中小型电机 2004, 31(2) 电机的电磁兼容问题 63
试验与测试
电机的电磁兼容问题
梁振光, 唐任远
(1. 山东大学电气工程学院, 山东 济南 250061;
2. 沈阳工业大学, 辽宁 沈阳 110023)
梁振光 1967年4月
1
2
摘要 电磁兼容作为一门边缘学科, 其应用越来越广泛, 本文介绍电机的电磁兼容问题、国内外研究现状及实用的电磁兼容技术。 关键词 电机 电磁兼容 电磁干扰
生, 2001年毕业于沈阳工业大学电机与电器专业, 博士学位, 副教授。研究方向为电磁兼容、电机控制、工程电磁场数值分析及科学计算可视化。
Problems of Electromagnetic Compatibility
for Electric Machines
Liang Zhenguang , Tang Renyuan
1
2
(1. Shandong University; 2. Shenyang University of Technology) .
Abstract :As an interdisciplinary subjec t, applications of elec tromagnetic compat-i bility(E MC) are increasing greatly. In the paper, the E MC problems of electric machines are introduced. Current studies of E MC of elec tric machines are presented and several practical techniques are given.
Key words :Electric machine electromagnetic compatibility Electromagnetic in -terference
1 引言
电磁兼容是与电磁环境密切相关的一门边缘
国内许多行业、研究机构及学者都对电磁兼容做了大量的研究工作, 国内已建成了几十个电磁兼容实验室, 覆盖了通信、电子、电力等行业, 各省的产品质量监督检验机构、科研院所、大专院校
[2]
及海尔、海信、长虹、华为等大型企业。
目前, 对电磁兼容性的研究, 大多集中在通信、电子、电力、家用电器等产品, 而电机产品的EMC 研究最近几年才开始, 国内外相关文献资料较少。本文结合国内外研究现状, 介绍电机的电磁兼容问题及实用的电磁兼容技术
[3~11]
学科, 以电气、电子科学的理论和技术为基础, 建立其理论和技术体系, 解决各种电磁干扰问题。电磁兼容性(E MC) , 国际电工技术委员会(IEC) 对它的定义是:设备的一种能力, 它在其电磁环境中能完成它的功能, 而不至于在其环境中产生不允许的干扰。随着各种电子设备的迅速增多, 电磁干扰(E MI) 和电磁兼容性(E MC) 问题也越来越多, 涉及电力、通信、电子、机械等各行业。
目前, 已制定了一系列的国际标准和国家标准, 电磁兼容标准已在一些国家和地区对相关产品强制执行。随着我国电磁兼容强制性标准于2003年5月1日正式实施, 相关的电子产品、电工产品和家用电器等, 必须通过规定的电磁兼容检测, 电磁兼容问题成为迫切需要解决的问题。
[1]
。
2 电机的电磁兼容标准
电磁兼容性(E MC) 涉及两个方面:电磁干扰
(EMI)和电磁抗扰度(E MS) 。电磁干扰有三要素:
干扰源、敏感元件和干扰传递方式, 根据干扰的传播途径, 可分为传导性干扰和辐射性干扰。
电机的电磁兼容性标准及要求, 由GB755
64 电机的电磁兼容问题 中小型电机 2004, 31(2)
2000(对应IEC60034 1:1996) 旋转电机、定额和性能, 第12章电磁兼容性作出规定
[3]
频干扰(如整流子电机中的换向、电弧放电, 调制现象, 流经电机轴的杂散电流等) 及其对电机辐射的影响是一个较新的内容, 机理尚未完全搞清, 需
要进一步研究。
J. Cros 等人对永磁无刷直流电机(图2) 的EMI 问题进行研究
[5]
, 对电机的
