISN的驱动系统传导干扰。 对于100 K以上大型传动系统来说, 类似级别的LISN是非常昂贵的. 依据干扰等级来考虑它控制在满负荷状态的驱动系统从而排除使用低等级LISN是必需的. 驱动器制造商并不希望投资给专业的电磁兼容(EMC)检测设施就像LISN , 可获得关于系统性能的信息可用的工具特别有用 [2]. 在驱动调试时 包含提供LISN 也许是不可实现的LISN-free测量也是很有用的 . 在某些情况下, 由于其对系统性能的影响t，LISN一般是不使用的。举个例子, LISN可以影响整流器Manuscript 收到 .这项工作是通过产业合作伙伴的支持and LINK PEDDS 项目中的EPSRC，Grant GR/K40932“电力电子变换器和驱动的电磁兼容”.整流[3] and 显著改变驱动的干扰信号 (对于直流驱动器是对的). 在这种情况下, 它对于测量不使用LISN的驱动非常有用. 其中的一些困难是可以通过使用电压探头来测量克服的 [1] 而这种方法需要在高压下使用. 然而，这种描述的方法允许干扰要预测给定的的电源阻抗. 因此,有用的有效性进行评估所提出的过滤策略也可用于EMI测试. 没有以前研究对这一问题进行汇报. 虽然可以使用数值模型预测驱动系统的干扰, 可达到的精度 总是有限的所以需要简化的表示复杂的现象[ 4 ]，[ 5 ]。例如, 很难模拟变频器内部的开关过程的全部细节，而这是重要的干扰水平测定. 系统中的杂散参数分布与高频特性的各种组件包括感应电机，电缆，和连接到电力电子平台的辅助电路中很少是已知准确的。 建模技术可以确定的一些参数，但必需用非常复杂的工具，所以这样一个复杂系统是会很快就变得迟钝，因此, ，为了验证模拟预测数值，基于测量数据预测驱动系统的传导干扰等级的很有效的。 本文的研究假设LISN特性是明确的，因此，可以解析模拟. 基于戴维宁定理, 电压探针用于测量驱动常见的和差模来源, 这是从动力供应直接供给 . 驱动戴维南阻抗是测量线下考虑逆变器的传导模式. 由于供应系统有害的影响最小化，根据模式通过建立测试系统. 从这些测量数据来看,LISN存在时传导干扰等级可以测出 . 计算结果, 因此,通常参考使用LISN的标准体系配置 因此，实验可重复的。 戴维南表示允许过滤策略的效果进行预测并，这是很难提供关于不同模式的信息与传统的测试分开.比较研究是用来证实了该方法的准确性 。
II. 传导干扰图主导模式
图1 说明了一个典型的有假设有 LISN电压型直流环节的PWM逆变器感应电机驱动系统配置.虚线表示主导振荡模式，它展示的是传导干扰.从LISN看, 如果驱动器没有内部装有过滤器共模和差模是同时存在的. 共模的干扰 由逆变器切换产生的电压引发, 这是散热片/接地和直流母线之间发展而来[4], [5].这个电压的特点是每个逆变器的开关动作时有一系列锋利锯齿 . 在输出阶段之间的差模振荡 开关动作产生.直流环节电容器组寄生电感和阻抗导致这些 LISN部分的差模电流[5]. 在本文中，我们只考虑由逆变器的高频开关动作和通过控制电子提供的逆变器直流环节创造差模干扰 . 由于输入整流桥产生的差模 干扰 被认为是 在别处 [3]. 基于叠加原理, 每个模式可以单独分析.其谱是图2所示为15 K W测试驱动系统运行在40赫兹的频率输 的共模干扰可以从LISN地线被确定 . 信号电平 一般大于 40 d BцA 到10 MHz.在24兆赫的电流频谱尖峰是由于在控制板上的时钟脉冲. 相应的共模分量在LISN输出电压将34 d B大由于50 LISN阻抗. 差模干扰可以在LISN打开LISN地线导体或连接串联大电感测量它扼流圈（一般意义上是安全的）. 因此共模组件中在LISN电压抑制. 在这一过程中，它是假定系统是平衡的，共模电流不平衡,因此产生差模干扰. 测量光谱的差模LISN电压当LISN接地导体断开是图3所示.重要的干扰水平说明直流环节电容组并不能够完全限制电流输出的差模部分. 在图2,3中的光谱与LISN测量包括在测试设置中. 本研究的目的是开发一种方法，这些干扰特性可以在没有驱动系统LISN是从测量数据重建并直接连接到公用电力系统. 假设在LISN特性是明确的,这是可以实现的， 驱动系统可以减少到一个戴维南等效借给每个模式在图4所示。虽然真正的LISN常见的差模干扰计算假设每个阶段的主要可以通过50п阻抗代表 . 阻抗可以用于更准确. 对于共模，主要的两个阶段同时出现，因为它是假定的输入整流桥二极管随时进行。为差模LISN，两阶段中出现的系列为同样的原因. 还必须考虑的事实是由于二极管桥每个输入阶段只是动作最多每240度. 非连续导通的二极管导通时间会更短，240度，是代表最坏的情况下，因此，经常在计算中被使用。共模电流和差模LISN电压由下式给出
为了计算在LISN有必要结合的共模和差模效应测量总的射频电压. 由于相对相位未知所以只有可能在每个频率的增加幅度. 这给了最坏的情况并将最准确的频率在其中占主导地位的模式. 潜在的误差较大的是差不多的振幅频率. 在阻抗是嵌入的驱动和LISN之间（例如，过滤器或电缆）然后（1）和（2）可以进行修改，因此考虑到这.剩下的问题是确定测量技术使系统的驱动戴维南等效电路中可以发现. 来源 和 ，阻抗 和 的考虑是分别考虑.
