永磁電機推進系統輸入電源線傳導干擾分析

孫巍，王志飛，吳振宇

（1.海軍駐武漢四三八廠軍事代表室，湖北武漢430060；2.海裝駐武漢軍事代表局，湖北武漢430060）

永磁電機推進系統輸入電源線傳導干擾分析

孫巍1，王志飛2，吳振宇1

（1.海軍駐武漢四三八廠軍事代表室，湖北武漢430060；2.海裝駐武漢軍事代表局，湖北武漢430060）

闡述了永磁電機推進系統的電磁干擾情況，分析了電源線的差模和共模傳導干擾，設計了差模和共模濾波器，并進行了仿真研究與驗證，仿真結果表明在差模和共模濾波器的抑制作用下電源線的傳導干擾能夠滿足設計要求。

電磁兼容；永磁；電力推進

永磁電機推進系統主要包括多相永磁電機、變流調速裝置。其中，變流調速裝置的電力電子主回路是電磁干擾產生的主要來源。由于其高頻開關斬波的工作模式包含了帶寬豐富的諧波能量，這些能量通過導線傳導發射和近場耦合會產生一些負面影響：一方面，它可能干擾系統自身控制信號的正確傳輸，引起控制失效或誤動作；另一方面，也可能影響其他周邊設備的正常工作［1］。因此，在永磁電機推進系統實現自兼容的同時，重點要考慮消除或降低諧波能量的耦合及其對其它系統的影響。本文將在分析永磁電機推進系統輸入差摸、共模干擾路徑的基礎上，設計濾波器，通過大量仿真試驗，從而驗證永磁電機推進系統的電磁干擾性能是否滿足設計要求。

1　永磁電機推進系統差摸干擾分析及抑制

直流輸入側差模電流諧波主要是由電機電流特性和逆變器開關器件強非線性開通關斷特性引起的。負載電機電流基波為正弦波電流，在直流輸入側引起2m（m為電機相數）次及倍頻諧波，隨著電機相數的增加諧波次數增加的同時諧波幅值明顯減小，除了基波還有其它次諧波，如齒諧波、基波的3、5、7次等諧波，這是由電機結構、設計制造條件和電樞反應引起的；直流輸入側另一主要諧波電流是開關頻率次及倍頻的諧波電流，這是由逆變器供電采用PWM調制模式引起的。單通道差模電流路徑如圖1所示。差模濾波器主要是使諧波電流通過濾波電容回到逆變器，減小通過電源對其它系統的影響［2］。

圖1　單通道差模路徑圖

為了提高效率，減小損耗，利于散熱，選擇反射式LC濾波器。L和C的數值選取要綜合考慮，LC濾波器的截止頻率通過式計算得出，在LC值一定時，分配L和C的數值主要考慮幾個因素：

（1）電感的單位體積重量遠大于電容的單位體積重量；

（2）L不可以選的過大C選的過小，這樣會導致濾波器體積重量過大；

（3）L不可以選的過小C選的過大，這樣會導致漏電流過大。

1.1額定轉速工況仿真及結果

額定工況濾波器參數：濾波電感L=0.3 mH，單個通道濾波電容C=28 200 uF.直流電源輸入電流仿真計算結果波形及FFT分析如圖2所示。

圖2　額定工況下直流輸入總電流波形及FFT分析（單極性）

（I8Hz=5.01A，I16Hz=12.38A，I24Hz=8.75A，I32Hz=2.92A，I74Hz=4.19A，I4000Hz=0.62A）

1.2低速工況仿真及結果

低速工況時濾波器參數：濾波電感L=0.3 mH，單個通道濾波電容C=28200uF.

仿真得到直流輸入諧波情況如圖3所示。

圖3　經航工況下直流輸入總電流波形及FFT分析

（電流諧波以59Hz（3.92A）和110Hz（5.34A）為峰值分布，51Hz（1.89A））

將濾波電感的取值改為0.6mH，濾波電感內阻不變，諧振頻率為38.7 Hz，輸入總電流波形及FFT分析見圖4.

