無刷直流電機(jī)供電系統(tǒng)的電磁干擾分析及抑制

1、船電技術(shù)|應(yīng)用研究 V ol.30 No.2 2010.2 22無刷直流電機(jī)供電系統(tǒng)的電磁干擾分析及抑制李一鳴(湖南理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院,岳陽 414000摘 要:本文討論了無刷直流電機(jī)供電系統(tǒng)的電磁干擾問題; 分析了無刷直流電機(jī)整流逆變器電磁干擾產(chǎn)生的原因,并在此基礎(chǔ)上提出了抑制整流逆變器中電磁干擾的方法。抑制無刷直流電機(jī)供電系統(tǒng)中電磁干擾問題對(duì)提高電機(jī)正常運(yùn)行和穩(wěn)定性有極為重要的意義。 關(guān)鍵詞:無刷直流電機(jī) 電磁干擾 干擾機(jī)理中圖分類號(hào):TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-4862 (201002 -0022-03Analysis and Suppression of the El

2、ectromagnetic Interferencein Brushless DC Motor Power Supply SystemLi Yiming(Department of Computer, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, ChinaAbstract: In this paper, EMI of BLDCM power supply system is discussed. The reasons that causes EMI of BLDCM rectifier inverter is anal

3、yzed. And the methods of suppression EMI is given. The suppression EMI of BLDCM power supply system is very important to improve normal operation and stability of motor. Key words: brushless DC motor (BLDCM ; electromagnetic interference (EMI ; interfere mechanism1 引言電磁干擾在電機(jī)控制中越來越成為一個(gè)嚴(yán)重的問題,在無刷直流電機(jī)的應(yīng)

4、用中, 如何減少電磁干擾也是一個(gè)重要的問題1。在無刷直流電機(jī)應(yīng)用中, 一方面, 要分析在電機(jī)供電系統(tǒng)中電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理;另一方面,在電機(jī)供電電路設(shè)計(jì)上如何盡量減少電磁干擾的產(chǎn)生。下面從電機(jī)整流逆變器方面來分析電磁干擾的產(chǎn)生及減少電磁干擾的措施。2 干擾源分析無刷直流電機(jī)供電系統(tǒng)模型如圖1所示,無刷直流電機(jī)整流逆變器產(chǎn)生電磁干擾最根本的原因,就是其在工作過程中產(chǎn)生的高d i /d t 和高d v /d t ,它們產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。工頻整流濾波使用的大電容充電放電、開關(guān)管高頻工作時(shí)的電壓切換都是這類干擾源。無刷直流電機(jī)供電系統(tǒng)中電壓電流波形大多為接近矩形的周期波,比如開關(guān)管的

5、驅(qū)動(dòng)波形、IGBT 波形等。對(duì)于矩形波,周期的倒數(shù)決定了波形的基波頻率;兩倍脈沖邊緣上升時(shí)間或下降時(shí)間的倒數(shù)決定了這些邊緣引起的頻率分量的頻率值,典型的值在MHz 范圍,而它的諧波頻率就更高了。這些高頻信號(hào)都對(duì)無刷直流電機(jī)的基本信號(hào),尤其是對(duì)控制電路的信號(hào)造成干擾。圖1 無刷直流電機(jī)供電系統(tǒng)原理圖無刷直流電機(jī)供電系統(tǒng)的電磁噪聲從噪聲源來說可以分為兩大類。一類是外部噪聲,例如,通過電網(wǎng)傳輸過來的共模和差模噪聲、外部電磁輻射對(duì)供電系統(tǒng)控制電路的干擾等。另一類是供電系統(tǒng)自身產(chǎn)生的電磁噪聲,如開關(guān)管電流尖峰產(chǎn)生的諧波及電磁輻射干擾。如圖2所示2,電網(wǎng)中含有的共模和差模噪收稿日期: 2009-09-20

6、作者簡介:李一鳴(1979- ,女,講師,主要從事計(jì)算機(jī)硬件和電子設(shè)計(jì)方面的研究。Vol.30 No.2 2010.2 船電技術(shù)|應(yīng)用研究 23聲對(duì)無刷直流供電系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,供電系統(tǒng)在受到電磁干擾的同時(shí)也對(duì)電機(jī)負(fù)載產(chǎn)生電磁干擾(如圖中的返回噪聲、輸出噪聲和輻射干擾。進(jìn)行無刷直流電機(jī)供電系統(tǒng)EMI 設(shè)計(jì)時(shí)一方面要防止供電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)和附近的電子設(shè)備產(chǎn)生干擾,另一方面要加強(qiáng)供電系統(tǒng)本身對(duì)電磁騷擾環(huán)境的適應(yīng)能力。下面具體分析供電系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生的原因和途徑。 圖2 無刷直流電機(jī)供電系統(tǒng)噪聲類型圖2.1 電源線引入的電磁噪聲電源線噪聲是電網(wǎng)中各種用電設(shè)備產(chǎn)生的電磁騷擾沿著電源線傳播所造成的。電源線噪聲分為兩