III. 戴维南等效源法
由定义, EMF 在戴维南等效电路中就是该系统相应的外部开路四端电压的测量 . 对于共模, 这就要求，电源接地导体是断开的. 电压是用安装在的驱动部分的标准电压探头[ 1 ]连接直流环节和半导体设备散热器之间的测量,为了确保接地路径确实是开路, the 电压探头 应该增加一个1:1的射频变压器插入损耗小如图5所示。变压器采用的是迷你型ftb-1-6，其中有一个平坦的频率响应（1分贝以内）在10 K hz-250 MHz频率范围;变压器寄生电容是可以忽略不计，因此，这里考虑的频率. 一个这种类型的电压探头可以很容易地制作或获取商业用途. 测得的电压，则需要通过探头的衰减比例（50 / 1550或29.8 d B）假设响应是恒定的在整个频率范围内. 另外，探头可以更准确地使用阻抗分析仪校准。我们采用后一种方法. 为验证该方法的有效性，测量戴维南等效电路电压是否只依赖于驱动及其负载和独立的电源阻抗很重要. 这是研究比较在有无LISN情况下测量的共模来源, 如图6所示。虽然电源阻抗显著变化时应包括在内，但对共模来源频谱的影响几乎可以忽略不计. 这证实了测量来源只取决于驱动 和负载， 因此, 证实了戴维南等效电路. 通过已被观察到的实验，测量时的直流环节公交车的共模电压来源频谱几乎是相同的. 这是因为几乎没有共模电流流过直流环节电容.常见的模式，这两个直流母线的电位是不同的恒定电压 , 可忽略高频电磁现像进行分析. 大差模电流流过直流环节电容组不会显著影响共模干扰. 差模戴维南来源是理论上的电压测量的电容直流环节组当电源开路. 本文介绍了这样困难操作驱动显然是不可能的. 为了克服这个问题, 线电感为测试嵌入, 有效的开路电源在感性的频率，但允许驱动正常运行.这也延缓电感的电源阻抗又保证测量独立的电源特性.图7显示频谱使用电压探头测量描述早期情况. 尽管逆变器有紧凑的结构和高质量去耦元件, 这个信号的水平 说明了困难有相当一部分(特别是从EMC的角度)是现代电力设备生成的 造成的 。
IV.戴维南阻抗的测定
为共模干扰，脉冲宽度的输出的三相调制（PWM）逆变器是并行有效[ 4 ]，[ 5 ]. 在任何时候，每相连接的正或负的直流母线通过导电装置在逆变器和两个直流母线可以考虑在共分析是一个等电位共模干扰[ 4 ]，[ 5 ]. 因此，该驱动系统简化为一常数电路拓扑的基础上，系统的戴维南阻抗可以给定。 与电源断开的，安排测量共模戴维南阻抗Z是图8所示。请注意，戴维南阻抗包括输出电缆和负载. 测量进行离线和临时直流总线和输出阶段之间的联系是用来模拟连接设备在逆变器. 这些环节应尽可能的短而且，如果可行，可以直接对IGBT模块进行测量. 根据上面的论述，结合连接之间的交流和直流端子不显著影响测量. 一个阻抗分析仪进行测量. 测量Z为测试系统（包括一个10米的电机电缆）如图9所示。这清楚地表明，相对长的电机电缆产生传输线效应由于. 当一个阻抗分析仪是不可用的，Z可以使用基于组件的驱动系统[ 4 ]简化表示的数值模型的估计，[ 5 ]，但这是不理想. 感应电动机的Z共模阻抗可以从等效电路电路模型的高频率行为[ 4 ]–[ 6 ]计算. 总共模导纳 然后可以表示为[ 7 ] 在Z0和y0为共模特征阻抗和电机电缆传输参数, D为电缆长度，和C寄生是IGBT开关的散热器总寄生电容. 方程（3）允许是从图10计算，计算共模阻抗. 