魚雷電機逆變系統(tǒng)傳導干擾分析與抑制

胡 平, 孫 炯, 劉 凱, 邵松世

?

魚雷電機逆變系統(tǒng)傳導干擾分析與抑制

胡 平, 孫 炯, 劉 凱, 邵松世

(海軍工程大學 科研部, 湖北 武漢, 430033)

為了解決魚雷電機逆變系統(tǒng)高頻化、大容量化帶來的電磁干擾(EMI)問題, 介紹了一種新型的直流環(huán)節(jié)并聯(lián)諧振逆變器(PRDCLI)拓撲, 闡述了其工作原理, 重點分析了魚雷電機逆變系統(tǒng)電磁干擾源和傳播途徑, 提出了一種能有效降低EMI的控制策略, 設計了EMI測試方案, 對硬開關和軟開關條件下的EMI頻譜進行了對比,測試結果表明, 采用軟開關技術和優(yōu)化的控制策略, 能有效降低魚雷電機逆變系統(tǒng)的EMI。

魚雷電機; 直流環(huán)節(jié)并聯(lián)諧振逆變器; 軟開關; 電磁干擾; 控制策略

0 引言

魚雷高速、遠程的發(fā)展趨勢, 使其電動力系統(tǒng)正向大容量、高頻化的方向發(fā)展, 但隨著開關頻率的提高, 功率開關換流過程中, 開關動作時的電壓峰值(d/d)和電流峰值(d/d)所形成的電磁干擾(electromagnetic interference, EMI)將嚴重影響逆變器本身乃至魚雷其他電子部件的正?？煽抗ぷ?。因此, 研究魚雷電機逆變系統(tǒng)EMI問題對提高魚雷電力電子部件可靠性具有重要意義[1-3]。軟開關技術被認為是解決以上問題的有效途徑, 即通過輔助諧振環(huán)節(jié)使開關管在零電壓或零電流的情況下完成開通或關斷, 有效減小d/d和d/d, 達到抑制EMI的目的。本文介紹了一種新型的直流環(huán)節(jié)并聯(lián)諧振逆變器拓撲, 提出了優(yōu)化的電壓空間矢量控制策略, 并通過EMI測試驗證了該方案在降低EMI方面的優(yōu)越性。

1 PRDCLI電路結構及工作原理

1.1 電路結構

新型直流環(huán)節(jié)并聯(lián)諧振逆變器(parallel resonant DC link inverter, PRDCLI)的拓撲結構如圖1所示。

圖1 新型PRDCLI的拓撲結構

圖2 新型PRDCLI的等效電路

1.2 工作原理

在1個完整的諧振開關過程中, 按開關管狀態(tài)的不同可劃分為6個時間段, 圖3為電路工作主要波形。工作原理: 在逆變器橋臂需要換相之前啟動諧振電路工作, 導通2, 使諧振電感預充電具有足夠的能量補償因諧振而引起的能量損耗, 關斷1, 諧振電感L和電容C開始諧振, 使直流電壓諧振過零, 為逆變器開關器件創(chuàng)造零電壓換相條件。關斷2, 電感L和電容C重新開始諧振, 電容電壓從零諧振上升直到重新達到U。

圖3 不同運行模式下各參數(shù)曲線

2 魚雷電機逆變系統(tǒng)電磁干擾源和傳播途徑

在工作中, 逆變器功率開關器件的快速開通和關斷使電壓和電流在短時間內發(fā)生跳變, 從而形成EMI[4]。逆變器產生的EMI源主要有以下幾個方面。

1) d/d。在開關器件通斷瞬間, 電壓的跳變會在電容上產生很大的充電或放電電流, 實際的驅動電路和主電路都會存在雜散分布電容, 1 nF的電容就可以產生幾個安培的電流瞬態(tài)脈沖, 會對電力系統(tǒng)產生嚴重的EMI。

2) d/d。開關器件在通斷瞬間的電流變化會在雜散電感上感應出電壓, 另外, 有較大d/d的電流環(huán)路也是一個輻射源, 將對空間產生輻射電磁場。

3) PWM信號自身。逆變器中開關產生的PWM波形除了有用的基波外, 還含有大量的高次諧波, 目前逆變器的開關頻率從幾千赫茲到幾十萬赫茲, 諧波頻率從幾千赫茲到幾百萬赫茲。由于高次諧波的存在, PWM信號也會對周圍的設備產生輻射影響。

