交流电机驱动系统EMI滤波器优化方法研究

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应用全控型电力电子器件实现高频开关变流是现代交流传动的主要方式。使用脉宽调制技术的逆变器是电机驱动系统中的核心装置,然而在电机驱动系统运行期间,由于逆变器中功率器件的高速开关,使得逆变器在运行期间会产生严重的电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)问题。电磁干扰会对系统产生一系列的负面影响。EMI滤波器是抑制系统电磁干扰的有效手段,多年来已有许多学者对EMI滤波器进行研究,提出了EMI滤波器的优化设计方法,然而当前对于EMI滤波器的研究还有一定的局限性,在功率密度和集成度上有更多的优化空间尚未得到较好地利用。因此本文针对电机驱动系统的EMI滤波器进行了研究,提出了电机驱动系统EMI滤波器的几类优化设计方法。本文的主要内容如下:本文首先分析了电机驱动系统EMI产生机理及传导路径。为建立电机驱动系统EMI测试相关概念,首先介绍了EMI测试系统,之后展示了功率模块和电机的内部结构及形成漏电流的原因,最后以此为基础分析了电机驱动系统中干扰源和EMI传导路径并通过阻抗测量和曲线拟合的方法得到了用于表征电机共模阻抗的等效阻抗网络,在此基础上,提出了优化EMI滤波器的思路。传统EMI滤波器的电感绕组接入在电机驱动系统的主回路中,除了滤除高频EMI噪声还需要承受主电路电流应力,使得绕组和磁芯的体积、重量较大,造成了EMI滤波器体积和重量的增加。为降低电机驱动系统内共模电感需要承受的电流,从而实现共模EMI滤波器体积的降低,本文设计了一种基于电流抵消的接地回路有源共模EMI滤波器。通过分析有源EMI滤波器的等效电路,确定了有源EMI滤波器中的元件参数。由于这种有源EMI滤波器是通过输出两个互相抵消的电流而非通过增大系统阻抗值而实现系统共模EMI的抑制,因此在在抑制系统共模EMI时,不会出现共模电感加入至接地回路中导致的高电机机壳电压问题。最后在仿真软件中建立了整个系统的模型,并进行了实验测试。仿真和实验结果证明了有源EMI滤波器在实现系统共模EMI抑制的同时能够将电机机壳电压限制在较低的值。现有的有源共模EMI滤波器大多通过提升无源共模EMI滤波器的转折频率来降低系统共模EMI滤波器的体积。然而这些有源共模EMI滤波器大多数需要互感器实现干扰电流的检测或者补偿电压的注入才能实现共模EMI的抑制。使用磁元件的互感器一般是有源EMI滤波器中体积重量最大的部分。为省略互感器从而简化EMI滤波器的结构,本文设计了一种基于电机共模阻抗的电压检测、电流补偿型无互感器结构的有源EMI滤波器。通过构建系统交流侧的共模阻抗可以将检测到的共模电压转化为补偿电流,从而实现共模EMI的抑制。有源EMI滤波器中各元件的值可以根据系统参数确定。最后,仿真和实验测试的结果都证明了这种有源EMI滤波器能够较好地抑制系统直流侧的共模EMI。通过改进设计、制造方法可以实现EMI滤波器中电感、电容等元件的集成从而降低EMI滤波器体积。本文通过结合新型电机控制器拓扑与调制算法以及耦合电感复用提出了一种基于并联逆变器零共模调制算法和耦合电感复用技术的EMI滤波器集成设计方法。通过使用零共模调制算法可以抑制系统的共模EMI,进而不需要额外加入共模EMI滤波器。通过复用并联逆变器中耦合电感的漏感为差模电感从而不需要额外加入差模电感,因此耦合电感内部天然集成了差模电感,由此便无需使用特殊的设计、制造方法即可实现系统差模电感的集成,此时只需再加入差模电容即可构成差模EMI滤波器从而实现系统差模EMI的抑制。本文主要对EMI滤波器中耦合电感这一核心元件进行了设计与校验,最终的实验结果证明了使用这种集成设计方法得到的EMI滤波器可以较为有效地抑制系统交流侧EMI。这种集成设计方法充分利用了并联逆变器拓扑和耦合电感,而且这种集成设计的EMI滤波器结构比较简单,所需额外加入的元件较少。综合以上几个创新的方法,可以有效地抑制系统产生的电磁干扰,同时可以有效地优化电机驱动系统EMI滤波器的功率密度和集成度。
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