一種電機驅(qū)動系統(tǒng)共模電磁干擾濾波器的設計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電機驅(qū)動系統(tǒng)共模電磁干擾濾波器。
【背景技術】
[0002] 電磁兼容問題廣泛存在于各類電氣系統(tǒng)中，在電力電子設備及系統(tǒng)中尤為突出。 為抑制功率器件高頻開關動作帶來的電磁干擾傳導發(fā)射，通常需要安裝電磁干擾濾波器， 以下簡稱EMI濾波器。目前，常用的EMI濾波器設計方法包括：
[0003] 1.通過試驗反復嘗試不同元件參數(shù)
[0004] 該方法目前最為常用，優(yōu)點在于設計效果一目了然。但缺點也很明顯，即設計結果 來自試湊，既不能保證設計速度，又不能保證設計是否最優(yōu)。
[0005] 2.基于濾波器轉(zhuǎn)折頻率的設計方法
[0006] 該方法首先確定不安裝濾波器條件下，電磁兼容測試中檢測到的電機驅(qū)動系統(tǒng)干 擾幅度，然后用此幅度與電磁兼容標準規(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)欲設計濾波器的拓 撲結構和階數(shù)，在對數(shù)坐標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，其與坐標系橫軸的交點即為 索要設計濾波器的轉(zhuǎn)折頻率。根據(jù)這個轉(zhuǎn)折頻率設計濾波器參數(shù)值。
[0007] 該方法存在以下問題：
[0008] (1)設計中僅考慮了濾波器自身的轉(zhuǎn)移特性，而沒有考慮系統(tǒng)阻抗對插入濾波器 后整個系統(tǒng)轉(zhuǎn)移特性的影響，這會導致濾波器過設計，不適用于體積空間限制較為嚴苛的 應用條件；
[0009] (2)設計針對的濾波器拓撲是設計前根據(jù)經(jīng)驗確定的，并不一定是最適合系統(tǒng)的 拓撲。
[0010] 3.基于插入損耗的設計方法
[0011] 該方法考慮干擾源阻抗，根據(jù)濾波器插入損耗表達式來設計濾波器參數(shù)，能夠避 免濾波器過設計。但仍存在問題：
[0012] 推導插入損耗表達式需要具備良好的電路理論知識，特別是當面對電機系統(tǒng)這種 阻抗特性復雜的系統(tǒng)時，或系統(tǒng)所需濾波器階數(shù)較高時，插入損耗表達式推導困難，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撲結構，只能采用阻抗失配 原則進行定性選擇。
[0013] 電機驅(qū)動系統(tǒng)在運行中，會產(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干擾。傳統(tǒng)上，濾波器設計采用不斷試錯、多輪設計 的方法，成本高、時間長，設計得到的濾波器參數(shù)也難以保證最優(yōu)。目前廣泛采用基于轉(zhuǎn)折 頻率的濾波器設計方法，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 多次實驗才能確定濾波器參數(shù)。為提高濾波效果預測的精確性，可在濾波器設計中考慮干 擾源和干擾負載的阻抗，這類方法能夠針對預先指定的、且元件較少的濾波器拓撲計算濾 波元件的參數(shù)，但無法選擇最優(yōu)拓撲，且不適用于系統(tǒng)阻抗特性復雜或應用高階濾波器的 場合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有設計方法的缺點，提出一種電機驅(qū)動系統(tǒng)共模電磁干擾 濾波器的設計方法。本發(fā)明能夠使電機驅(qū)動系統(tǒng)通過電磁兼容試驗傳導發(fā)射相關測試。
[0015] 本發(fā)明基于轉(zhuǎn)移函數(shù)設計共模濾波器，在濾波器拓撲選擇和參數(shù)設計上定量考慮 共模干擾源的特性、干擾傳輸路徑阻抗和敏感設備阻抗，首先確定不同濾波器拓撲的目標 電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)，再采用非線性最小二乘法設計濾波元件值并選擇濾波器拓撲結構，能夠快 速、準確地設計電機驅(qū)動系統(tǒng)共模電磁干擾濾波器。
[0016] 所述共模干擾源是指電機驅(qū)動系統(tǒng)中電機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驅(qū)動系統(tǒng)電磁兼容測試中流過共模電流的電機驅(qū)動 系統(tǒng)部件，包括電機控制器、電機及其部件，或電磁兼容測試設備，包括線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡 等；
[0018] 在電磁兼容試驗中，所述敏感設備為電磁干擾接收機。
[0019] 本發(fā)明具體步驟如下：
[0020] (1)通過計算、仿真或測量得到電磁兼容測試中，線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡的阻抗特性和 電機驅(qū)動系統(tǒng)部件的阻抗特性：
