1、一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容2第第6章章 一体化电机一体化电机系统中的电磁兼容概况系统中的电磁兼容概况第第7章章 一体化电机一体化电机驱动系统电磁干扰的特点驱动系统电磁干扰的特点第第8章章 一体化电机系统主要部件高频等效电路的建立一体化电机系统主要部件高频等效电路的建立第第9章章 一体化电机系统传导电磁干扰测试与诊断技术一体化电机系统传导电磁干扰测试与诊断技术第第10章章 一体化一体化电机系统干扰源的电机系统干扰源的数学模型数学模型第第11章章 一体化一体化电机系统干扰源的电机系统干扰源的抑制抑制第第12章章 一体化一体化电机电机系统系统EMI滤波器的设计滤波器的设计第
2、第13章章 电磁兼容设备简介电磁兼容设备简介一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容36.1一体化电机系统电磁干扰的研究现状一体化电机系统电磁干扰的研究现状分析分析6.2一体化电机系统传导干扰研究的热点问题一体化电机系统传导干扰研究的热点问题6.3一体化电机系统瞬态电磁特性研究的热点一体化电机系统瞬态电磁特性研究的热点6.4一体化电机系统中的负面效应一体化电机系统中的负面效应一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容4从从系统系统的的角度角度：系统系统自身的自身的干扰干扰、运行运行环境的环境的干扰干扰按按噪声噪声的的频率频率：低频传导干扰低频传导干扰、高频高频辐射干扰辐射
3、干扰。按按技术技术的的相关性相关性：系统系统抗扰度抗扰度、电磁干扰电磁干扰的传播的传播特性特性、电磁兼容测电磁兼容测 量技术量技术、电磁干扰电磁干扰的抑制技术。的抑制技术。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容5国内对电气工程领域国内对电气工程领域EMC问题的研究正逐步开展问题的研究正逐步开展起来，起来，但对一体但对一体化电机系统中变流装置引起的干扰研究还很少。化电机系统中变流装置引起的干扰研究还很少。西安交通大学和天津大学西安交通大学和天津大学：逆变器：逆变器输出脉冲电压的输出脉冲电压的反射反射浙江大学针浙江大学针：开关：开关电源的电源的EMI问题问题南京航空航天大学南京航空航
4、天大学：单相：单相全桥电路的干扰问题进行了建模和全桥电路的干扰问题进行了建模和仿真仿真清华大学清华大学：电力：电力电子装置电磁干扰的传播特性做了一些电子装置电磁干扰的传播特性做了一些研究研究海军工程大学海军工程大学：电机：电机的传导干扰做了一些的传导干扰做了一些研究研究哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学：电机：电机系统的共模电压抑制系统的共模电压抑制方法方法 逆变器逆变器后长电缆的电压后长电缆的电压反反 射现象射现象传导干扰的研究传导干扰的研究一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容6辐射辐射干扰干扰的研究的研究 辐射干扰：控制驱动器内部的辐射干扰辐射干扰：控制驱动器内部的辐射干扰场线场
5、线耦合耦合模型模型 Taylor模型模型 Agrawal模型模型 Rachidi模型模型三相无损均匀传输线的三相无损均匀传输线的模型模型 一体化电机系统中长线电缆模型建立一体化电机系统中长线电缆模型建立 功率变换器中的散热片的辐射功率变换器中的散热片的辐射问题问题 散热片散热片的的天线效应天线效应PCB板板的的EMI问题等问题等 过过孔连接、印制线或边缘传输线孔连接、印制线或边缘传输线一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容7一体化一体化电机系统的传导和辐射干扰问题，不仅要妨碍临近设备的正常工作，电机系统的传导和辐射干扰问题，不仅要妨碍临近设备的正常工作，而且同时也而且同时也影响系
6、统中控制和检测单元影响系统中控制和检测单元的稳定运行的稳定运行。一体化一体化电机系统的传导干扰由于是沿导线传播，比起辐射干扰来说，电机系统的传导干扰由于是沿导线传播，比起辐射干扰来说，抑制抑制更更为困难。不同的电机系统，其干扰的强度和频率特性不同，即使同一系统，为困难。不同的电机系统，其干扰的强度和频率特性不同，即使同一系统，采用不同的控制措施，其干扰信号的特性也不同采用不同的控制措施，其干扰信号的特性也不同。更为更为重要的是在一体化电机系统中主要的重要的是在一体化电机系统中主要的传导干扰源传导干扰源基本上都是电力半导体基本上都是电力半导体开关器件开关器件(直流电机系统除外，它包括换向器直流电
