智能電動機保護器的電磁輻射定量評估方法研究

趙靖英， 周思諾， 高佳雄

(河北工業大學 電氣工程學院， 天津 300130)

智能電動機保護器的電磁輻射定量評估方法研究

趙靖英， 周思諾， 高佳雄

(河北工業大學 電氣工程學院， 天津 300130)

針對電路復雜程度不斷增加、信號處理速度不斷提高的智能電動機保護器的電磁輻射日益嚴重問題，提出一種智能電動機保護器的電磁輻射定量評估方法。采用電路圖繪制軟件與仿真軟件相結合的方式對典型智能電動機保護器PCB布局進行了仿真建模，完成了電流、電場強度和磁場強度等參量的定量評估，直觀呈現了電磁輻射的分布情況，并進行了實驗設計、測試和驗證。此外，研究了關鍵線路的線寬對典型智能電動機保護器電磁輻射特性的影響。結果表明：提出的仿真和實驗方法對復雜結構的智能電動機保護器的電磁輻射定量評估具有一定的有效性和可行性；根據使用環境適當改變線寬可以不同程度地減小智能電動機保護器的電場強度和電磁強度，為產品設計提供參考。

智能電動機保護器;電磁輻射;仿真分析;PCB布局;定量評估

0 引 言

隨著電網的日益復雜，廣泛應用于電網的智能電器的電磁輻射問題隨之突顯[1-2]。

國內外學者對電磁輻射進行了大量的研究。文獻[3]通過利用得到的斬波電路中開關器件的近場輻射云圖，分析出開關器件的簡化電路，并進行了仿真驗證。文獻[4]采用有限時域差分法簡化PCB模型，通過編程分析得到電磁場分布。文獻[5]利用偶極子模型計算電流環路的電磁輻射的方法，計算了實際電路的電磁輻射，并利用EMC掃描儀測量環路的電磁輻射，證實了該方法的可行性。這些文獻中電路結構相對簡潔,模型構建分析相對容易。國內對電磁輻射的研究較晚，文獻[6]通過介紹EMSCAN系統以及偶極子共模輻射機理，總結出利用EMSCAN在設備設計階段反復試驗改進的方法。文獻[7]利用EMSCAN系統結合實際案例，總結出了一些數字電路板電磁兼容問題的原因和對策，對電路設計具有一定的指導意義。但是EMSCAN系統要求空間距離，對單層、厚度較小的PCB板適用性較強。

隨著電磁輻射仿真軟件的發展，對電磁輻射仿真的研究隨之發展[8-9]。文獻[10]提出了利用“場路”結合的方法，對控制器的PCB板電磁輻射進行仿真分析，進而優化改進其電磁兼容性能，其仿真中只給了PCB板的電場強度分布情況。文獻[11]通過對微弱信號PCB中電磁干擾源分析，提出了一些PCB的電磁抗干擾設計方法，并使用Ansoft Designer進行了電磁場仿真分析，以云圖的方式直觀的顯示了電場強度和磁場強度。文獻[12]基于微擾理論，提出了電磁兼容仿真模型簡化方法，并利用機箱模型進行了仿真驗證，在電磁輻射仿真方面具有一定的指導意義。仿真軟件解決了昂貴的測試費用問題，還可應用于復雜結構電路，目前在微擾信號的電磁輻射分析中應用較多。

智能電動機保護器電路結構復雜，在進行電動機故障保護時，信號范圍一般為幾安到幾百安，目前在電磁輻射方面的研究主要集中在定性分析上，本文借助電磁輻射分析軟件進行仿真建模，并設計實驗方案進行實驗測試，完善智能電動機保護器電磁輻射特性的定量評估方法，研究抗干擾措施的可行性，以改善智能電動機保護器的電磁兼容性能，也為智能電器電磁輻射定量評估提供一定思路。