7、大類:共模干擾、差模干擾,如圖2所示。共模干擾是指任何載流導(dǎo)體與參考地之間不希望有的電位差;差模干擾是指任何兩個(gè)載流導(dǎo)體之間不希望有的電位差。共模干擾電流不通過地線,而通過輸入電源線傳輸。而差模干擾電流通過地線和輸入電源線回路傳輸。所以,我們?cè)O(shè)置電源線濾波器時(shí)要考慮到差模干擾和共模干擾的區(qū)別,在其傳輸途徑上使用差?；蚬材V波元件抑制它們的干擾,以達(dá)到最好的濾波效果。 2.2 輸入電流畸變?cè)斐傻脑肼暉o刷直流電機(jī)的供電系統(tǒng)中的直流電壓一般采用交流輸入電經(jīng)橋式整流、電容濾波型整流得到3。如圖3所示,在沒有PFC 功能的輸入級(jí),由于整流二極管的非線性和濾波電容的儲(chǔ)能作用,使得二極管的導(dǎo)通角變小,輸入電

8、流I i 成為一個(gè)時(shí)間很短、峰值很高的周期性尖峰電流。這種畸變的電流實(shí)質(zhì)上除了包含基波分量以外還含有豐富的高次諧波分量。這些高次諧波分量不但產(chǎn)生的諧波污染,而且對(duì)無刷直流電機(jī)的正常運(yùn)行產(chǎn)生干擾。為了抑制整流逆變器對(duì)電機(jī)的污染和干擾,PFC 電路是不可或缺的部分。 2.3 分布及寄生參數(shù)引起的供電系統(tǒng)噪聲整流逆變器的分布參數(shù)是多數(shù)干擾的內(nèi)在因素,例如供電系統(tǒng)和散熱器之間的分布電容就是 圖3 未加PFC 的輸入電壓和輸入電流波形圖噪聲源4。整流逆變器與散熱器之間的分布電容與開關(guān)管的結(jié)構(gòu)以及開關(guān)管的安裝方式有關(guān)。采用帶有屏蔽的絕緣襯墊可以減小開關(guān)管與散熱器之間的分布電容。如圖4所示,在高頻工作下的元

9、件都有高頻寄生特性,對(duì)其工作狀態(tài)產(chǎn)生影響。高頻工作時(shí)導(dǎo)線變成了發(fā)射線、電容變成了電感、電感變成了電容、電阻變成了共振電路。觀察圖4中的頻率特性曲線可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)頻率過高時(shí)各元件的頻率特性產(chǎn)生了相當(dāng)大的變化。為保證整流逆變器在高頻工作時(shí)的穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)時(shí)要充分考慮元件在高頻工作時(shí)的特性,選擇使用高頻特性比較好的元件。另外,在高頻時(shí)導(dǎo)線寄生電感的感抗顯著增加,由于電感的不可控性,最終使其變成一根發(fā)射線,也就成為了供電系統(tǒng)中的輻射干擾源。 圖4 高頻工作下的元件頻率特性3 EMI 抑制措施電磁兼容的三要素是干擾源、耦合通路和敏感體,抑制以上任何一項(xiàng)都可以減少電磁干擾問題。整流逆變器工作在高電壓大

10、電流的高頻開關(guān)狀態(tài)時(shí),其引起的電磁兼容性問題是比較復(fù)雜的。但是,仍符合基本的電磁干擾模型,可以從三要素入手尋求抑制電磁干擾的方法。 3.1 整流逆變器中各類電磁干擾源抑制為了解決輸入電流波形畸變和降低電流諧波含量,開關(guān)電源需要使用功率因數(shù)校正(PFC 技術(shù)。PFC 技術(shù)使得電流波形跟隨電壓波形,將電流波形校正成近似的正弦波。從而降低了電流諧波含量,改善了橋式整流電容濾波電路的輸入特性,同時(shí)也提高了電機(jī)的功率因數(shù)。軟開關(guān)技術(shù)是減小開關(guān)器件損耗和改善開關(guān)器件電磁兼容特性的重要方法。開關(guān)器件開通和船電技術(shù)|應(yīng)用研究 V ol.30 No.2 2010.2 24關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生浪涌電流和尖峰電壓,這是開關(guān)