7、机系统除外，它包括换向器)动作所产生的电压或电流跳变，动作所产生的电压或电流跳变，往往不只一个，而且可能多个开关同时动作，每个干扰源都是经过调制出来往往不只一个，而且可能多个开关同时动作，每个干扰源都是经过调制出来的系列脉冲串，在脉冲中除了上升沿和下降沿包含有丰富的高次谐波以外，的系列脉冲串，在脉冲中除了上升沿和下降沿包含有丰富的高次谐波以外，还包括了开通和关断时产生的高频振荡衰减的还包括了开通和关断时产生的高频振荡衰减的波形波形。a)调制脉冲串调制脉冲串 b)单个脉冲展开形状单个脉冲展开形状一体化电机系统声源波形示意图一体化电机系统声源波形示意图一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电
8、磁兼容8电机系统元器件繁多，布局复杂，所以器件与器件之间存在着大量的电机系统元器件繁多，布局复杂，所以器件与器件之间存在着大量的分布分布参数参数，功率器件同装置中其它部分相互耦合可为传导干扰提供传播途径，功率器件同装置中其它部分相互耦合可为传导干扰提供传播途径，系统的布局不同其耦合程度也系统的布局不同其耦合程度也不同。不同。功率开关器件的功率开关器件的开关运行状态开关运行状态引起系统中各组件间复杂的相互耦合作用就引起系统中各组件间复杂的相互耦合作用就会形成传导干扰会形成传导干扰。共模共模干扰干扰主要是由于系统功率变换器中的功率半导体开关器件开关动作引主要是由于系统功率变换器中的功率半导体开关器
9、件开关动作引起起的的du/dt经经系统对地杂散电容耦合而系统对地杂散电容耦合而传播传播。差差模干扰模干扰则主要是由于功率半导体开关器件开关引起则主要是由于功率半导体开关器件开关引起的的di/dt经经输入输出线间输入输出线间的导体传播的导体传播。共模干扰和差模干扰是可以共模干扰和差模干扰是可以相互转化相互转化的，并不是绝对分开的的，并不是绝对分开的。VsABD1D4D2D3V2V3ESCpC1R1C2R2(a)(b)共模电流传输通道的不平衡造成共模电流传输通道的不平衡造成非本质差模噪声的非本质差模噪声的电路图电路图一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容9准确有效的模型不仅能用来进行
10、准确有效的模型不仅能用来进行EMI的预测而且有利于滤波器的的预测而且有利于滤波器的设计。设计。目前目前功率变换器的等效电路模型主要集中在传导干扰频段，传导干扰预测功率变换器的等效电路模型主要集中在传导干扰频段，传导干扰预测应用中最基本的预测模式是干扰源加干扰耦合应用中最基本的预测模式是干扰源加干扰耦合通道。通道。对对干扰源的建模主要有干扰源的建模主要有时域建模时域建模和和频域建模频域建模两种方法两种方法：时域建模：时域建模：用用物理元件如开关管、电阻、电感和电容器的相关模型来模拟物理元件如开关管、电阻、电感和电容器的相关模型来模拟 EMI发射发射源。源。特点：特点：很很容易理解系统的容易理解系
11、统的 EMI发射发射机理；机理；频域建模：频域建模：需要需要通过傅立叶变换将开关器件波形由时域转化成频域，并且以通过傅立叶变换将开关器件波形由时域转化成频域，并且以频频 域域参量表示噪声传播路径的阻抗参数，那么很容易计算得到系统的参量表示噪声传播路径的阻抗参数，那么很容易计算得到系统的 EMI噪声频谱噪声频谱分布。分布。特点：特点：能够能够快速地预测快速地预测 EMI频谱，但模型的电路意义不够频谱，但模型的电路意义不够直观。直观。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容10建立系统精确时域模型的建立系统精确时域模型的步骤步骤(1)建立建立功率半导体器件的高频模型功率半导体器件的高频
12、模型。(2)建立建立无源器件的高频无源器件的高频模型。模型。(3)提取提取PCB板的寄生参数并建立高频板的寄生参数并建立高频模型。模型。(4)将所抽取到的元器件的寄生参数和将所抽取到的元器件的寄生参数和PCB板的分布参数加入到电路原理图中，板的分布参数加入到电路原理图中，构成完整的可以用于仿真传导构成完整的可以用于仿真传导EMI的电路模型的电路模型。(5)使用电路仿真软件对模型电路进行瞬态分析。其中使用的仿真软件有使用电路仿真软件对模型电路进行瞬态分析。其中使用的仿真软件有Saber、Pspice等。等。频域分析频域分析方法方法的的主要主要思想思想先先推导出干扰源的时域表达式，再得到频域表示式