1 智能電動機保護器的電磁干擾輻射研究

2.1 典型智能電動機保護器的結構原理

本文選擇典型智能電動機保護器作為研究對象，其結構和原理圖如圖1所示。圖1(b)左側第4組電路是電源模塊，它是整個系統的動力來源，為各模塊提供直流電源，但是由于開關管的瞬時通斷過程會產生大幅跳變的電壓和電流，因而產生強大的電磁干擾；信號采集模塊電路圖如圖1(b)左側第1組電路，原理圖中有3組這樣的電路，此模塊用來采集電動機的運行電流，它將較大線電流信號轉換成小電流信號，再通過電流電壓變換得到單片機可以識別的小電壓信號，此模塊中二極管的快速通斷會產生大的電磁干擾；單片機處理模塊電路圖如圖1(b)右側第1組電路，此模塊接收來自采集模塊的信號對其進行處理，從而輸出電動機保護信號給輸出模塊，由于此模塊具有時鐘電路和數據傳輸電路，這些電路會產生寬帶噪聲，可能影響整個頻譜范圍；圖1(b)電源模塊上面兩組電路是繼電器輸出模塊，用來實現從單片機發出的跳閘信號，在動作瞬間往往會有較大電信號變化，也會產生較大的電磁干擾。圖1(b)左側最后一組電路是屏顯及按鍵功能，實現了人機之間的溝通作用。

各模塊中電磁干擾在線路中流通時由于線路的天線效應就會產生電磁輻射[13]，電磁輻射能量耦合到線路中就會對設備造成影響。其主要表現方式是差模輻射和共模輻射。

2.2 差模輻射分析

智能電動機保護器結構中存在一定的差模輻射，例如圖2所示，在智能電動機保護器中電源模塊變壓器二次側次級線圈、快速恢復整流二極管和濾波電容組成的電壓回路H以及信號采集模塊中電流互感器二次側、快速恢復二極管和穩壓電阻組成的電流信號回路均會產生差模輻射，它是由電路中差模電流流過環路導線時產生的輻射作用，這種環路導線就相當于小環天線，既能向空間輻射電磁場信號，也能接受電磁場信號。電路中二極管的快速通斷產生較大的du/dt和di/dt，形成主要的干擾源[14]。

差模電流產生的差模輻射電場強度利用電流環模型計算得到[15]

(1)

圖1 智能電動機保護器結構圖和原理圖Fig.1 Structure diagram and principle figure of intelligent motor protector

式中：E為電場強度，V/m；f為電流頻率，Hz；A為電流環路面積，m2；I為電流，A；r為觀測距離，m。

圖2 電源模塊差模耦合路徑Fig.2 Differential mode coupling path of power module

式(1)適用于計算沒有任何反射的自由空間中小型環狀天線產生的電場強度，但是本文中研究的智能電動機保護器工作在地面，由于地面、墻面反射會使電場強度變大，因此在分析中進行了修正，修正系數為2，考慮最壞的情況，設sinθ=1,即

(2)

式(2)表明：差模輻射電場強度的大小與電流 、信號頻率的平方、環路面積成正比。

2.3 共模輻射分析

智能電動機保護器結構中同時存在一定的共模輻射，例如圖3所示，實際變壓器初級和次級繞組之間有一個很小但不等于零的耦合電容，此電容為共模電流提供一條穿過變壓器的通道，電源模塊的變壓器就會產生共模輻射。同樣信號采集模塊具有三個互感器，在電動機正常工作時，三個互感器采集到的電流經過整流后是大小相等方向相同的電流，并且連接同一個地線，同圖3所示相同原理產生共模輻射[16]。另外保護器中存在會產生高頻信號回源電路的數字電路，高頻使無源器件產生高頻特性(如圖4所示，電阻在高頻情況下的等效電路圖)。當地線中流過高頻干擾電流時，會由于地線導線的電感作用使地線的阻抗增加，引起地線上的電位差而產生共模電流干擾，由于智能電動機保護器中的各模塊都有地線回路，因此共模輻射影響較大[17]。

圖3 變壓器共模耦合路徑Fig.3 Common mode coupling path of transformer

圖4 電阻在高頻情況下的等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit diagram of the resistance at high frequency

共模輻射可模擬成一個短的(小于λ/4)電偶極子天線，對于接地平面上長度等于l的電偶極子理想天線來說，在距離天線為r處測量輻射場的電場強度為[15]

(3)

