一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共模電磁干擾濾波器的設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共模電磁干擾濾波器。
【背景技術(shù)】
[0002] 電磁兼容問(wèn)題廣泛存在于各類(lèi)電氣系統(tǒng)中，在電力電子設(shè)備及系統(tǒng)中尤為突出。 為抑制功率器件高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)作帶來(lái)的電磁干擾傳導(dǎo)發(fā)射，通常需要安裝電磁干擾濾波器， 以下簡(jiǎn)稱EMI濾波器。目前，常用的EMI濾波器設(shè)計(jì)方法包括：
[0003] 1.通過(guò)試驗(yàn)反復(fù)嘗試不同元件參數(shù)
[0004] 該方法目前最為常用，優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)計(jì)效果一目了然。但缺點(diǎn)也很明顯，即設(shè)計(jì)結(jié)果 來(lái)自試湊，既不能保證設(shè)計(jì)速度，又不能保證設(shè)計(jì)是否最優(yōu)。
[0005] 2.基于濾波器轉(zhuǎn)折頻率的設(shè)計(jì)方法
[0006] 該方法首先確定不安裝濾波器條件下，電磁兼容測(cè)試中檢測(cè)到的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)干 擾幅度，然后用此幅度與電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限值比較，確定需要抑制的干擾幅度，即所 需濾波器插入損耗。該方法的核心在于確定濾波器的轉(zhuǎn)折頻率一一根據(jù)欲設(shè)計(jì)濾波器的拓 撲結(jié)構(gòu)和階數(shù)，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系上繪制插入損耗曲線，以及一族斜率為20n dB/dec的直線， η為濾波器階數(shù)，這一族直線中必有插入損耗曲線相切的直線，其與坐標(biāo)系橫軸的交點(diǎn)即為 索要設(shè)計(jì)濾波器的轉(zhuǎn)折頻率。根據(jù)這個(gè)轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計(jì)濾波器參數(shù)值。
[0007] 該方法存在以下問(wèn)題：
[0008] (1)設(shè)計(jì)中僅考慮了濾波器自身的轉(zhuǎn)移特性，而沒(méi)有考慮系統(tǒng)阻抗對(duì)插入濾波器 后整個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移特性的影響，這會(huì)導(dǎo)致濾波器過(guò)設(shè)計(jì)，不適用于體積空間限制較為嚴(yán)苛的 應(yīng)用條件；
[0009] (2)設(shè)計(jì)針對(duì)的濾波器拓?fù)涫窃O(shè)計(jì)前根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的，并不一定是最適合系統(tǒng)的 拓?fù)洹?br>[0010] 3.基于插入損耗的設(shè)計(jì)方法
[0011] 該方法考慮干擾源阻抗，根據(jù)濾波器插入損耗表達(dá)式來(lái)設(shè)計(jì)濾波器參數(shù)，能夠避 免濾波器過(guò)設(shè)計(jì)。但仍存在問(wèn)題：
[0012] 推導(dǎo)插入損耗表達(dá)式需要具備良好的電路理論知識(shí)，特別是當(dāng)面對(duì)電機(jī)系統(tǒng)這種 阻抗特性復(fù)雜的系統(tǒng)時(shí)，或系統(tǒng)所需濾波器階數(shù)較高時(shí)，插入損耗表達(dá)式推導(dǎo)困難，方法的 可操作性較差。此外，采用該方法仍然不能直觀地選擇濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只能采用阻抗失配 原則進(jìn)行定性選擇。
[0013] 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行中，會(huì)產(chǎn)生明顯的共模干擾，且工作電壓越高，共模干擾越顯 著，需要安裝共模濾波器抑制共模傳導(dǎo)干擾。傳統(tǒng)上，濾波器設(shè)計(jì)采用不斷試錯(cuò)、多輪設(shè)計(jì) 的方法，成本高、時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)計(jì)得到的濾波器參數(shù)也難以保證最優(yōu)。目前廣泛采用基于轉(zhuǎn)折 頻率的濾波器設(shè)計(jì)方法，這種方法僅考慮了濾波器的轉(zhuǎn)移特性，而忽略了系統(tǒng)固有阻抗，需 多次實(shí)驗(yàn)才能確定濾波器參數(shù)。為提高濾波效果預(yù)測(cè)的精確性，可在濾波器設(shè)計(jì)中考慮干 擾源和干擾負(fù)載的阻抗，這類(lèi)方法能夠針對(duì)預(yù)先指定的、且元件較少的濾波器拓?fù)溆?jì)算濾 波元件的參數(shù)，但無(wú)法選擇最優(yōu)拓?fù)?，且不適用于系統(tǒng)阻抗特性復(fù)雜或應(yīng)用高階濾波器的 場(chǎng)合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法的缺點(diǎn)，提出一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共模電磁干擾 濾波器的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明能夠使電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)電磁兼容試驗(yàn)傳導(dǎo)發(fā)射相關(guān)測(cè)試。