13、，进而计算出落到线路推导出干扰源的时域表达式，再得到频域表示式，进而计算出落到线路阻抗稳定网络上的干扰电压频谱。阻抗稳定网络上的干扰电压频谱。例如：例如：有文献从有文献从电路的角度介绍了变换器传导电磁干扰集中等效电路的建模方法，电路的角度介绍了变换器传导电磁干扰集中等效电路的建模方法，提出一种简单易行的方法估计变换器的噪声源和内阻抗，通过共模噪声源和共模提出一种简单易行的方法估计变换器的噪声源和内阻抗，通过共模噪声源和共模内阻抗以及差模噪声源和差模内阻抗来预测滤波器的抑制内阻抗以及差模噪声源和差模内阻抗来预测滤波器的抑制效果。效果。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容11南京航
14、空航天大学南京航空航天大学：全：全桥开关型变换器电磁干扰桥开关型变换器电磁干扰模型模型 运用运用Cadence软件软件提取变换器提取变换器印刷电路板主要印制导线的印刷电路板主要印制导线的寄生寄生 参数参数，结合阻抗测试仪和，结合阻抗测试仪和MATLAB软件软件提取变换器提取变换器主要元主要元器器 件件的寄生参数，并且用的寄生参数，并且用Saber进行仿真。进行仿真。浙江大学浙江大学：开关电源的传导共模电流开关电源的传导共模电流分析模型分析模型 Boost电路电磁干扰进行了建模（时域模型电路和频域分析模型电路电磁干扰进行了建模（时域模型电路和频域分析模型）半导体半导体功率器件的高频功率器件的高频
15、模型模型清华大学清华大学：PWM开关电源电磁干扰传播通道的电路开关电源电磁干扰传播通道的电路模型模型西安电子科技大学西安电子科技大学：高频：高频集总传导干扰的传输线集总传导干扰的传输线模型模型海军工程大学海军工程大学：交流发电机：交流发电机整流系统传导干扰的时域整流系统传导干扰的时域模型模型国内的研究学者在建立系统的高频模型国内的研究学者在建立系统的高频模型方面表现在：方面表现在：一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容12一体化电机系统传导干扰测试电路原理图一体化电机系统传导干扰测试电路原理图通常测试系统在一个平面上，标准实验台的高度为八十厘米。实验台上放有接通常测试系统在一个平
16、面上，标准实验台的高度为八十厘米。实验台上放有接地板，所有的待测设备、仪器和电缆都应该安装（放置）在该接地板上，该系地板，所有的待测设备、仪器和电缆都应该安装（放置）在该接地板上，该系统的所有设备不应超出该接地板的边缘，用它代替有噪声的、不确定的、未连统的所有设备不应超出该接地板的边缘，用它代替有噪声的、不确定的、未连接参考地的交流电源墙座（连接到安全地）。接参考地的交流电源墙座（连接到安全地）。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容13线性阻抗稳定网络的原理框图线性阻抗稳定网络的原理框图 线性阻抗网络（线性阻抗网络（LISN）：它：它由由50H的的电感电感、1 F、0.1 F
17、的电容和的电容和50 的的电阻构成电阻构成。三三个基本作用：个基本作用：1）、阻碍交流电网侧的噪声）、阻碍交流电网侧的噪声；2）、提供一个线性）、提供一个线性阻阻 抗抗（已知高频特性的）（已知高频特性的）；3）、提供一个）、提供一个50的的终端（在终端（在150k-30MHz频率频率范围范围 内内）用于测试噪声，探测系统传导骚扰信号。）用于测试噪声，探测系统传导骚扰信号。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容14 电磁干扰接收机电磁干扰接收机由于由于测量信号的微弱，要求接收机本身的噪声极小，灵敏度高，检波器的测量信号的微弱，要求接收机本身的噪声极小，灵敏度高，检波器的动态范围大，
18、前级电路过载能力强，测量精度满足动态范围大，前级电路过载能力强，测量精度满足 的要求。的要求。传感器传感器衰减器衰减器校正信号源校正信号源射射 频频放放 大大混混 频频器器中中 频频放放 大大检检 波波器器输输 出出指指 示示本本 振振电磁干扰电磁干扰接收机原理框图接收机原理框图 电磁噪声强度电磁噪声强度的的表征方法表征方法：傅立叶：傅立叶（Fourier）变换后得其频谱图，）变换后得其频谱图，频谱分析频谱分析是是EMI诊断测量的理论基础诊断测量的理论基础之一。之一。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容15电磁干扰源电磁干扰源传播途径传播途径敏感敏感设备设备（受扰体）（受扰体）
19、减小干扰源强度减小干扰源强度正正激激变换器开关变换器开关频率调制频率调制技术技术随机随机开关频率调制开关频率调制方式方式利用两个相反方向矢量利用两个相反方向矢量“回扫回扫”的方法来取代的方法来取代零矢量的作用零矢量的作用优化驱动优化驱动电路：即抑制电路：即抑制du/dt和和di/dt的的技术技术 常规常规方法是采用缓冲方法是采用缓冲电路电路 改变开关器件的门极驱动电路改变开关器件的门极驱动电路改变改变电路拓扑电路拓扑切断电磁干扰传播路径切断电磁干扰传播路径提高敏感设备的抗扰性提高敏感设备的抗扰性无源滤波无源滤波 由由无源器件无源器件组成组成 最有效最有效、最常用最常用有源滤波有源滤波 在在电路