11、管產(chǎn)生電磁干擾及開關(guān)損耗的主要原因。使用軟開關(guān)技術(shù)使開關(guān)管在零電壓、零電流時(shí)進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換可以有效地抑制電磁干擾。3.2 切斷電磁干擾傳輸途徑-共模、差模電源線濾波器設(shè)計(jì)電源線干擾可用電源線濾波器濾除,整流逆變器EMI 濾波器基本電路見圖5。一個(gè)合理有效的整流逆變器EMI 濾波器應(yīng)該對(duì)電源線上差模干擾和共模干擾都有較強(qiáng)的抑制作用。在圖5中C X 1和C X 2叫做差模電容,L 1叫做共模電感,C Y 1和C Y 2叫做共模電容。差模濾波元件和共模濾波元件分別對(duì)差模和共模干擾有較強(qiáng)的衰減作用。共模電感L 1是在同一個(gè)磁環(huán)上由繞向相反、匝數(shù)相同的兩個(gè)繞組構(gòu)成。通常使用環(huán)形磁芯,漏磁小,效率高,但是繞

12、線困難。當(dāng)市網(wǎng)工頻電流在兩個(gè)繞組中流過時(shí)為一進(jìn)一出,產(chǎn)生的磁場(chǎng)恰好抵消,使得共模電感對(duì)市網(wǎng)工頻電流不起任何阻礙作用,可以無損耗地傳輸。如果市網(wǎng)中含有共模噪聲電流通過共模電感,這種共模噪聲電流是同方向的,流經(jīng)兩個(gè)繞組時(shí),產(chǎn)生的磁場(chǎng)同相疊加,使得共模電感對(duì)干擾電流呈現(xiàn)出較大的感抗,由此起到了抑制共模干擾的作用。實(shí)際使用中共模電感兩個(gè)電感繞組由于繞制工藝的問題會(huì)存在電感差值,不過這種差值正好被利用作差模電感。所以,一般電路中不必再設(shè)置獨(dú)立的差模電感了。共模電感的差值電感與電容C X 1及C X 2構(gòu)成了一個(gè)型濾波器。這種濾波器對(duì)差模干擾有較好的衰減。除共模電感以外,圖5中的電容C Y 1及C Y 2

13、也是用來濾除共模干擾的。共模濾波的衰減在低頻時(shí)主要由電感器起作用,而在高頻時(shí)大部分由電容C Y 1及C Y 2起作用。電容C Y 的選擇要根據(jù)實(shí)際情況來定,由于電容C Y 接于電源線和地線之間,承受的電壓比較高,所以,需要有高耐壓、低漏電流特性。差模干擾抑制器通常使用低通濾波元件構(gòu)成,最簡單的就是一只濾波電容接在兩根電源線之間而形成的輸入濾波電路(如圖5中電容C X 1,只要電容選擇適當(dāng),就能對(duì)高頻干擾起到抑制作用。該電容對(duì)高頻干擾阻抗甚低,故兩根電源線之間的高頻干擾可以通過它,它對(duì)工頻信號(hào)的阻抗很高,故對(duì)工頻信號(hào)的傳輸毫無影響。該電容的選擇主要考慮耐壓值,只要滿足功率線路的耐壓等級(jí),并能承受

14、可預(yù)料的電壓沖擊即可。為了避免放電電流引起的沖擊危害,C X 電容容量不宜過大,一般在0.010.1 F 之間。電容類型為陶瓷電容或聚酯薄膜電容。圖5 無刷直流電機(jī)供電系統(tǒng)EMI 濾波器抑制輻射噪聲的有效方法就是屏蔽?？梢杂脤?dǎo)電性能良好的材料對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行屏蔽,用磁導(dǎo)率高的材料對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽。供電系統(tǒng)中的連接線,電源線都應(yīng)該使用具有屏蔽層的導(dǎo)線,盡量防止外部干擾耦合到電路中。或者使用磁珠、磁環(huán)等EMC 元件,濾除電源及信號(hào)線的高頻干擾,但是,要注意信號(hào)頻率不能受到EMC 元件的干擾,也就是信號(hào)頻率要在濾波器的通帶之內(nèi)。整個(gè)供電系統(tǒng)的外殼也需要有良好的屏蔽特性,接縫處要符合EMC 規(guī)定的屏蔽要求。通

15、過上述措施保證供整流逆變器既不受外部電磁環(huán)境的干擾也不會(huì)對(duì)外部電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。4 結(jié)束語如今在電機(jī)用途應(yīng)用越來越廣泛DE 的情況下,EMI 問題成為了電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵因素,也是一個(gè)最容易忽視的方面。因此,電機(jī)供電系統(tǒng)的EMI 抑制技術(shù)在電機(jī)設(shè)計(jì)中占有很重要的位置。實(shí)踐證明,EMI 問題越早考慮、越早解決,費(fèi)用越小、效果越好。參考文獻(xiàn):1 許士玉. 國內(nèi)電磁兼容檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室簡介. 安全與電磁兼容,2002, (5 :5053.2 J.Cros, S.Astier, J.M.Vinassa, etal. EMI Tests on aBrushless Actuator: Comparision of Operation Modes. Proceedings of the Fifth European Conference on Power Electronics and Applications,1993,(7:138143.3 周志敏, 周紀(jì)海, 紀(jì)愛華