圖4　經航工況下直流輸入總電流波形及FFT分析

電流諧波以26 Hz（0.95 A）、51 Hz（0.94 A）和110 Hz（1.83 A）為峰值分布。

根據圖3和圖4對比，當電感取值變大的時候，單個通道的濾波電感電流和直流輸入總電流中的各次諧波幅值都得到了有效地抑制，說明濾波電感值越大，濾波效果越好。但濾波電感的取值越大，體積和損耗也就越大，因此需要從結構和效率的方面進行綜合考慮。

在額定工況和經航工況下對比仿真結果和相應放寬條件下的標準，設計的差模濾波器能夠使直流輸入總電流的諧波分布情況滿足GJB151-86的CE01的要求。

2　永磁電機推進系統共摸干繞分析及抑制

變流裝置逆變器輸出端dv/dt可以通過器件與散熱底板之間的分布電容、繞組對電容和直流電源母線對機座分布電容構成回路［3］，在直流母線上形成共模電流，對其它系統產生干擾。為了減小共模電流對其它系統的干擾，使共模電流以最小路徑流回逆變器，采用穿芯電容，加穿芯電容后系統共模電流流通路徑如圖5所示。

圖5　系統共模干擾路徑

穿芯電容的作用是使變流調速裝置產生的共模電流通過穿芯電容而不流經直流電源，使直流電源母線上的電流達到國軍標的規定。通過穿芯電容和線路電感構成共模濾波器，設計方法與2節中規定的相同。

圖6為仿真簡化模型，其中RL，LL，CL分別為電纜等效電阻、電感及分布電容；Lif，Rif分別為輸入濾波器等效電感、電阻；Va1p為一相逆變H橋單邊輸出電壓源，CHa1p為a1相H橋單邊對地電容，Vc4n為c4相H橋單邊輸出電壓源，CHc4n為c4相H橋單邊對地電容，二者之間為其它相輸出電壓源和對地分布電容，Vcm為共模電壓，Lof為輸出濾波器等效電感，Rof為輸出濾波器等效電阻，Lm為電機等效電感，Rm為電機等效電阻，Cm為電機對地等效分布電容。

圖6　系統共模仿真簡圖

以此模型進行仿真，結果如圖7所示。在未加穿芯電容時，流過直流電源線的電流傅立葉變化圖8所示。

圖7　流過直流電源線的電流

圖8流過直流電源線的電流傅立葉變化

圖8所示為對應的頻譜，在531 kHz處幅值-50 dBA，對應70 dBuA，超過國軍標規定值20 dBuA.

穿芯電容在每個通道的輸入側，位于輸入濾波器之前，與直流側電源線分布電感構成濾波器，根據仿真結果并計算穿芯電容，其值取120 uF，以此進行仿真，流過直流電源線的電流如圖9所示，流過直流電源線的電流傅立葉變化如圖10所示。

圖9　流過直流電源線的電流

圖10　流過直流電源線的電流傅立葉變化

根據圖10查得55 kHz的規定值為105 dBuA，仿真結果-97 dBA對應23 dBuA，符合國軍標規定；其它頻率段最大值為-13 dB（轉換后），符合國軍標規定值20 dBuA.

上述仿真結果表明，120 uF的穿芯電容能夠使系統直流電源線電流在10 kHz～10 MHz范圍內滿足GJB151-86中CE03的規定值。

3　結束語

本文分析了永磁電機推進系統輸入差摸、共模干擾路徑并設計了濾波器，仿真結果表明設計的濾波器能夠使永磁電機推進系統直流輸入側滿足相關國軍標的規定。

［1］陳堅．電力電子學［M］．北京：國防工業出版社，2004．

［2］賴壽宏．微型計算機控制技術［M］．北京：機械工業出版社，2003．

［3］侍喬明，王剛，付立軍，等.基于虛擬同步發電機原理的模擬同步發電機設計方法［J］.電網技術，2015，03（3）：26-28.

Study of EMC of Permanent Magnet Electric Propel System

SUN Wei1，WANG Zhi-fei2，WU Zhen-yu1
（1.Navy Deputy Office No.438 Factory，Wuhan Hubei 430060，China；2.Wuhan Department of Chinese Naval Armament，Wuhan Hubei 430060，China）

In this paper，EMC of the permanent magnet motor is introduced，the conduce EMI of Common mode circuit and differential mode circuit are established separately，the EMI filter of Common mode ciruit and differential mode are designed，the simulation result shows that he EMI filter of Common mode ciruit and differential mode is effective in the suppression of the conduce EMI.

EMC；permanent magnet；electric propel

中圖號：TM346A

1672-545X（2016）08-0065-03

2016-05-17

孫巍（1979-），男，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，工程師，研究方向：艦船電氣工程。