20、中加入电路中加入有源电路有源电路 传导干扰：三要素传导干扰：三要素 对称结构消除对称结构消除变换器输出的共模变换器输出的共模电压电压 三相三相四桥臂功率变换器四桥臂功率变换器方案方案 添加添加辅助零状态辅助零状态开关开关改进控制策略改进控制策略拓扑结构示例拓扑结构示例一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容16Isao Takahashi提出的用于消除共模电流的有源提出的用于消除共模电流的有源EMI滤波器：滤波器：有源有源滤波器：滤波器：有源电路有源电路中的检测环节可以检测系统中出现的电磁干扰电流中的检测环节可以检测系统中出现的电磁干扰电流或者电压，通过其与系统的连接途径，反方向将
21、检测到的干扰传递给系统，或者电压，通过其与系统的连接途径，反方向将检测到的干扰传递给系统，与系统中所产生的电磁干扰的电流或电压大小相等但方向相反，互相抵消，与系统中所产生的电磁干扰的电流或电压大小相等但方向相反，互相抵消，这样就抑制了系统中的电磁干扰噪声。这样就抑制了系统中的电磁干扰噪声。日本学者日本学者Satoshi Ogasawara提出，用于消除提出，用于消除PWM功率变换器产生的共模电压：功率变换器产生的共模电压：一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容17D.A.Rendusara等学者提出了改进型二阶等学者提出了改进型二阶RLC低通功率变换器输出滤波器：低通功率变换器输
22、出滤波器：A.V.Jouanne等学者所提出的共模变压器方案：等学者所提出的共模变压器方案：无源滤波器无源滤波器一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容18对于功率变换器的瞬态特性研究，按照对于功率变换器的瞬态特性研究，按照研究对象研究对象分主要集中于以下几方面：分主要集中于以下几方面：(1)高速数字电路的信号高速数字电路的信号完整性完整性 包括包括微带线和带状线间的耦合串扰、谐振问题、不完整地平面的寄生微带线和带状线间的耦合串扰、谐振问题、不完整地平面的寄生模式模式 (如槽线模、表面波模等如槽线模、表面波模等)、阻抗突变的反射等问题、阻抗突变的反射等问题。(2)散热器的电磁辐射散
23、热器的电磁辐射特性特性(3)屏蔽电缆屏蔽电缆束的束的辐射敏感性辐射敏感性研究研究方法方法：在在近场区的低频近场区的低频电磁现象，研究方法以传导途径的集总参数电路模拟为主电磁现象，研究方法以传导途径的集总参数电路模拟为主。在在高频段高频段，将干扰源简化为电或磁偶极子辐射源，以远场区平面波的研究，将干扰源简化为电或磁偶极子辐射源，以远场区平面波的研究方法为主。方法为主。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容19由于电机系统增加了包括变流器及控制器在内的功率变换器，在变流部分由于电机系统增加了包括变流器及控制器在内的功率变换器，在变流部分多采用多采用PWM调制技术，使得半导体开关器件两
24、端的电压及其流过的电流调制技术，使得半导体开关器件两端的电压及其流过的电流发生类似阶跃变化，产生很高的发生类似阶跃变化，产生很高的 和和，进而产生很强瞬间干扰。，进而产生很强瞬间干扰。22kW三相电机变频器电磁骚扰三相电机变频器电磁骚扰一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容20500kW高压变频设备的辐射发射测试高压变频设备的辐射发射测试电机启动后电机启动后电机启动前电机启动前另一方面，功率变换器内部结构复杂、电气连接交错排列，使其中的电磁另一方面，功率变换器内部结构复杂、电气连接交错排列，使其中的电磁波多次散射、衍射。因此波多次散射、衍射。因此功率变换器内部电磁场是静态场、稳态
25、场、似稳功率变换器内部电磁场是静态场、稳态场、似稳场和瞬态场的合成场，内部的电磁波也具有多模式、交叉极化和模式耦合场和瞬态场的合成场，内部的电磁波也具有多模式、交叉极化和模式耦合等特性。等特性。这些电磁场与电磁波构成了变换器电磁内环境。这些电磁场与电磁波构成了变换器电磁内环境。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容21在功率变换器内电磁环境中存在潜在的在功率变换器内电磁环境中存在潜在的和难以预知的电磁发射，其原因是功率和难以预知的电磁发射，其原因是功率变换器中蕴藏着形式多样的干扰源，其变换器中蕴藏着形式多样的干扰源，其中主要是半导体中主要是半导体(如功率二极管、如功率二极管、MO