[0015] 本發(fā)明基于轉(zhuǎn)移函數(shù)設(shè)計(jì)共模濾波器，在濾波器拓?fù)溥x擇和參數(shù)設(shè)計(jì)上定量考慮 共模干擾源的特性、干擾傳輸路徑阻抗和敏感設(shè)備阻抗，首先確定不同濾波器拓?fù)涞哪繕?biāo) 電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)，再采用非線性最小二乘法設(shè)計(jì)濾波元件值并選擇濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠快 速、準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共模電磁干擾濾波器。
[0016] 所述共模干擾源是指電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)控制器輸出三相電壓的平均值，所述共 模干擾源特性是指共模干擾源電壓頻譜；
[0017] 所述干擾傳輸路徑是指電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁兼容測(cè)試中流過(guò)共模電流的電機(jī)驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)部件，包括電機(jī)控制器、電機(jī)及其部件，或電磁兼容測(cè)試設(shè)備，包括線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) 等；
[0018] 在電磁兼容試驗(yàn)中，所述敏感設(shè)備為電磁干擾接收機(jī)。
[0019] 本發(fā)明具體步驟如下：
[0020] (1)通過(guò)計(jì)算、仿真或測(cè)量得到電磁兼容測(cè)試中，線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性和 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件的阻抗特性：
[0021] 對(duì)于由線性時(shí)不變無(wú)源器件構(gòu)成的、可以用集總電路表示的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件和 電磁兼容測(cè)試設(shè)備，根據(jù)其電路結(jié)構(gòu)，應(yīng)用電路理論，計(jì)算得到其阻抗特性，或通過(guò)計(jì)算機(jī) 電路仿真軟件仿真得到其阻抗特性，此類(lèi)設(shè)備或電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件包括線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) 等。對(duì)于不滿足上述條件的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件或電磁兼容測(cè)試設(shè)備，通過(guò)阻抗分析儀、LCR 表等阻抗測(cè)量設(shè)備，測(cè)量得到其阻抗特性。
[0022] 線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁兼容測(cè)試中的主要測(cè)試設(shè)備。線路阻 抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)三端口網(wǎng)絡(luò)，端口 1與供電電源并聯(lián)，端口 2與被測(cè)設(shè)備并聯(lián)，端口 3 連接用來(lái)測(cè)量傳導(dǎo)發(fā)射的輸入阻抗為50Ω的電磁干擾接收機(jī)。在不同的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn) 中，線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的名稱不同，常見(jiàn)的有：線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，英文Line Impedance Stabilization Network，簡(jiǎn)稱LISN;人工電源網(wǎng)絡(luò)，英文 Artificial Mains Network，簡(jiǎn)稱 AMN ;人工網(wǎng)絡(luò)，英文 Artificial Network，簡(jiǎn)稱 AN。
