感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的無源EMI濾波器設(shè)計(jì)

1、電器電磁兼容技術(shù)題目: 感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的無源EMI濾波器設(shè)計(jì)姓 名學(xué) 號(hào) 班 級(jí)專 業(yè)開課學(xué)期提交時(shí)間一引言現(xiàn)代化電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(PWM變頻器-感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))由于采用了變頻器對(duì)電能進(jìn)行變換和控制,而使其運(yùn)行特性由自然特性變?yōu)榭煽氐娜斯ぬ匦?性能指標(biāo)得到極大的提高,并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、控制簡單,因此這一系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。但是由于系統(tǒng)采用了電壓源脈寬調(diào)制(PWM)控制方式,變頻器中的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài),du/dt、di/dt較大,開關(guān)電壓、電流均含有豐富的高次諧波,因此電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁干擾(EMI)問題顯得尤為突出,并嚴(yán)重地影響了周圍系統(tǒng)的正常工作。國學(xué)者相繼圍繞著電機(jī)系統(tǒng)的

2、干擾源、傳播途徑和敏感設(shè)備這3個(gè)方面開展了理論及應(yīng)用技術(shù)的研究工作,并取得了一定的成就?？傮w上包括兩類:一類是通過改善控制策略和優(yōu)化電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來降低干擾源的干擾強(qiáng)度;另一類是通過濾波器來抑制干擾的傳播。本報(bào)告介紹無源EMI濾波器的設(shè)計(jì)，以及在感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用，并且該EMI濾波器對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的傳導(dǎo)EMI能起到一個(gè)很好的抑制作用。二無源 EMI 濾波器介紹2.1無源EMI濾波器特點(diǎn)雖然目前實(shí)際工程中的濾波器品種繁多，但與常規(guī)諧波濾波器相比，用 于抑制電磁干擾的 EMI 濾波器有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：1) 應(yīng)具有雙向抑制性。即它能毫無衰減地將有用信號(hào)傳輸給電子設(shè)備，又能最大地限度地衰減或阻斷來自

3、信號(hào)源端的高頻 EMI 噪聲，以保護(hù)設(shè)備免受電磁干擾，同時(shí)還能最大限度地衰減或阻斷來自電子設(shè)備產(chǎn)生的EMI 噪聲，防止它進(jìn)入信號(hào)源端，污染其電磁環(huán)境，干擾其它電子設(shè)備的正常工作。2) EMI 濾波器往往工作在阻抗不匹配的狀態(tài)下。由于源阻抗和負(fù)載阻抗都是關(guān)于頻率的函數(shù)，都會(huì)隨著頻率的變化而變化，難以實(shí)現(xiàn)全頻段插入損耗最大。3) EMI 濾波器主要是用來抑制高頻噪聲的。因此，所選用元器件的寄生參數(shù)必須嚴(yán)格控制，否則會(huì)因寄生參數(shù)過大而降低濾波性能，甚至有可能發(fā)生諧振而加劇干擾。2.2 無源 EMI 濾波器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無源 EMI 濾波器一般是由電阻、電感、電容組成，按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同通常分為 LC

4、型、CL 型、T 型和 型四種。如圖：四種類型的EMI濾波器而目前最為常用電源 EMI 濾波器結(jié)構(gòu)見下圖所示。常見的EMI 濾波器結(jié)構(gòu)2.3 無源EMI濾波器應(yīng)用原則而為了保證 EMI 噪聲可以獲得最大的衰減，應(yīng)使相互連接的各端口處于嚴(yán)重失配狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)盡可能大的反射損耗，達(dá)到對(duì) EMI 噪聲更加有效的抑制。所以無源 EMI 濾波器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用時(shí)應(yīng)該遵循以下原則：1) 當(dāng)電源端、負(fù)載端均為低阻抗時(shí)，應(yīng)選用 T 型結(jié)構(gòu)濾波器；2) 當(dāng)電源端、負(fù)載端均為高阻抗時(shí)，應(yīng)選用 型結(jié)構(gòu)濾波器；3) 當(dāng)電源端為低阻抗，而負(fù)載端為高阻抗時(shí)，應(yīng)選用 LC 型結(jié)構(gòu)濾器；4) 當(dāng)電源端為高阻抗，而負(fù)載端為低阻抗時(shí)，