辐射骚扰和端子传导骚扰提出要求, 该标准适用所有的旋转电机(不包括牵引电机) 。IEC34工作组制订的标准草案, 推荐的高频发射限值和试验规范只是简单地引用E MC 标准, 对低频发射暂没有限值。电机(带电刷运行和无刷运行时) 的传导骚扰电压限值见表1和表2。通常电机的传导干扰远小于限值。
表1 电机带电刷运行时的传导骚扰限值
频段 MHz 0. 15~0. 50. 5~5
限值 dB V
准峰值7973
平均值6660
[4]
。该系统采用电流控制
PWM 电压源逆变器, 120 矩形波, 开关器件为功
率MOS 。分别研究不同运行方式对EMI 的影响:简单的推拉驱动, 换向时的电压、电流梯度控制; 电流调节(恒频斩波、滞环控制) ; 调制方式(单极、双极) 等。测量结果显示:双极控制, 固定开关频率(30kHz) 时, E MI 最大幅度
表2 电机无刷运行时的传导骚扰限值
频段 MHz 0. 15~0. 50. 5~
55~30
限值 dB V
准峰值66~565660
平均值56~464650
CISPR 规定了传导干扰测量, 图1为对一台永磁无刷直流电机进行E MI 测量。但规定的测量方法并不完全适合各种电机, 如滑环电机刷环接触的火花产生的干扰, 需要确定新的测量方法(由高频磁场探测、转换记录、火花识别、存储等环节组成)
[4]
[5]
。
图2 永磁无刷直流电机
P. Ferrari 等人分别对他励无刷同步发电机的电场、磁场进行测量研究。在不同距离、不同位置, 对电机不同运行状态进行测量, 测量的频率范
围为(9kHz~30MHz) , 并考虑环境噪声测量、大地噪声(基底噪声) 的影响。其结果:在靠近静止变流器、UPS 、润滑油泵等位置场量大; 他励电机空载时值大(可能负载电流大, 对干扰的屏蔽作用强) ; 无刷电机低频电磁波发射低于他励电机, 100kHz 及以上电磁波高于他励电机; 大功率电机
图1 永磁无刷直流电机的E M I 测量
[6]
低频电磁波发射, 特别是磁场发射较强。
大功率旋转电机的发射测量也存在一系列问题:发射源扩展到大的空间; 存在几个辅助系统, 其影响无法分开; 应当考虑测量区域内的反射面。需要理解相关的测量问题, 制订相应的规范。实际测量距离远低于E MC 测量要求, 需要校正, 文献[6]中4m 距离(对10m) 测量; 在不同频率时差8~18dB 。由试验测量可知, 电机相线的辐射干扰严[5]
, t
3 电机的电磁干扰
除了工频和低频外, 电机的电磁干扰只是最
近几年才开始考虑。其干扰源既有内部生成的, 也有外部供电电网和静止变流器产生的。大多数产品设计过程中只评估电机在工频和低频下的电
感,
中小型电机 2004, 31(2) 电机的电磁兼容问题 65
过电压、差模电流、共模电流会产生波反射现象, 可使母线电压达到2倍, 甚至3~4倍。解决措施:减小相线长度, 电机、逆变器集成等。
[7]
4 电机EMC 仿真
对电机E MC 问题的仿真, 需要考虑电机、交
流电源、变频器等环节, 对整个电机传动系统进行计算。为研究d u d t 引起的过电压和漏电流, 应采用准确的高频模型PWM
传动系统。
[8~10]
, 图3为一个交流电机
图6 输入EMI 滤波器电路和等效模型
根据系统模型, 采用现成的电路仿真软件、电磁场软件进行计算。用有限积分法等, 进行衍射计算
检查金属外壳的屏蔽效能, 或计算自由空间条件
图3 交流PWM 传动系统
下的辐射; 用电路模型仿真方法, 计算传导干扰。仿真时间、步长:考虑调制低频周期, 数量级10~1000ms; 开关周期, 数量级1ms~0. 1s; 开关暂态时间, 数量级1 s 或更少。
一般可通过电路仿真, 确定干扰电流; 根据电磁拓扑结构, 再由干扰电流, 计算远场。完整的EMI 仿真应当是传导、辐射同时进行。
系统各环节的影响需要考虑:三相变压器(考虑集肤效应的短路阻抗) , 直流逆变器滤波器(电感、电容) , 逆变器杂散参数(电容、输出电感) , 逆
变器、电机间电缆的电容、电感, 电机的高频等效电路等。
在模型中考虑容性耦合:电机绕组、机壳间绝缘的杂散电容C g (对地) ; I GB T 开关、逆变器外壳(接地) 间的杂散电容C inv 。
