交流驅(qū)動系統(tǒng)PWM逆變器負(fù)面效應(yīng)機理及抑制的研究.pdf

1、目前，PWM變頻器在工業(yè)、商業(yè)和民用系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛，例如電機驅(qū)動系統(tǒng)就普遍采用PWM技術(shù)。在三相半橋PWM變頻器應(yīng)用中，由于脈沖輸出的不對稱性，系統(tǒng)中必然存在共模電壓。研究表明，PWM變頻器產(chǎn)生的高頻共模電壓及較大的dv/dt給系統(tǒng)帶來許多負(fù)面效應(yīng)，如軸電壓、軸電流、共模漏電流、電機終端過電壓(電機與PWM變頻器采用長線電纜引起)和電磁干擾等。 由于電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的強制執(zhí)行，PWM變頻電機驅(qū)動系統(tǒng)所產(chǎn)生的電磁干擾也越來越受到

2、人們的重視。為了達到國際電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求，電磁干擾濾波器是必不可少的。 本文的主要目標(biāo)是抑制上文提到的諸多負(fù)面效應(yīng)，經(jīng)過實驗和仿真最后給出兩種性能良好的濾波器結(jié)構(gòu)，一個為有源濾波器，另一個為無源濾波器。此工作屬于國家自然科學(xué)基金的資助項目，基金號為50477009。文中對系統(tǒng)產(chǎn)生的所有負(fù)面效應(yīng)進行了理論分析。實驗裝置由驅(qū)動系統(tǒng)、6千伏安的變頻器、4千瓦的感應(yīng)電機和兩個專門針對EMI設(shè)計的有源和無源濾波器組成，目的是用來驗證濾波

3、器的效果和仿真分析結(jié)果的有效性。 為了研究PWM變頻電機驅(qū)動系統(tǒng)的電磁兼容問題并針對該系統(tǒng)所產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)采取有效的濾波方法，必須對電磁干擾的發(fā)射和傳播建立高頻模型并進行預(yù)測分析，電磁干擾的高頻模型包括電磁干擾源和電磁噪聲傳播途徑兩部分內(nèi)容。本文建立了PWM變頻感應(yīng)電機驅(qū)動系統(tǒng)的整體模型，給出了三相電源、整流橋和直流側(cè)的高頻模型，并提出逆變器和感應(yīng)電機的新的集總參數(shù)高頻模型，模型中的高頻參數(shù)是通過使用LCR分析儀測量得到的，隨著

4、PWM變換器開關(guān)速度的增加，電機的寄生參數(shù)也變得越來越重要，最后利用此模型進行所有負(fù)面效應(yīng)的預(yù)測分析。仿真和實驗結(jié)果均驗證了所建模型的精確性。 在仿真過程中，僅采用本文所提出的一個PWM變頻感應(yīng)電機驅(qū)動系統(tǒng)的整體模型即可得到共模電流和軸電流的仿真波形，而不再需要其他額外的模型，而且通過此整體模型可以將多數(shù)負(fù)面效應(yīng)分析清楚。文中對帶有和不帶有寄生參數(shù)模型的傳導(dǎo)電磁干擾均進行了仿真分析，仿真結(jié)果表明帶有寄生參數(shù)模型的PWM驅(qū)動電機系

5、統(tǒng)的電磁干擾嚴(yán)重，而不帶有寄生參數(shù)模型的傳導(dǎo)電磁干擾不嚴(yán)重，從而得知電路中存在的高頻寄生參數(shù)是引起電磁干擾的主要原因。本文還建立了電機的長線電纜高頻模型并分析了它對電機終端電壓的影響，利用仿真軟件Saber對整個系統(tǒng)所建的高頻模型進行仿真分析并給出仿真結(jié)果。文中給出了軟件Saber中所使用的SPWM模型的描述，整個系統(tǒng)在Saber下的執(zhí)行情況得到分析。對高頻電機模型，通過數(shù)學(xué)的方法計算出共模電壓、軸電壓、共模電流和軸電流的大小，同時也給

6、出了寄生參數(shù)的測量值。 本文提出了單相和三相傳導(dǎo)電磁干擾的模型并分析了PWM變頻電機驅(qū)動系統(tǒng)的電磁干擾傳播途徑，同時也對電磁干擾的抑制方法進行了評價，并對電磁干擾濾波器進行了建模和分析。文中也討論了電磁干擾濾波器在阻抗失配情況下的設(shè)計方法和指導(dǎo)思想，并對不同結(jié)構(gòu)的濾波器進行了分析，最后得出LC，CL，π，T型濾波器和多階濾波器應(yīng)用時所應(yīng)匹配的源阻抗值和負(fù)載阻抗值，并為得到高的插入損耗和低成本的濾波器給出一些有用的關(guān)系式。

7、 文中提出了一些有源和無源濾波器結(jié)構(gòu)并給出其設(shè)計方法，在第三章中討論了無源濾波對減小PWM變頻電機驅(qū)動系統(tǒng)電磁干擾的作用。文中一共提出三個不同結(jié)構(gòu)的無源濾波器并給出它們的設(shè)計過程，通過仿真評價了他們對PWM交流感應(yīng)電機驅(qū)動系統(tǒng)負(fù)面效應(yīng)的影響。 本文首先提出了典型電源無源電磁干擾濾波器，并將其分別放在電源側(cè)和感應(yīng)電機側(cè)，對兩種情況的抑制結(jié)果進行了比較，比較結(jié)果表明電源側(cè)的無源電磁干擾濾波器能夠減少交流電機驅(qū)動系統(tǒng)的電磁干擾。為了減