5、應(yīng)選用 CL 型結(jié)構(gòu)濾波器。三感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)無源濾波器設(shè)計(jì)為了能夠在不影響差模工作電流的前提下，既能夠準(zhǔn)確地檢測到共模電壓，同時(shí)又不會(huì)使共模變壓器第四繞組所復(fù)制出的共模電壓精準(zhǔn)低，而且還具有相對(duì) 較小的體積。本文設(shè)計(jì)了由電感和電容兩部分組成的EMI濾波器，結(jié)構(gòu)如圖 所示：該設(shè)計(jì)其各相繞組的匝數(shù)相同、同名端處于鐵心的同一側(cè)，且三相繞組為星型聯(lián)接，鐵心由兩個(gè) E 型結(jié)構(gòu)鐵心對(duì)接組成。并聯(lián)在電感器各相繞組兩端的電容可以為共模電流的高頻成分提供低阻抗流通路徑，以提高共模變壓器第四繞組的高頻驅(qū)動(dòng)電流，改善濾波器的高頻特性。上圖中b)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，根據(jù)磁路理論可得，當(dāng)大小一定

6、的差模電流流經(jīng)線圈繞組時(shí)，由于鐵心內(nèi)部磁通為最大值，則該電感器可以為差模電流提供一個(gè)相對(duì)于電機(jī)繞組阻抗來說可視為開路的高阻抗差模電感，此時(shí)鐵心磁通密度分布見下圖a)所示(由于三相差模電流分量在任意時(shí)刻都是三相之和為零，所以對(duì)應(yīng)于差模工作電流的磁通會(huì)出現(xiàn)圖 a)所示的兩種情況)；反之，當(dāng)大小一定的共模電流流經(jīng)線圈繞組時(shí)，由于鐵心內(nèi)部磁通為最小值，于是該電感器可以為共模電流提供一個(gè)相對(duì)于電機(jī)繞組阻抗來說，可以視為短路的低阻抗共模電感，以便使共模電流無衰減地通過，為共模變壓器第四繞組提供最大的驅(qū)動(dòng)電流，確證第四繞組復(fù)制出精確的共模補(bǔ)償電壓，此時(shí)鐵心磁通密度分布見下圖b)所示。由圖 b)可見，對(duì)應(yīng)于共

7、模分量，鐵心內(nèi)部具有小的磁通，此時(shí)共模電感值主要由漏磁場決定，其值遠(yuǎn)小于差模電感值。該設(shè)計(jì)中電感對(duì)應(yīng)于差模/共模信號(hào)的磁通密度對(duì)于圖 b)所示的電容器 C，由于選值很小，所以對(duì)于低頻差模工作電流，相當(dāng)于開路，所以不會(huì)增大流入檢測電路的差模電流，影響感應(yīng)電機(jī)的差模工作電流；對(duì)于高頻共模電流，則起著減小相對(duì)阻抗的作用，并且這種作用會(huì)隨著頻率提高而增大，這有利于提高共模變壓器復(fù)制高頻共模電壓的精度，增大濾波器的共模插入損耗。3.2 感應(yīng)電機(jī)的無源濾波器的驅(qū)動(dòng)電路該無源共模 EMI 濾波器消除共模電壓的基本思想是共模補(bǔ)償電壓的反向疊加。它主要由共模電壓檢測電路和用于電壓反向疊加的四繞組共模變壓器這兩個(gè)

8、主要部分組成，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下圖所示。該濾波電路中的電容 Cf用于防止直流成分注入共模變壓器繞組，而引起磁飽和。上述設(shè)計(jì)的EMI濾波器在感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而電壓反向疊加的四繞組共模變壓器主要作用是為了實(shí)現(xiàn)共模電壓補(bǔ)償?shù)淖鲇萌缦聢D：共模電壓補(bǔ)償原理圖如果將 PWM 功率變換器輸出的共模電壓用一個(gè)電壓源 Ucm表示，于是本文所提出的無源EMI 濾波器共模等效電路可以用下圖表示：濾波器的共模等效電路圖由上圖分析可知：1.PWM 功率變換器產(chǎn)生的共模電壓成分主要集中在開關(guān)頻率及其整數(shù)倍上。因此為了避免發(fā)生諧振，該共模濾波器的諧振頻率必須小于功率變換器的開關(guān)頻率。2.為了避免電容 Cf對(duì)共模電壓的分壓過大，而造成共模變壓器第四繞組所復(fù)制出的共模電壓誤差過大，在條件允許的情況下應(yīng)盡可能地增大電容值。3.該濾波器的插入損耗與共模變壓器第四繞組電感值和隔直電容器電容值乘積的大小相關(guān)。另外并聯(lián)電容C可以改善無源 EMI 濾波的高頻特性，有助于抑制感應(yīng)電機(jī)側(cè)共模電壓高頻成分和傳導(dǎo) EMI 的高頻成分, 提高該濾波器高頻段的插入損耗,對(duì)該電路的意義重大。四總結(jié)本文介紹了無源EMI