26、SFET、IGBT和和IPM等等)反相恢复噪反相恢复噪声和开关频率的高次谐波，还有电感和声和开关频率的高次谐波，还有电感和变压器的高频噪声等。这些干扰源分布变压器的高频噪声等。这些干扰源分布在变换器中对敏感元件在变换器中对敏感元件(如控制单元的如控制单元的数字数字/模拟集成电路、模拟集成电路、DSP、FPGA、A/D、D/A等等)和敏感信号线和敏感信号线(信号反馈、信号反馈、故障检测等线路故障检测等线路)形成干扰。形成干扰。v半导体开关器件与散热半导体开关器件与散热器之间的容性耦合器之间的容性耦合v散热器天线效应散热器天线效应v散热器之间的串扰散热器之间的串扰v散热器对微带线骚扰散热器对微带线
27、骚扰v微带线阻抗突变引起的微带线阻抗突变引起的反射、失真和串扰反射、失真和串扰一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容22根据干扰源与受扰体结构特征划分两类场分析模型：根据干扰源与受扰体结构特征划分两类场分析模型：微带微带结构结构特点特点：是是信号能量大部分被限制在地参考面上方微带线以下很窄的区域内，信号能量大部分被限制在地参考面上方微带线以下很窄的区域内，而且该区域的介电常数而且该区域的介电常数较大较大。折皱表面折皱表面结构结构特点：具有周期性，因此齿间场函数也具有周期特征。而且表面电流较大，特点：具有周期性，因此齿间场函数也具有周期特征。而且表面电流较大，辐射发射较强。辐射发射
28、较强。根据辐射途径不同划分三类场分析模型：根据辐射途径不同划分三类场分析模型：功率器件散热器具有开敞式平扳折皱表面功率器件散热器具有开敞式平扳折皱表面结构结构控制驱动器中电缆控制驱动器中电缆(导线导线)建立的场与线耦合建立的场与线耦合模型模型用于主动场屏蔽的功率变换器外壳是一个被短路面包围的电磁谐振系用于主动场屏蔽的功率变换器外壳是一个被短路面包围的电磁谐振系统，对系统内部的波反射和衍射的研究应归结于闭区域内电磁场三维统，对系统内部的波反射和衍射的研究应归结于闭区域内电磁场三维本征值问题进行处理。本征值问题进行处理。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容23瞬态电磁正问题瞬态电磁
29、正问题瞬态电磁逆问题瞬态电磁逆问题?t1t2t1接收器接收器入射波入射波散射体散射体)(HM 散射特征散射特征正问题正问题(FDTD Method)结构特征结构特征)(1MH散射特征散射特征逆问题逆问题(GA)结构特征结构特征散射波散射波t1t2t1接收器接收器入射波入射波散射体散射体散射波散射波?一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容24解析法：解析法：求得求得Laplace方程、方程、Helmholtz方程、方程、Maxwell方程组的闭式解答方程组的闭式解答。特点：特点：理论上理论上的解是精确的，而且包含各参量之间的依赖关系。当环境参量的解是精确的，而且包含各参量之间的依赖
30、关系。当环境参量改变时不必重新求解，即具有一定的普适性改变时不必重新求解，即具有一定的普适性。缺点：缺点：只只适应于某些特定的情况，对于一般情况仍采用数值适应于某些特定的情况，对于一般情况仍采用数值解法解法，对于对于大多大多数电磁场问题得不到解析解、不具有一般性，仍需要数值法进行补充。数电磁场问题得不到解析解、不具有一般性，仍需要数值法进行补充。数值数值法：法：可可分为微分方程分为微分方程法、法、泛函泛函变分法、积分方程法变分法、积分方程法特点：对于复杂结构的瞬态电磁场问题，只能采用数值分析的方法。特点：对于复杂结构的瞬态电磁场问题，只能采用数值分析的方法。渐近法：渐近法：渐近法是将电磁频谱划
31、分为三个区域：低频区、谐振区和高频区。在低频区渐近法是将电磁频谱划分为三个区域：低频区、谐振区和高频区。在低频区采用准静态法或电路的方法，在高频区采用光学的方法。采用准静态法或电路的方法，在高频区采用光学的方法。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容253UMVMWMCMuuuu高频共模电压的存在，给交流变高频共模电压的存在，给交流变频调速系统带来以下两方面的负频调速系统带来以下两方面的负面效应面效应：一方面一方面，产生轴电压和轴承电流，产生轴电压和轴承电流；另一方面另一方面是产生传导性是产生传导性EMI的主的主要因素。要因素。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容