8、少PWM交流感應(yīng)電機驅(qū)動系統(tǒng)的其它負(fù)面效應(yīng)，在逆變器的輸出側(cè)采用了一個三相共模電感，它可以減少軸承電流和共模電流，此無源濾波器由兩個小的共模扼流圈、三個電感和一些小的電阻和電容構(gòu)成，這是本文提出的第二個無源濾波器。兩個共模扼流圈一個放在整流器的輸入側(cè)，另一個放在逆變器的輸出側(cè)，而且此濾波器需要與電機的非接地中性點相連接。該濾波器體積小、成本低，理論分析和仿真結(jié)果均表明該濾波器能有效地消除系統(tǒng)所產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)，實驗結(jié)果也驗證了其良好的性能

9、。 文中提出的第三個無源濾波器是輸入/輸出濾波器，它的結(jié)構(gòu)簡單而且能有效地減少EMI。最后通過仿真結(jié)果比較，第二個所提出的無源濾波器在減少電磁干擾和其它負(fù)面效應(yīng)方面效果更佳，因此這個濾波器被選擇做成了樣品，試驗結(jié)果在第六章中給出。本文也討論了緩沖電路對減少電磁干擾和直流側(cè)干擾的作用并研究了緩沖電路的設(shè)計問題，正確設(shè)計緩沖電路可以減少電壓的變化率，從而減少傳導(dǎo)電磁干擾，但是采用緩沖電路不能滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求。 除上述工

10、作之外，本文還設(shè)計了兩個不同結(jié)構(gòu)的有源濾波器，文中給出了它們的設(shè)計過程、原理分析及應(yīng)用到系統(tǒng)后的仿真結(jié)果。第一個提出的有源濾波器由一個有源共模噪聲消除器和一個無源濾波器組成，無源濾波器被接在整流器輸入側(cè)和交流電機的非接地中性點之間。對PWM變頻電機驅(qū)動系統(tǒng)進行該有源濾波器的仿真和實驗時，先是僅利用有源共模噪聲消除器，看其性能如何，然后將有源共模噪聲消除器和無源濾波器一起應(yīng)用到系統(tǒng)中，將兩種方案進行比較，比較結(jié)果表明將有源共模噪聲消除器和

11、無源濾波器一起應(yīng)用到系統(tǒng)中時比僅用一個有源共模噪聲消除器效果好。 第二個提出的有源濾波器由兩個有源共模噪聲消除器組成，一個放在整流器輸入側(cè)，另一個放在逆變器的輸出側(cè)。即使在這種情況下，在整流器前采用一個小電感也是有必要的，因為這可以更大程度地減少差模干擾。本文的研究表明：在各種條件下，應(yīng)用一個小的無源濾波器對消除EMI都是有幫助的，因為它能抑制掉采用有源共模噪聲消除器后剩余的干擾。仿真結(jié)果表明盡管采用有源共模噪聲消除器能大大地減

12、少電機終端的共模電壓，但是理論和實踐證明共模電壓不能被徹底地消除，因此軸電壓、軸承電流和共模電流還存在，還需要額外的方法和濾波器來消除干擾。 對文中提出的兩個有源濾波器的仿真和實驗結(jié)果來看，第一個有源濾波器在抑制負(fù)面效應(yīng)方面性能較好，其中新型電流環(huán)的增加進一步提高了該濾波器的性能，新型電流環(huán)是通過在電機中性點和整流橋輸入側(cè)之間增加一個小的無源濾波器構(gòu)成的。此有源濾波器僅使用一個共模變壓器，因此它的體積比第二個有源濾波器的體積小并

13、且成本也低，而且在消除PWM變頻電機驅(qū)動系統(tǒng)的負(fù)面效應(yīng)方面性能更好。 最后，將所有提出的電磁干擾濾波器性能及對系統(tǒng)產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)的影響進行了比較分析，分析結(jié)果表明，第二個無源濾波器及第一個有源濾波器的組合應(yīng)用效果良好。文中在最后一章構(gòu)建了PWM交流電機驅(qū)動系統(tǒng)實驗平臺，在該系統(tǒng)沒有采用任何濾波器的情況下進行了諸多負(fù)面效應(yīng)的測量，然后系統(tǒng)采用上述提出的濾波器后又進行各種負(fù)面效應(yīng)的測試，測試結(jié)果表明，利用本文所提出的濾波器可以減少P

14、WM交流電機驅(qū)動系統(tǒng)所產(chǎn)生的所有負(fù)面效應(yīng)，利用此實驗平臺驗證了通過建模所預(yù)測的負(fù)面效應(yīng)的正確性及所提出濾波器對電磁干擾的抑制效果。從實驗結(jié)果可以看出，第二個無源濾波器與第一個有源濾波器相比，在減少各種負(fù)面效應(yīng)方面效果較好，但在減少共模電壓方面能力較低。這兩個濾波器都能有效地減少電磁干擾，并使得PWM交流電機驅(qū)動系統(tǒng)達到電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求，但是相比之下，有源濾波器在抑制共模電壓及電磁干擾方面性能優(yōu)于無源濾波器。這兩個濾波器都有一個共同的部