式中：E為電場強度，V/m；f為電流頻率，Hz；I為電流，A；l為電纜長度，m；r為觀測點到共模電流環路的距離，m。

式(3)適用于電流分布均勻的理想偶極子天線產生的電場強度，對于非理想的天線，在其開路末端，電流趨近于零，但對于小天線(小于λ/4)，電流分布在天線長度上呈線性，因此天線的平均電流僅為最大電流的一半[18]。針對本文中智能電動機保護器的變壓器耦合電容產生的共模輻射、電機正常工作時三個互感器產生的共模輻射以及高頻電流引起地線電位差的共模輻射，在本文中根據實際應用情況同樣加以修正，修正系數為1/2，設天線指向與電纜夾角為90°(即取電場強度的最大值)，修正后的輻射場的電場強度為

(4)

式(4)表明：共模輻射電場強度的大小與電流 、信號頻率、電纜長度成正比。

3 智能電動機保護器的電磁輻射特性仿真定量評估方法及實驗驗證

3.1 仿真模型建立

首先在AltiumDesigner中建立原理圖文件，根據選用的智能電動機保護器的電路工作原理以及器件的相關參數(主要參數如表1和圖1(a)所示)，分模塊完成原理圖繪制。根據其走線以及線寬來安排PCB文件的走線和線寬，最后形成PCB板圖，導出擴展名為“.DXF”的文件，在AnsoftDesigner中PlanarEM模塊建立雙面板模型FR-4(0.060inch)，將“.DXF”文件按層導入到工程中，并在相應的過孔位置手動加入相應尺寸的二維半(2.5D)過孔，然后根據實際使用情況在電源模塊和信號采集模塊分別添加6V、0V和三個2V電壓激勵，并設置5GHz的固定網格劃分頻率和0.1的邊緣網格長度比，掃描類型為離散的線性步進，得到仿真模型如圖5所示。

表1 典型智能電動機保護器器件的部分相關參數

3.2 電流仿真定量評估與分析

網格上電流的計算采用矩量法(MoM)[19-20]結合混合電位積分方程(MPIE)計算。

混合電位積分方程為

圖5 PCB仿真模型圖Fig.5 PCB simulation model figure

(5)

其中A和φ可以用并矢格林函數和標量格林函數及電流密度J、電荷密度q的積分來表示，即

(6)

(7)

式中：GA為并矢格林函數；GV為標量格林函數。

把式(6)和式(7)帶入式(5)，并用矩量法將電流密度用基函數表示為

(8)

根據電流連續性方程所得的電流密度J和電荷密度q的關系：

·J+jωq=0。

(9)

得表面電荷密度q為

(10)

式中：Qn=-·fn(r)。

將式(10)帶入式(5)中，兩邊同時用fn(r)做內積，再由已知的電壓矩陣和計算出的阻抗矩陣求出電流矩陣，同時可以求出電流密度，再由式(2)、式(4)求電場強度。

在AnsoftDesigner仿真完成后得到不同頻率下的電流分布圖如圖6所示。

由圖6可知感應電流最大的地方是激勵電壓最大的位置，并且隨著頻率的增加各條線路的感應電流變大，尤其在感應電流最大值附近回路變化更為明顯。在激勵電壓最大的Port5的位置，0.2GHz時感應電流最大值為1.005 0×102A，在0.6GHz時感應電流最大值為1.084 5×102A，1.0GHz時感應電流最大值為1.396 6×102A。隨著干擾電壓頻率的增加感應電流也在不斷增加。通過對比在遠離干擾信號的右上方是感應電流最小的位置，在0.2GHz時為7.433 7×10-4A，而在1GHz時達到1.139 6×10-1A，可知在干擾電壓頻率高時干擾范圍更遠。

在電流仿真圖中，并不是每條線路的變化趨勢都相同，不同導線對不同頻率的感應不同。在設計中可以針對智能電動機保護器的工作環境做出相應的改進。

3.3 電場強度仿真定量評估與分析

在工程窗口中的場強分布選項，添加近場強度云圖展示并對其進行屬性設置。得到不同頻率下的近場電場圖。

從圖7可以看到各頻率點的電場強度分布圖，由于電場輻射主要由干擾電流在線纜上產生的共模輻射引起，因此電場強度大的位置集中在PCB板上線纜較密的中間位置。對比不同頻率下的電場強度可知，隨著頻率的增加電場強度最大值也隨著變大。在0.2GHz時，最大場強為4.529 1V/m；在0.6GHz最大場強為10.398V/m；在1.0GHz最大場強為17.5V/m。