32、26PWM逆变器中共模电压的变化，引起该电流流过定子绕组和电机机座之间逆变器中共模电压的变化，引起该电流流过定子绕组和电机机座之间的杂散电容。在最坏的情况下，该电流峰值可能达到额定电流的的杂散电容。在最坏的情况下，该电流峰值可能达到额定电流的10。这可。这可能会对电机电流的控制产生不利影响，也可能导致电流控制的断路器的误动能会对电机电流的控制产生不利影响，也可能导致电流控制的断路器的误动作。作。在功率开关器件与散热器在功率开关器件与散热器之间形成之间形成了一个了一个较大的较大的寄生电容。寄生电容。当逆变器正常工作时，随当逆变器正常工作时，随着每相桥臂上、下开关管的轮流开通，桥臂着每相桥臂上、下
33、开关管的轮流开通，桥臂中点电位会随之发生准阶跃变化。如果从中点电位会随之发生准阶跃变化。如果从EMI角度看该现象，那么三个桥臂所输出的角度看该现象，那么三个桥臂所输出的电压就是三个电压就是三个EMI干扰源，干扰源，每个开关动作时每个开关动作时都会对功率开关器件与散热片之间寄生电容都会对功率开关器件与散热片之间寄生电容进行充、放电，形成共模进行充、放电，形成共模EMI电流，其大小电流，其大小为：为：dd()DChCMpprdUuiCCttt一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容27当高频的共模电压作用在电机上时，使得电机内部存在的高频寄生电容耦当高频的共模电压作用在电机上时，使得电
34、机内部存在的高频寄生电容耦合的作用显现出来。包括定子与定子绕组之间的耦合合的作用显现出来。包括定子与定子绕组之间的耦合电容、电容、转子与定子绕转子与定子绕组之间的耦合组之间的耦合电容以及电容以及定子与转子之间的耦合定子与转子之间的耦合电容，电容，共模电压通过电机内共模电压通过电机内部的寄生电容的耦合传输和分压，将在电机转轴上感应出轴部的寄生电容的耦合传输和分压，将在电机转轴上感应出轴电压。电压。电机的轴承电机的轴承电流电流的形成的形成：(1)当电机正常运行时，轴承内外圈没有电接触，此时对电机内部的寄生耦当电机正常运行时，轴承内外圈没有电接触，此时对电机内部的寄生耦合电容充电，当润滑介质击穿或由
35、于电机运转时的振动等因素造成轴承内合电容充电，当润滑介质击穿或由于电机运转时的振动等因素造成轴承内外圈短路时，充电电容放电，形成外圈短路时，充电电容放电，形成EDM放电放电加工电流加工电流；(2)轴承的阻抗很小，它将为由共模电压的轴承的阻抗很小，它将为由共模电压的du/dt所产生的轴承电流提供流通所产生的轴承电流提供流通路径，形成路径，形成du/dt电流电流；(3)由于流入和流出绕组的电流不相等由于流入和流出绕组的电流不相等,因此存在一个净的磁通，该磁通在环因此存在一个净的磁通，该磁通在环路中产生电动势，引起脉动的环路电流。路中产生电动势，引起脉动的环路电流。电机的电机的轴电轴电压的压的形成形
36、成：一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容28a)电机轴承的电气损坏电机轴承的电气损坏 b)球轴承外圈的电气损坏球轴承外圈的电气损坏一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容29当变频器和电动机的位置相隔较当变频器和电动机的位置相隔较远时，需要一定长度的电缆引线把远时，需要一定长度的电缆引线把变频器输出的变频器输出的PWM电压传输至电动电压传输至电动机的接线端。由于存在高的机的接线端。由于存在高的du/dt，变频器发出的变频器发出的PWM脉冲电压在电缆脉冲电压在电缆线上以行波方式传输，当电缆的波线上以行波方式传输，当电缆的波阻抗与电动机的阻抗不匹配时，在阻抗与电动机的阻
37、抗不匹配时，在电动机的接线端会产生反射。反射电动机的接线端会产生反射。反射波与入射波波与入射波叠叠加，从而使电动机端加，从而使电动机端的的电压近似加倍，因此会在电动机电压近似加倍，因此会在电动机端产生过电压端产生过电压。电机终端电机终端过电压的形成：过电压的形成：t/ms U/V 0 -500 1000 500 10 15 20-1000 0 5 t/ms U/V 0 -500 1000 500 10 15 20-1000 0 5 t/ms U/V 0 -1000 2000 1000 10 15 20-2000 0 5 a)未接长线电缆时功率变换器端输出电压未接长线电缆时功率变换器端输出电压b