[0021] 對于由線性時不變無源器件構成的、可以用集總電路表示的電機驅(qū)動系統(tǒng)部件和 電磁兼容測試設備，根據(jù)其電路結構，應用電路理論，計算得到其阻抗特性，或通過計算機 電路仿真軟件仿真得到其阻抗特性，此類設備或電機驅(qū)動系統(tǒng)部件包括線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡 等。對于不滿足上述條件的電機驅(qū)動系統(tǒng)部件或電磁兼容測試設備，通過阻抗分析儀、LCR 表等阻抗測量設備，測量得到其阻抗特性。
[0022] 線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡是電機驅(qū)動系統(tǒng)電磁兼容測試中的主要測試設備。線路阻 抗穩(wěn)定網(wǎng)絡是一個三端口網(wǎng)絡，端口 1與供電電源并聯(lián)，端口 2與被測設備并聯(lián)，端口 3 連接用來測量傳導發(fā)射的輸入阻抗為50Ω的電磁干擾接收機。在不同的電磁兼容標準 中，線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡的名稱不同，常見的有：線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡，英文Line Impedance Stabilization Network，簡稱LISN;人工電源網(wǎng)絡，英文 Artificial Mains Network，簡稱 AMN ;人工網(wǎng)絡，英文 Artificial Network，簡稱 AN。
[0023] 所述電機驅(qū)動系統(tǒng)部件是指對電機驅(qū)動系統(tǒng)電磁兼容測試結果有影響的部件，主 要包括直流和交流動力電纜、電機控制器、電機等。
[0024] (2)任取共模電磁干擾濾波器的元件參數(shù)，通過仿真得到電機驅(qū)動系統(tǒng)插入不同 拓撲的所述濾波器時，從干擾源到電磁兼容測量裝置的干擾電壓轉(zhuǎn)移曲線：
[0025] 針對待選擇的不同拓撲的共模電磁干擾濾波器，在計算機電路仿真軟件中分別設 置各濾波器的仿真模型，并根據(jù)待設計濾波器與電機驅(qū)動系統(tǒng)及線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡的電路 連接關系，在仿真軟件中將濾波器分別與干擾源及電機驅(qū)動系統(tǒng)部件連接，通過仿真軟件 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檢測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撲結構包括：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 阻抗特性，電機阻抗特性，電纜、母線排等電氣互聯(lián)結構的阻抗特性等。
[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檢測到的共模電壓VEMI與干擾源電壓 VCM比值對數(shù)化后的結果，記為H d。，如下式所示：
[0031] 其中，f是頻率，201g(·)為20倍的以10為底的對數(shù)。
[0032] (3)根據(jù)步驟⑵得到的干擾電壓轉(zhuǎn)移曲線Hd。，寫出以復頻率s為自變量的包含 待定參數(shù)的電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)表達式：
[0033] 所述電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)表達式的通式為
[0035] 式中，。和f\n分別為該式分子的第m個和第η個待定轉(zhuǎn)折頻率，f Βι1和fBi]分別 為該式分母的第i個和第j個待定轉(zhuǎn)折頻率，1為復頻率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為復頻率，其與頻率f的關系為：
[0036] s = j · 2 π f (3)
[0037] 式中j為虛數(shù)單位。
[0038] 確定以復頻率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 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系上，其中縱坐標為Hd。，橫 坐標為頻率，縱坐標為線性坐標，橫坐標為對數(shù)坐標。根據(jù)低頻段斜率k確定分子上復頻率 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。當斜率減小20dB/dec時，I增加1，對應的轉(zhuǎn)折頻率為fBiI，在后續(xù) 步驟（6)中可以指定其頻率值；當斜率減小40dB/dec時，J增加1，對應的轉(zhuǎn)折頻率為fBiJ， 或I增加2,對應2個相等的轉(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；當斜率減小20Q/dec時，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] 對應的轉(zhuǎn)折頻率為fBiI，