圖6 不同頻率下電流分布圖Fig.6 Distribution of current intensity at different frequencies

3.4 磁場強度仿真定量評估與分析

圖8為不同頻率下的近場磁場圖。

磁場輻射是由環路產生的差模輻射引起的，差模輻射受電流大小的影響。由于電源模塊具有會產生電磁噪聲的開關器件，以及信號采集模塊中電纜線路的諧波成分較多，因此磁場強度大的位置主要集中在電源模塊和采集模塊。繼電器輸出模塊是控制電動機開關的重要部分，設計PCB板時，將其放在遠離干擾信號的位置，所以該模塊輻射較低。單片機模塊處理速度快，會有高頻信號的影響以及晶振電路的影響，因此隨著頻率的增大，磁場強度的最大位置轉移到了單片機模塊。在0.2GHz時，磁場強度最大值為1.892 3×10-3A/m，0.6GHz時，磁場強度最大值為1.533 4×10-2A/m，1.0GHz時，磁場強度最大值為3.608 1×10-2A/m。

圖7 不同頻率下電場強度分布圖Fig.7 Distribution of electrical field intensity at different frequencies

在不同頻率點的近場電場與磁場輻射分布圖對電路的合理設計和布局有重要的指導作用。

3.5 智能電動機保護器的電磁輻射實驗測試研究

3.5.1 實驗系統設計

為了驗證仿真結果的準確性，需要對智能電動機保護器進行輻射測試。本實驗系統利用SPECTRANNF5035進行磁場輻射測試，在缺乏屏蔽室的情況下，提出了一種實驗測量方法。實驗系統與智能電動機保護器運行控制接線如圖9所示。

圖8 不同頻率下磁場分布圖Fig.8 Distribution of magnetic field at different frequencies

選擇空曠實驗室對智能電動機保護器進行電磁輻射測量時，首先按接線圖接線，將電動機三相導線分別穿過智能電動機保護器的三個電流互感器并與電源連接，電流互感器將流過電動機的大電流轉化為小電流信號，再通過電流電壓變換得到單片機可以識別的小電壓信，通過單片機的指令實現對電動機的保護。將PECTRANNF5035輻射測試儀用數據線與計算機相連接，然后將被測試的主要部位即智能電動機保護器放置在場強儀附近，并且遠離電動機以及外置互感器，以此減小他們帶來的電磁干擾輻射。

圖9實驗系統圖Fig.9 Experiment system diagram

3.5.2 實驗數據分析

由于外界環境存在電磁噪聲，首先對環境中的電磁噪聲進行測試，得出在100kHz掃描頻率下環境的電磁輻射值為1.328 4×10-4A/m；當智能電動機保護器不加電時，測得100kHz頻率下保護器周圍電磁輻射值為1.356 6×10-4A/m。智能電動機保護器通220V電壓，并使額定電流為60A的電機正常運轉后，對各模塊進行輻射測量，測試結果以及100kHz掃描頻率下的仿真結果對比表如表2所示。

對比各模塊實驗數據，電源模塊、單片機模塊和信息采集模塊磁場輻射值較大，繼電器模塊輻射強度較小，并且因為右繼電器在電流互感器和電源模塊中間，因此它的電磁輻射值比左繼電器模塊要大一些。與仿真結果中的近場磁場輻射數值對比，在100kHz時輻射強度最高的點在電源模塊，輻射強度較大的位置在電源模塊、單片機模塊和信息采集模塊。同時表2中還計算了各模塊實驗值與仿真值的誤差，最大誤差值為12.14%，最小誤差值為4.48%，加之各模塊輻射值大小趨勢相同，可以證明實驗值與仿真值是相符的。

表2 實驗與仿真數據對比表

4 線寬對智能電動機保護器的電磁輻射特性的影響及分析

對典型智能電動機保護器PCB進行線寬改變研究線寬對電磁輻射性能的影響[21]。通過仿真獲知最容易感應出電流的線路為Port 5上方的地線，將其線寬由1.2 mm加寬至1.5 mm，再加寬至2 mm對比分析電磁輻射結果。

4.1 改變線寬對感應電流的影響

改變PCB敏感線寬，在不同情況下的感應電流最大值對比如表3所示，其折線圖如圖10(a)所示。在不同頻率下增加線寬感應電流的最大值會有所下降，在1 GHz降低的最多，在1.2 mm時為139.66 A，而1.5 mm時降低到了91. 952 A，在2 mm時降低到91.945 A。對比可以發現線寬增加到2 mm時效果不太明顯并且會增加成本，因此可以適當地選擇線寬達到合適效果。