相对简单的测量对电机、电缆、电力设备模块[ 4 ]，[ 5 ]. 图10显示了为测试设置计算（3）. 与图9比较表明，测量阻抗一般形状再现. 由于长电缆的传输线效应对测量阻抗比数值模型所预测的更复杂. 不同的测量和计算阻抗之间一般不超过25欧姆，这意味着当计算机阻抗是用来计算在LISN侧干扰，由此产生的误差将在6 d B左右, 这是可取的，如果可能的话使用的测量阻抗，但数值模型将提供有用的结果时，一个昂贵的阻抗分析仪不可用。 它是确定的差模戴维南阻抗相对简单 . 这是对直流环节电容并联的阻抗与输出电路的阻抗反映通过逆变器的直流环节. 严格地说，这个随逆变器开关动作模式改变. 然而，任何感性的实践逆变器具有中等长度的输出电缆的外部输出电路阻抗远远大于分流直流环节阻抗在高频率的影响可以忽略 . Z DM（！）是，因此，采取简单的是并联的电容器直流环节-阻抗组，其中，又可与阻抗分析仪测量。另外，当分析仪是不存在的，它可以假设这可能与LCR电桥测量在这阻抗简化为一个恒定的电感，一个恒定的测量电感的直流是这里提出的假设的结果。
V. 实验验证
本文提出的方法用于不使用LISN测量预测干扰等级的阻抗和电压源。预测干扰等级，然而在计算假设的基础上，现在这样的结果与标准规定的EM性能有明确的试验差别条件. 因此，所提出的方法的精度可以在LISN使用的情况下通过预测干扰等级测量与验证. 图11显示了预测的LISN接地电流频谱租（代表共模干扰）连同先前图2所示的相应的测量。在COM计算, (1) 已经扩展到包括短 (1 m) 电源电缆连接LISN和驱动. 表现出良好的效应.图12显示了预测的差模干扰连同先前图3所示的测量光谱。，虽然图11测量和预测的主要接地电流比较有合理的一致但在低频端还有精度损失. 一致已大大改善了采用数值模拟模型[ 4 ]实现相比，[ 5 ]. 高阶效应如开关边缘性质复杂，包括准确的数值模拟本质上考虑在不可实现的测量方法中的杂散分量 . 如果驱动/负载系统的戴维南等效电路是已知的， 它也可以预测干扰当滤波器引入的驱动和LISN之间. 探讨这一个简单的过滤器由驱动制造提供包括实验装置。该过滤器由线路扼流圈和线–线电容器放在C的电源侧 霍克斯如图13所示。差模电流消除在LISN因为他们改道通过电容器. 该电抗器的串联阻抗也用于衰减共模电流。这种滤波器，共模电流是由所有三个LISN阶段由于线间电容，结果在高频率电路短路是有效的. 如果扼流圈是表示使用一个单一的串联电抗函数x，两线的共模扼流圈是参与路径假设在输入整流二极管导通，等效电路如图14所示。
VI.结论
不使用LISN在PWM逆变器感应电机驱动系统测量干扰是一种新的方法.驱动系统表示为一个戴维南等值, 它可以被用来预测在输入侧的干扰.共模和差模的激发源是决定在线和电力电源系统阻抗的不确定性不影响测量. 戴维南阻抗测量可以离线. 使用频谱分析仪和射频电压探头，该方法简单易行，可以包括许多复杂的模型模拟. 精度的方法是使用一个15介电测量W测试驱动系统验证. 预测的传导发射等级可以计算如果作为一个主要用于可用于EMI测试. 该方法将是有用的和有效的成本时，应不适用于大型的PWM驱动系统或当一个应列入不可实现. 虽然电压探针通常用在没有LISN
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