[0023] 所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件是指對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁兼容測(cè)試結(jié)果有影響的部件，主 要包括直流和交流動(dòng)力電纜、電機(jī)控制器、電機(jī)等。
[0024] (2)任取共模電磁干擾濾波器的元件參數(shù)，通過(guò)仿真得到電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)插入不同 拓?fù)涞乃鰹V波器時(shí)，從干擾源到電磁兼容測(cè)量裝置的干擾電壓轉(zhuǎn)移曲線：
[0025] 針對(duì)待選擇的不同拓?fù)涞墓材ｋ姶鸥蓴_濾波器，在計(jì)算機(jī)電路仿真軟件中分別設(shè) 置各濾波器的仿真模型，并根據(jù)待設(shè)計(jì)濾波器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的電路 連接關(guān)系，在仿真軟件中將濾波器分別與干擾源及電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件連接，通過(guò)仿真軟件 提供的交流分析功能，得到從干擾源電壓到電磁干擾接收機(jī)檢測(cè)出的共模電壓的電壓轉(zhuǎn)移 函數(shù)。
[0026] 所述待選擇的濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括：電感-電容濾波器，即LC型濾波器、電容-電 感濾波器，即CL型濾波器、電感-電容-電感濾波器，即LCL型濾波器、電容-電感-電容 濾波器，即CLC型濾波器等。
[0027] 所述系統(tǒng)部件的阻抗特性為步驟（1)中得到的阻抗特性，包括線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) 阻抗特性，電機(jī)阻抗特性，電纜、母線排等電氣互聯(lián)結(jié)構(gòu)的阻抗特性等。
[0028] 所述干擾源為電壓源、電流源或其組合。
[0029] 所述干擾電壓轉(zhuǎn)移曲線是指電磁干擾接收機(jī)檢測(cè)到的共模電壓VEMI與干擾源電壓 VCM比值對(duì)數(shù)化后的結(jié)果，記為H d。，如下式所示：
[0031] 其中，f是頻率，201g(·)為20倍的以10為底的對(duì)數(shù)。
[0032] (3)根據(jù)步驟⑵得到的干擾電壓轉(zhuǎn)移曲線Hd。，寫(xiě)出以復(fù)頻率s為自變量的包含 待定參數(shù)的電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)表達(dá)式：
[0033] 所述電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)表達(dá)式的通式為
[0035] 式中，。和f\n分別為該式分子的第m個(gè)和第η個(gè)待定轉(zhuǎn)折頻率，f Βι1和fBi]分別 為該式分母的第i個(gè)和第j個(gè)待定轉(zhuǎn)折頻率，1為復(fù)頻率s的指數(shù)，M、N、I、J分別為m、n、 i、j的最大值，分別表示分子分母中一次和二次因式的數(shù)量，ΡΑιΠ 1、ΡΑ，η、ΡΒι1、ΡΜ為待定常數(shù)， s為復(fù)頻率，其與頻率f的關(guān)系為：
[0036] s = j · 2 π f (3)
[0037] 式中j為虛數(shù)單位。
[0038] 確定以復(fù)頻率s為自變量的，包含待定系數(shù)和待定轉(zhuǎn)折頻率的電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)表達(dá) 式的方法為：
[0039] 將步驟（2)得到的干擾電壓轉(zhuǎn)移曲線繪制在正交坐標(biāo)系上，其中縱坐標(biāo)為Hd。，橫 坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為線性坐標(biāo)，橫坐標(biāo)為對(duì)數(shù)坐標(biāo)。根據(jù)低頻段斜率k確定分子上復(fù)頻率 s的指數(shù)1的值：
[0041] 根據(jù)斜率隨頻率的變化，確定式（2)中表示因式數(shù)量的變量I、J、M、N的值，斜率 變化的頻率為轉(zhuǎn)折頻率。當(dāng)斜率減小20dB/dec時(shí)，I增加1，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)折頻率為fBiI，在后續(xù) 步驟（6)中可以指定其頻率值；當(dāng)斜率減小40dB/dec時(shí)，J增加1，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)折頻率為fBiJ， 或I增加2,對(duì)應(yīng)2個(gè)相等的轉(zhuǎn)折頻率，分別為fBiI JP fBiI，在后續(xù)步驟（6)中可以指定轉(zhuǎn) 折頻率值；當(dāng)斜率減小20Q/dec時(shí)，I增加 a，J增加 β，Q、α、β均為正整數(shù)或〇,并滿足 下式：
[0042] 20Q = 20 α +40 β (5)
[0043] 對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)折頻率為fBiI，