PWM驱动电机系统传导电磁干扰预测的研究

摘要

随着电力电子技术的发展,采用脉宽调制技术(Pulse Width Modulation, PWM)的功率变换器广泛应用于电机驱动系统中。以IGBT为核心的高速开关器件的应用加快了功率变换器的动态响应时间,提高了系统的运行性能。然而高速开关器件产生的高频脉冲信号具有较大的电压与电流瞬变,会带来严重的电磁干扰(Electromagnetic Interference, EMI)问题,对电机系统自身以及周围的环境产生较大的影响。在进行电磁干扰抑制的时候,由于在设计阶段没有获得变换器的EMI噪声源模型,滤波器通常都是在整个变换器系统建成以后再进行设计,并加入到电路中进行调试的,这势必会延长整个设计周期,而且也不能获得系统的最优设计。因此,本文开展PWM驱动电机系统传导电磁干扰预测的研究,从传导电磁干扰产生的机理入手,建立干扰噪声源模型,并根据所提出的预测技术,实现整个传导干扰频段内的电磁干扰噪声的预测,最后利用预测结果指导抑制措施。
　　通过对传导电磁干扰机理进行研究,分析IGBT开关暂态过程对电路的影响,提出一种新的频域噪声源建模方法,用于预测功率变换器中传导电磁干扰噪声源。该建模方法以IGBT开关模块为基本单元,在一定的开关状态下,建立诺顿等效电路,获得噪声电流源和噪声源阻抗,连同传播路径一起构成功率变换器系统的电磁干扰预测模型。搭建一个标准的实验平台,可以方便地控制开关状态以及提取传播路径参数。采用仿真和实验验证该模型预测整个传导干扰频段内电磁干扰噪声的精确度,并通过非线性分析验证该方法的有效性和通用性。
　　研究基于IGBT模块的等效EMI噪声源模型的功率变换器传导电磁干扰预测技术。针对一个周期内多开关状态的单相半桥DC-AC变换器,提出分区域的方法预测其传导电磁干扰噪声,建立一个涵盖整个交流输出周期内负载电流水平的噪声源模型的集合。分析一个周期内由各个开关脉冲引起的电磁干扰噪声的关系,一个交流输出周期内总的噪声通过频域内的叠加来获得。将整个交流输出频率信号划分成4个区域,在每个区域内,电磁干扰噪声可以用相应的噪声源模型进行计算,一个交流输出周期内的噪声可以通过4个区域内的结果联合计算得出。分析去耦电容对电路的影响,基于IGBT模块等效电磁干扰噪声源模型来预测功率变换器产生的过电压,通过对过电压的分析选择去耦电容的参数,整个分析体现如何应用该模型进行参数选择的过程。
　　深入研究PWM驱动电机系统传导电磁干扰机理问题,对于由PWM功率变换器产生的电磁干扰源,提出将各开关状态分为不同模式,并结合负载电流的各个不同水平一起,建立不同开关状态下的噪声源模型组合,PWM驱动电机系统噪声源就可以根据这些组合联立获得。针对PWM驱动电机系统中需要较长的电缆线把功率变换器输出的脉冲电压传输到电机接线端,分析长线传输时电压反射现象的机理及其造成的电机端过电压,建立长线电缆的高频传输线模型;分析感应电机绕组的高频特性,根据传输线理论,建立简化的感应电机高频等效模型。根据精确的噪声干扰源模型、传播路径模型、长线电缆模型和电机模型,构建PWM驱动电机系统“干扰源-传播路径-受扰体”的整体传导电磁干扰预测模型,实现其传导电磁干扰的有效预测。
　　研究PWM驱动电机系统中的传导电磁干扰的无源抑制技术,根据所获得PWM驱动电机系统传导电磁干扰预测结果,提出一种新的无源滤波器拓扑。该拓扑根据预测的噪声频谱水平,计算得到所要衰减的共模干扰分量和差模干扰分量,并分析相应模式的传导干扰传播路径,对其参数进行合理设计。该滤波器拓扑分别连接在PWM逆变器的输出侧及整流器的输入侧,包括两个共模滤波器和一个差模滤波器,其中连接在逆变器输出侧的共模滤波器用来抑制逆变器与电机之间的共模电压,连接在整流器输入侧的共模滤波器用来抑制交流侧的共模电压,而连接在逆变器输出侧的差模滤波器用来抑制三相线和线之间的高频差模电压及衰减电机终端出现的过电压,使系统的传导干扰发射在整个频段内均不超标。

目录

PWM 驱动电机系统传导电磁干扰预测的研究

RESEARCH ON CONDUCTEDINTERFERENCE PREDICTION OFPWM MOTOR DRIVE SYSTEM

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的及意义

1.2 PWM驱动电机系统传导干扰的研究现状

1.2.1 功率变换器传导干扰机理的研究

1.2.2 功率变换器传导干扰预测的研究现状

1.2.3 PWM驱动电机系统传导干扰抑制措施的研究现状

1.3 论文的主要研究内容

第2章 IGBT模块的等效电磁干扰噪声源建模方法及分析

2.1 引言

2.2 传导电磁干扰机理的分析

2.3 基于IGBT模块的等效电磁干扰噪声源建模方法的提出

2.4 基于IGBT模块的等效电磁干扰噪声源模型的建模过程

2.5 模型有效性分析

2.6 本章小结

第3章 功率变换器传导电磁干扰的预测

3.1 引言

3.2 多开关状态单相半桥DC-AC变换器传导电磁干扰的预测

3.3 去耦电容对电路影响的分析及过电压的预测

3.4 本章小结

第4章 PWM驱动电机系统干扰分析及预测

4.1 引言

4.2 PWM驱动电机系统的传导电磁干扰噪声源的预测

4.3 PWM驱动电机系统中长线电缆的高频等效模型

4.4 PWM驱动电机系统中感应电机的等效模型

4.5仿真与实验结果

4.6 本章小结

第5章 PWM驱动电机系统传导电磁干扰的抑制

5.1 引言

5.2 典型EMI滤波器在PWM驱动电机系统中的应用与不足

5.3 PWM驱动电机系统传导电磁干扰抑制无源滤波器新拓扑

5.4 仿真和实验

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历