38、)接长线电缆时功率变换器端输出电压接长线电缆时功率变换器端输出电压c)接长线电缆时电机端电压接长线电缆时电机端电压一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容30源：源：功率功率变换器在对电能进行控制和变换的同时，其中的开关器件不可变换器在对电能进行控制和变换的同时，其中的开关器件不可避免的处于高速开通和关断状态，产生较大的电压和电流变化率，形成避免的处于高速开通和关断状态，产生较大的电压和电流变化率，形成电磁干扰，对电机系统自身和周围环境产生较大的影响电磁干扰，对电机系统自身和周围环境产生较大的影响。传播路径：传播路径：PWM驱动电机系统元器件繁多，布局复杂，所以器件与器驱动电机系统
39、元器件繁多，布局复杂，所以器件与器件之间存在着大量的分布参数，功率器件同装置中其它部分相互耦合可件之间存在着大量的分布参数，功率器件同装置中其它部分相互耦合可为传导干扰提供传播路径。为传导干扰提供传播路径。t/ms U/V 0 -500 1000 500 10 15 20-1000 0 5 功率变换器输出的冲信号图功率变换器输出的冲信号图IGBT通断瞬间管压降时域仿真波形通断瞬间管压降时域仿真波形一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容31 f/Hz U/dBV-5 104 15 55 110 95 106 107 108 35 75 三相工频正弦电压直接驱动 PWM功率变换器驱动
40、 105 103 PWM驱动机系统传导电磁干扰频谱驱动机系统传导电磁干扰频谱PWM驱动电机相电压波形驱动电机相电压波形IGBT通断瞬间管压降频谱图通断瞬间管压降频谱图转角转角90度的三条微带线度的三条微带线的场分布仿真图的场分布仿真图线距为线距为1cm的导线间磁的导线间磁场分布测试图场分布测试图一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容327.1 功率功率半导体器件开关过程造成的电磁噪声半导体器件开关过程造成的电磁噪声7.2 整流整流电路造成的谐波干扰和电路造成的谐波干扰和电磁噪声电磁噪声7.3 PWM电机驱动器共模电压的产生电机驱动器共模电压的产生7.4 用用PWM技术的各种电力电
41、子电路造成的技术的各种电力电子电路造成的电磁噪声电磁噪声一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容33 所有半导体变流装置主电路的核心部件是各类现代功率所有半导体变流装置主电路的核心部件是各类现代功率半导体器半导体器件：功率件：功率二极管二极管(包括快速恢复功率二极管包括快速恢复功率二极管)大功率大功率晶体管晶体管(BJT)晶闸管晶闸管(SCR和和GTO)复合型复合型场控功率晶体管场控功率晶体管(IGBT)功率功率场效应管场效应管(功率功率SIT和功率和功率MOSFET)等等。控制部分控制部分：常常常常应用各种大规模数字集成电路、应用各种大规模数字集成电路、DSP和和CPU芯片芯片等
42、高速集成电路。等高速集成电路。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容34功率二极管开通、关断过程中造成的瞬态电磁噪声功率二极管开通、关断过程中造成的瞬态电磁噪声a)开通过程开通过程 b)关断过程关断过程一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容35开通开通过程过程：二极管二极管PN结的长基区注入足够的少数载流子，发生电导调制需要结的长基区注入足够的少数载流子，发生电导调制需要一定的时间一定的时间tr。t00时二极管导通，二极管的电流迅速增大，但是其管压降不是立即下降时二极管导通，二极管的电流迅速增大，但是其管压降不是立即下降，而而会出现一个快速的上冲会出现一个快速的上冲
43、，该，该电压上冲会导致一个宽带的电磁噪声电压上冲会导致一个宽带的电磁噪声。关断关断过程：过程：存在存在于于PN结长基区中的大量过剩少数载流子需要一定时间恢复到结长基区中的大量过剩少数载流子需要一定时间恢复到平衡状态，从而导致了很大的反向恢复电流平衡状态，从而导致了很大的反向恢复电流。当当 t=t1时，时，PN结开始反向结开始反向恢复恢复；在在t1 t2时间内，其它过剩载流子，则依靠复合中心复合，而回到平衡状态时间内，其它过剩载流子，则依靠复合中心复合，而回到平衡状态。这时这时管压降又出现以个负尖刺。通常管压降又出现以个负尖刺。通常t2 t1，所以该尖刺是个非常窄，所以该尖刺是个非常窄的的 尖尖
44、脉冲，产生的电磁噪声比开通时还要强脉冲，产生的电磁噪声比开通时还要强。u 实际上实际上，功率二极管反向脉冲电流的幅度、脉冲宽度和形状，与二极管本，功率二极管反向脉冲电流的幅度、脉冲宽度和形状，与二极管本身的特性及电路参数相关身的特性及电路参数相关。由于由于反向恢复电流脉冲的幅度和反向恢复电流脉冲的幅度和dir/dt都很大，它们在引线电感和与其都很大，它们在引线电感和与其相连相连 接接的电路中，会产生很高的感应电压，从而造成强的宽频的瞬态电磁噪声。的电路中，会产生很高的感应电压，从而造成强的宽频的瞬态电磁噪声。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容36a)SCR开通时电流电压波形开
