交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)PWM逆變器負(fù)面效應(yīng)機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(duì)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(jī)終端過電壓(電機(jī)與PWM變頻器采用長(zhǎng)線電纜引起)和電磁干擾等。 由于電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制執(zhí)行，PWM變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dá)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(shí)驗(yàn)和仿真最后給出兩種性能良好的濾波器結(jié)構(gòu)，一個(gè)為有源濾波器，另一個(gè)為無源濾波器。此工作屬于國家自然科學(xué)基金的資助項(xiàng)目，基金號(hào)為50477009。文中對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的所有負(fù)面效應(yīng)進(jìn)行了理論分析。實(shí)驗(yàn)裝置由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、6千伏安的變頻器、4千瓦的感應(yīng)電機(jī)和兩個(gè)專門針對(duì)EMI設(shè)計(jì)的有源和無源濾波器組成，目的是用來驗(yàn)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(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁兼容問題并針對(duì)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(duì)電磁干擾的發(fā)射和傳播建立高頻模型并進(jìn)行預(yù)測(cè)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)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(cè)量得到的，隨著

4、PWM變換器開關(guān)速度的增加，電機(jī)的寄生參數(shù)也變得越來越重要，最后利用此模型進(jìn)行所有負(fù)面效應(yīng)的預(yù)測(cè)分析。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)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(gè)PWM變頻感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(duì)帶有和不帶有寄生參數(shù)模型的傳導(dǎo)電磁干擾均進(jìn)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(dòng)電機(jī)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(jī)的長(zhǎng)線電纜高頻模型并分析了它對(duì)電機(jī)終端電壓的影響，利用仿真軟件Saber對(duì)整個(gè)系統(tǒng)所建的高頻模型進(jìn)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(gè)系統(tǒng)在Saber下的執(zhí)行情況得到分析。對(duì)高頻電機(jī)模型，通過數(shù)學(xué)的方法計(jì)算出共模電壓、軸電壓、共模電流和軸電流的大小，同時(shí)也給

6、出了寄生參數(shù)的測(cè)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(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁干擾傳播途徑，同時(shí)也對(duì)電磁干擾的抑制方法進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并對(duì)電磁干擾濾波器進(jìn)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(jì)方法和指導(dǎo)思想，并對(duì)不同結(jié)構(gòu)的濾波器進(jìn)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(shí)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(jì)方法，在第三章中討論了無源濾波對(duì)減小PWM變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾的作用。文中一共提出三個(gè)不同結(jié)構(gòu)的無源濾波器并給出它們的設(shè)計(jì)過程，通過仿真評(píng)價(jià)了他們對(duì)PWM交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)側(cè)，對(duì)兩種情況的抑制結(jié)果進(jìn)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(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁干擾。為了減

8、少PWM交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)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(gè)小的共模扼流圈、三個(gè)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(gè)無源濾波器。兩個(gè)共模扼流圈一個(gè)放在整流器的輸入側(cè)，另一個(gè)放在逆變器的輸出側(cè)，而且此濾波器需要與電機(jī)的非接地中性點(diǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了其良好的性能

9、。 文中提出的第三個(gè)無源濾波器是輸入/輸出濾波器，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且能有效地減少EMI。最后通過仿真結(jié)果比較，第二個(gè)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(gè)濾波器被選擇做成了樣品，試驗(yàn)結(jié)果在第六章中給出。本文也討論了緩沖電路對(duì)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(jì)問題，正確設(shè)計(jì)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(jì)了兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)的有源濾波器，文中給出了它們的設(shè)計(jì)過程、原理分析及應(yīng)用到系統(tǒng)后的仿真結(jié)果。第一個(gè)提出的有源濾波器由一個(gè)有源共模噪聲消除器和一個(gè)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(jī)的非接地中性點(diǎn)之間。對(duì)PWM變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行該有源濾波器的仿真和實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(jìn)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(shí)比僅用一個(gè)有源共模噪聲消除器效果好。 第二個(gè)提出的有源濾波器由兩個(gè)有源共模噪聲消除器組成，一個(gè)放在整流器輸入側(cè)，另一個(gè)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(gè)小電感也是有必要的，因?yàn)檫@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(gè)小的無源濾波器對(duì)消除EMI都是有幫助的，因?yàn)樗芤种频舨捎糜性垂材Ｔ肼曄骱笫Ｓ嗟母蓴_。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(jī)終端的共模電壓，但是理論和實(shí)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(duì)文中提出的兩個(gè)有源濾波器的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，第一個(gè)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(jìn)一步提高了該濾波器的性能，新型電流環(huán)是通過在電機(jī)中性點(diǎn)和整流橋輸入側(cè)之間增加一個(gè)小的無源濾波器構(gòu)成的。此有源濾波器僅使用一個(gè)共模變壓器，因此它的體積比第二個(gè)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)的影響進(jìn)行了比較分析，分析結(jié)果表明，第二個(gè)無源濾波器及第一個(gè)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(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在該系統(tǒng)沒有采用任何濾波器的情況下進(jìn)行了諸多負(fù)面效應(yīng)的測(cè)量，然后系統(tǒng)采用上述提出的濾波器后又進(jìn)行各種負(fù)面效應(yīng)的測(cè)試，測(cè)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(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的所有負(fù)面效應(yīng)，利用此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了通過建模所預(yù)測(cè)的負(fù)面效應(yīng)的正確性及所提出濾波器對(duì)電磁干擾的抑制效果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，第二個(gè)無源濾波器與第一個(gè)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(gè)濾波器都能有效地減少電磁干擾，并使得PWM交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)達(dá)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(gè)濾波器都有一個(gè)共同的部