系统中的高频模型需考虑耦合电容、电感, 电机模型如图4, 传输电缆如图5, 输入滤波器如图6
。
5 逆变器供电的电机传动系统
[10][11]
的传导EMI 的产生和抑制
随着开关频率的增加, 逆变器产生大的d u
d t , 引起电磁干扰、轴电压、轴承电流等。虽然d u d t 对E MI 的影响已认识到, 但E MI 产生的机理还是有些模糊, 因此, 选择和安装EMI 滤波器仍多少凭经验。
电机传动系统中的电流包括三部分:基波电流、谐波电流、耦合电流。传导E MI 分析就是找出这些电流分量(主要是谐波电流、耦合电流) , 通
图4
电机的一相模型
过识别可能的E MI 电流路径, 提出E MI 抑制技术(阻断EMI 电流的流出或使之在内部循环) 。传导EMI 分析的重点是考虑寄生电容耦合效应, 对此, 文献[11]做了较为详细的阐述。 5. 1 EMI 的产生
EMI 两种形式:传导和辐射。辐射E MI 可采用金属盒屏蔽, 传导E MI 则采用滤波器阻止。由图5 电缆模型
传动系统中传导EMI 、辐射E MI 的仿真, 可
,
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须有地方消耗掉, 阻断传导E MI 通常导致辐射EMI 增加, 因此, 有效的EMI 抑制技术依赖于EMI 机理的彻底理解, 以使在源上减小EMI, 而不是仅仅在产生后去阻断。辐射EMI 路径难以确定, 辐射EMI 的机理也就无法完整地分析。相反, 传导EMI 路径很好确定, 分析传导E MI 有助于确定EMI 源、理解E MI 产生的机理, 减少这个源头, 可有效地减少了传导EMI 和辐射E MI 。所以, 重点是传导EMI 。
传导EMI 中的耦合电流是寄生电容中电流之和, 由大的d u d t 、大的方波电压幅值引起, 耦合电流有差模分量、共模分量, 差模、共模路径各不相同。
(1) 差模E MI
差模电流路径由两条直流母线, 相间的寄生电容C d , 直流电容构成, 如图7所示。由于直流电容的阻抗不为零, 一部分电流从整流器、交流电
源流过。
抗有关, 而与电机负载和运行状况无关。 5. 2 EMI 的抑制
EMI 抑制就是阻断传导E MI 流通的路径, 或
使之在内部循环。应根据不同的干扰源采取相应的抑制措施。一般原则是:先提供局部通路, 后增加高频阻抗。
(1) 差模E MI 的抑制
在直流母线上, 介于整流器、直流电容间的位置, 设置低通滤波器(如图9) , 以阻止差模电流流入整流器、交流电源。
图9 直流环节中的差模E M I 滤波器
(2) 共模EMI 的抑制
在直流环节:设置C f 1、C f 2、L c , 如图10所示。给共模电流提供内部通路, 同时, 阻止共模电流流入整流器、交流电源。
在交流环节:交流电源入口处设置E MI 滤波器, 如图11所示。阻止共模电流流入交流电源。
图7 差模耦合电流
(2) 共模E MI
共模电流路径由一条直流母线, 相地间的寄生电容C c , 大地, 交流电源, 整流器构成, 如图8所示。一部分电流经整流器的寄生电容, 直流电容流过。不同设备的共模电流共享大地路径, 所
以共模EMI 水平高,
更难抑制。
图10 直流环节的共模E MI 滤波器
图11 交流环节的共模E MI 滤波器
图8 共模耦合电流
6 结束语
耦合电流是E MI 的一种源, 与容性耦合阻
抗、激励电压、d u d t 、直流环节电压幅值、寄生阻
电磁兼容是电机传动中不可忽视的问题, 随
着电力电子装置在传动系统中的广泛应用, 这一问题尤为突出, 需对其机理进行深入的研究, 并在
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这样, 才能逐步消除电磁干扰的影响, 具有较高的可靠性。
参考文献
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收稿日期:2003-01-31
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