4.2 改變線寬對近場電場的影響

通過對比不同線寬的近場電場強度分布圖可知，改變線路的寬度對于感應電場強度的最大位置沒有改變，但是輻射的最大數值有所下降，然而在1 GHz時強度有所增加。不同線寬下的近場電場最大值對比如表4所示，其折線圖如圖10(b)所示。通過對比可以發現在1.5 mm時從0.2 GHz到0.8 GHz都有所下降，1 GHz時反而升高，因此對于處在高頻環境下時， 2 mm線寬的效果更好。因此可以根據其所處不同環境合理設置其線寬。

表3 改變線寬前后電流變化對比表

4.3 改變線寬對近場磁場的影響

通過對比不同線寬時的近場磁場強度分布圖可知，改變線路的寬度對于感應磁場強度最大值的位置沒有改變，但是對于輻射的最大值有所下降，對比結果如表5所示，其折線圖如圖10(c)所示。從折線圖中直觀看出三條折線幾乎重合，因此在設計時應合理考慮線寬與輻射程度的配合。

表4 改變線寬前后近場電場強度對比表

表5 改變線寬前后近場磁場強度對比表

圖10 不同線寬電磁輻射對比折線圖Fig.10 Line chart of electromagnetic radiation with different line width frequencies

5 結 論

本文對典型智能電動機保護器進行了電磁輻射特性定量評估和分析，為具有復雜電路結構的智能電器電磁輻射定量評估提供了一定的手段。

1)在分析典型智能電動機保護器電磁輻射特性的基礎上，研究了定量評估方法，利用Altuim Designer和Ansoft Designer相結合，建立了仿真模型，定量分析了不同頻率點近場E、H場的分布情況。近場E主要集中在PCB中間線纜密集的位置；近場H場主要集中在電源模塊和采集模塊；對同一頻率點，近場E場和近場H場的最大值位置不同。

2)在缺乏標準屏蔽室的情況下設計了實驗方案，搭建了實驗線路，實驗值與仿真值的最大誤差為12.14%、最小誤差為4.48%，驗證了利用仿真分析進行電磁輻射定量評估的可行性。

3)研究了關鍵線寬對典型智能電動機保護器電磁輻射特性的影響，根據使用環境，適當改變關鍵線路的寬度可以不同程度的減小電場強度和電磁強度，這對產品設計具有一定的指導意義。

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(編輯：劉素菊)

Research on quantitative assessment method of electromagnetic radiation of intelligent motor protector

ZHAO Jing-ying， ZHOU Si-nuo， GAO Jia-xiong

(School of Electrical Engineering ,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)

Aiming at the serious electromagnetic radiation of intelligent motor protector with the increasing complexity of the circuit and the improvement of signal processing speed,a quantitative assessment method is researched by combining circuit drawing software with simulation software,simulation model of PCB layout of intelligent motor protector was established. Quantitative evaluations of current,electrical field strength and magnetic field intensity were finished to visually show the distribution of electromagnetic radiation. Design,testing and verification of the experiment were carried out. In addition,the influence of the line width of the key points on electromagnetic radiation was studied.The results show that the simulation method and the experimental method presented are effective and feasible for quantitative evaluation of electromagnetic radiation for intelligent motor protector with complex structure. According to the environment,the electromagnetic strength can be reduced to different degrees with different width,which provides reference for product design.

intelligent motor protector; electromagnetic radiation; simulation analysis; PCB layout; quantitative evaluation

2016-10-08

國家科技支撐計劃(2015BAA09B00)；河北省高等學校科學技術研究項目(QN20131165)；河北省高等學校創新團隊領軍人才培育計劃(LJRC003)

趙靖英(1974—)，女，教授，碩士生導師，研究方向為電器可靠性及檢測技術； 周思諾(1992—)，女，碩士研究生，研究方向為電器可靠性及檢測技術； 高佳雄(1990—)，男，碩士，研究方向為電器可靠性及檢測技術。

趙靖英

10.15938/j.emc.2017.06.005

TM 153

A

1007-449X(2017)06-0034-10