电机的电磁兼容问题

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

,

66 电机的电磁兼容问题 中小型电机 2004, 31(2)

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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