4) 控制電路?？刂齐娐份敵龅母哳l脈沖時,鐘波形也會產生一定的EMI。由于控制電路的電壓比較低, 產生的EMI也較小。

根據(jù)傳播途徑的不同, 可將EMI分為傳導干擾和輻射干擾, 而在逆變器中主要為傳導干擾, 傳導干擾根據(jù)產生機理不同又可分為共模(common mode, CM)干擾和差模(differential mode, DM)干擾2種形式, CM干擾是指通過相線、對地寄生電容, 再由地形成回路的干擾, 它主要是與寄生電容間相互作用而產生的高頻振蕩, DM干擾是指相線之間的干擾, 直接通過相線與電源形成回路, 它主要是由功率開關管產生的脈動電流引起的。

由于魚雷電機驅動系統(tǒng)采用PWM調制技術, 線路中的電壓、電流隨功率開關器件動作產生很高的d/d和d/d, 電壓、電流的諧波成分從幾千赫茲到幾千萬赫茲甚至上億赫茲, 這些高頻成分通過寄生電容和公共阻抗形成漏電流, 產生傳導EMI。電機驅動系統(tǒng)漏電流的傳播主要通過2條途徑: 一是電力電子器件與散熱器之間的寄生電容耦合; 二是電機的繞組和定子機殼之間的分布電容耦合。漏電流的返回路徑主要是系統(tǒng)變壓器的中性點接地線。電機傳動系統(tǒng)EMI的傳播途徑如圖4所示[5], 虛線為DM電流路徑, 點線為CM電流路徑。

圖4 電機PWM傳動系統(tǒng)EMI的傳播途徑

3 控制策略

圖5 SVPWM優(yōu)化控制方案

圖6給出了在扇區(qū)Ⅰ內1個開關周期中采用空間矢量脈寬調制(space vector pulse width mo- dulation, SVPWM)優(yōu)化調制方案時的典型開關次序及其產生的CM電壓示意圖。與采用傳統(tǒng)SVPWM調制方案比較, 零矢量0(000)或7(111)時的CM電壓峰值, 是其他非零矢量的CM電壓峰值的3倍。而采用SVPWM優(yōu)化調制方案, 可大大降低CM電壓。

圖6 SVPWM優(yōu)化開關調制及其產生的共模電壓

其控制算法的基本步驟如下。

2) 計算與參考矢量相鄰4個矢量的作用時間;

3) 根據(jù)開關電壓矢量作用時間合成為三相PWM信號。

方向相反的矢量作用時間相等, 其綜合作用與零矢量是一樣的。所以, 參考矢量的合成與分解和傳統(tǒng)空間矢量完全一樣。

4 試驗結果及EMI測試分析

圖7 EMI測試系統(tǒng)框圖

圖8 開關管開通時的Vgs(5 V/格, 5 us/格)和Vds(50V/格, 5us/格)波形

圖9 開關管端電壓波形

圖10和圖11分別為硬開關和軟開關總的EMI頻譜圖, 通過比較可以看出, 在3~30 MHz的大部分頻率范圍內, 相對于硬開關逆變器, 軟開關逆變器有效降低了總的EMI。這是因為, 在軟開關逆變器中, 主開關器件都是在零電壓條件下開通或關斷, 大大減小了開關時刻的d/d和d/d。而且, 諧振環(huán)的輔助開關器件1和2也是在軟開關的條件下進行開關的。開關管1在零電壓的條件下開通和關斷。開關管2在零電流的條件下開通并且在零電壓的條件下關斷。

通過對硬開關和軟開關逆變器的EMI噪聲頻譜的對比可知, 軟開關逆變器能夠大幅降低傳統(tǒng)硬開關逆變器產生的傳導噪聲。

圖10 硬開關逆變器的EMI噪聲頻譜

圖11 軟開關逆變器的EMI噪聲頻譜

6 結束語

本文介紹了一種新型PRDCLI拓撲結構, 分析了EMI源及其傳播途徑, 提出了優(yōu)化的電壓空間矢量控制策略, 采用線性阻抗穩(wěn)定網絡設計了EMI測試方案, 實現(xiàn)了逆變器主開關管的軟開關和空間矢量控制, 有效地減小了傳統(tǒng)逆變器存在的過大的d/d和d/d, 測得的EMI頻譜表明, 該方案能有效抑制EMI的主要成分CM電壓, 從而提高魚雷武器整體工作可靠性。

[1] 陳國呈. PWM變頻調速及軟開關電力變換技術[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2001.