45、通时电流电压波形 b)开通时产生的噪声电压与电流的关系开通时产生的噪声电压与电流的关系SCR的开关过程造成瞬态噪声的开关过程造成瞬态噪声从本质上说，这些器件与功率二极管一样，同属于少子半导体器件，因此它从本质上说，这些器件与功率二极管一样，同属于少子半导体器件，因此它们的开、关过程也与二极管类似，无论在开通或关断时，都会产生瞬态电压们的开、关过程也与二极管类似，无论在开通或关断时，都会产生瞬态电压和电流，也会通过引线电感形成宽频的和电流，也会通过引线电感形成宽频的电磁噪声。但是电磁噪声。但是基于这些开关器件自基于这些开关器件自身的身的特性，从特性，从EMI分析的角度，它们彼此之间又有所差异。分
46、析的角度，它们彼此之间又有所差异。SCR一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容37SCR：由于由于它包含了它包含了3个个PN结，因此在关断后的反向恢复电流，要比二极管的结，因此在关断后的反向恢复电流，要比二极管的小得多；而在开通时，由于门极触发的帮助，管压降的下降要比二极管的快小得多；而在开通时，由于门极触发的帮助，管压降的下降要比二极管的快得多得多。因此因此对对SCR而言，开通时造成的电磁噪声，要比关断时大。而言，开通时造成的电磁噪声，要比关断时大。GTO a)GTO开通时电流电压波形开通时电流电压波形 b)GTO关断时电流电压波系关断时电流电压波系 GTO的开关过程造成瞬态电
47、磁噪声的开关过程造成瞬态电磁噪声一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容38GTO：它它所造成的阳极电压、电流瞬态电磁噪声与所造成的阳极电压、电流瞬态电磁噪声与SCR类似类似；但是但是，由于它依靠门极反向抽流关断，门极的低电流增益，由于它依靠门极反向抽流关断，门极的低电流增益(通常小于通常小于5)导导致了它在关断时，门极电流和电压也会产生陡峭的大电流和电压脉冲，有时还会致了它在关断时，门极电流和电压也会产生陡峭的大电流和电压脉冲，有时还会因门极电路寄生电容和电感的影响而产生振荡因门极电路寄生电容和电感的影响而产生振荡。因此因此，门极电路产生的电磁噪声，常常变成，门极电路产生的电磁噪
48、声，常常变成GTO中中EMI问题的主要方面。问题的主要方面。BJTBJT：与与GTO情况情况类似类似；只是只是它的开关速度比它的开关速度比GTO快，开关时间在微秒数量级快，开关时间在微秒数量级，所以所以它的它的集电极电流和电压变化造成的瞬态电磁噪声要比集电极电流和电压变化造成的瞬态电磁噪声要比GTO严重。严重。一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容39MOSFET：功率功率场效应场效应管管，属于属于多子器件，不存在反向恢复问题，但是它多子器件，不存在反向恢复问题，但是它的开关速度很高，开关过程中产生的的开关速度很高，开关过程中产生的di/dt可达到很高的数值，因而作用在电可达到很
49、高的数值，因而作用在电路中的寄生电感路中的寄生电感(电容电容)上，会产生很高的瞬态电压、电流和引起振荡上，会产生很高的瞬态电压、电流和引起振荡。所以所以，它与高速数字脉冲电路中所用的高速门电路一样，产生的瞬态，它与高速数字脉冲电路中所用的高速门电路一样，产生的瞬态电磁噪声是不容忽视的。电磁噪声是不容忽视的。IGBT：属于属于多子少于混合器件，开关速度比多子少于混合器件，开关速度比BJT更快更快(开关时间在几百纳秒开关时间在几百纳秒至至1微秒微秒)，所以其，所以其电流变化造成的瞬态电磁噪声比电流变化造成的瞬态电磁噪声比BJT更更大大；但是但是由于它是场控由于它是场控(电压榨制电压榨制)器件，所以
50、它的器件，所以它的门极电路所造成的瞬态电门极电路所造成的瞬态电磁噪声可以忽略不计。磁噪声可以忽略不计。IGBTMOSFET一体化电机系统中的电磁兼容一体化电机系统中的电磁兼容40一块逻辑门数字集成电路工作时，虽然只抽取几毫安的电流，似乎它不会一块逻辑门数字集成电路工作时，虽然只抽取几毫安的电流，似乎它不会造成什么电磁噪声，可是，由于它们的开关速度很高，加上与它连接的那些造成什么电磁噪声，可是，由于它们的开关速度很高，加上与它连接的那些导线的引线电感，使它们也成为不可忽视的电磁噪声源。因为当门电路的电导线的引线电感，使它们也成为不可忽视的电磁噪声源。因为当门电路的电流流过这些引线电感时，在它上面