[2] 錢照明, 陳恒林. 電力電子裝置電磁兼容最新研究進展[J]. 電工技術學報, 2007, 22(7): 1-11. Qian Zhao-ming, Chen Heng-lin. State of Art of Electromagnetic Compatibility Research on Power Electronic Equipment[J].Transactions of China Electrotechnical So- ciety, 2007, 22 (7): 1-11.

[3] 許軍, 王志杰. 魚雷內部電磁干擾測試與診斷[J]. 魚雷技術, 2005, 13(2): 37-39.

Xu Jun, Wang Zhi-jie. Electromagnetic Interference Measurement and Diagnosis in Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2005, 13(2): 37- 39.

[4]汪東艷, 張林昌. 電力電子裝置電磁兼容性的研究進展[J]. 電工技術學報, 2000, 15(1): 47-51. Wang Dong-yan, Zhang Lin-chang. A Review of EMC in Power Electronic Devices[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2000, 15(1): 47-51.

[5] Son Y C, Sul S K. Conducted EMI in PWM Inverter for Household Electric Appliance[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2002, 38(5): 15-21.

[6] 明正峰, 鐘彥儒.SVPWM技術在零電壓過渡三相逆變器中的應用研究[J]. 中國電機工程學報, 2002, 22(6): 56-61. Ming Zheng-feng, Zhong Yan-ru. The Research of SVPWM Method Applied in DC-link Zero Voltage Transition Three-phase Inverter [J]. Proceedings of the CSEE, 2002, 22(6): 56-61.

[7] 顧亦磊, 陳世杰, 呂征宇, 等. 控制型軟開關變換器的實現(xiàn)策略[J]. 中國電機工程學報, 2005, 25(6): 55-59.

Gu Yi-lei, Chen Shi-jie, Lv Zheng-yu, et al. Stratrategy for Control Type Soft Swiching Converters[J]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(6): 55-59.

[8] Chao K H, Liaw C M.Three-phase Softswitching Inverter for Induction Motor Drives[J]. IEEE Proceedings of Electric Power Applications, 2001, 148(1): 8-20.

[9] Li Q, Wu J, Jiang H G. Design of Parallel Resonant DC-link Soft-swithcing Inverter Based on DSP[C]//Pro- ceedings of the 5thWorld Congress on Intelligent Control and Automation, Hangzhou, China, 2004.

[10] Zhang D B, Chen D Y, Lee F C. An Experimental Comparison of Conducted EMI Emissions Between a Zero- voltage Transition Circuit and a Hard Switching Circuit [C]// Proceedings of IEEE Power Electronics Specialist Conference, 1996: 1992-1997.

[11] Chung H, Hui S Y R, Tse K K. Reduction of Power Converter EMI Emission Using Soft-Switching Technique[J]. IEEE Transaction on Electromagnetic Compatibility, 1998, 40(3): 282-288.

[12] Shao J, Lin R L, Lee F C, et al. Characterization of EMI Performance for Hard and Soft-switched Inverter[C]//In: Proceeding of IEEE APEC′00, 2000: 1009-1014.

Conductive Interference Analysis and Suppression for Torpedo Motor Inverter System

HU Ping, SUN Jiong, LIU Kai, SHAO Song-shi

(Office of Research and Development, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To solve the electromagnetic interference (EMI) problems of torpedo motor inverter produced by high power and high frequency, a new type of parallel resonant DC link inverter(PRDCLI) topology and control strategy are introduced, the principle is expounded. The EMI source and it′s propagation are discussed. Furthermore, a control strategy to reduce the EMI is presented, the EMI test scheme is designed, and the EMI spectrums under hard-switch and soft-switch are compared. Experimental results show that the adopting soft-switch technology and optimized control strategy can effectively reduce the EMI of torpedo motor inverter.

torpedo motor; parallel resonant DC link inverter (PRDCLI); soft-switch; electromagnetic interference (EMI); control strategy

TJ630.32; TM464

A

1673-1948(2011)03-0221-05

2010-04-23;

2010-06-19.

國防“十一五”預研項目(101010601202).

胡 平(1981-), 男, 在讀博士, 主要從事魚雷電力推進技術研究.

(責任編輯: 陳 曦)