胡 平, 孫 炯, 劉 凱, 邵松世

?

魚雷電機(jī)逆變系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾分析與抑制

胡 平, 孫 炯, 劉 凱, 邵松世

(海軍工程大學(xué) 科研部, 湖北 武漢, 430033)

為了解決魚雷電機(jī)逆變系統(tǒng)高頻化、大容量化帶來(lái)的電磁干擾(EMI)問(wèn)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?fù)? 闡述了其工作原理, 重點(diǎn)分析了魚雷電機(jī)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(shè)計(jì)了EMI測(cè)試方案, 對(duì)硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)條件下的EMI頻譜進(jìn)行了對(duì)比,測(cè)試結(jié)果表明, 采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和優(yōu)化的控制策略, 能有效降低魚雷電機(jī)逆變系統(tǒng)的EMI。

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

0 引言

魚雷高速、遠(yuǎn)程的發(fā)展趨勢(shì), 使其電動(dòng)力系統(tǒng)正向大容量、高頻化的方向發(fā)展, 但隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高, 功率開(kāi)關(guān)換流過(guò)程中, 開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)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(yán)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(jī)逆變系統(tǒng)EMI問(wèn)題對(duì)提高魚雷電力電子部件可靠性具有重要意義[1-3]。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)被認(rèn)為是解決以上問(wèn)題的有效途徑, 即通過(guò)輔助諧振環(huán)節(jié)使開(kāi)關(guān)管在零電壓或零電流的情況下完成開(kāi)通或關(guān)斷, 有效減小d/d和d/d, 達(dá)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?fù)? 提出了優(yōu)化的電壓空間矢量控制策略, 并通過(guò)EMI測(cè)試驗(yàn)證了該方案在降低EMI方面的優(yōu)越性。

1 PRDCLI電路結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 電路結(jié)構(gòu)

新型直流環(huán)節(jié)并聯(lián)諧振逆變器(parallel resonant DC link inverter, PRDCLI)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型PRDCLI的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 新型PRDCLI的等效電路

1.2 工作原理

在1個(gè)完整的諧振開(kāi)關(guān)過(guò)程中, 按開(kāi)關(guān)管狀態(tài)的不同可劃分為6個(gè)時(shí)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(dòng)諧振電路工作, 導(dǎo)通2, 使諧振電感預(yù)充電具有足夠的能量補(bǔ)償因諧振而引起的能量損耗, 關(guān)斷1, 諧振電感L和電容C開(kāi)始諧振, 使直流電壓諧振過(guò)零, 為逆變器開(kāi)關(guān)器件創(chuàng)造零電壓換相條件。關(guān)斷2, 電感L和電容C重新開(kāi)始諧振, 電容電壓從零諧振上升直到重新達(dá)到U。

圖3 不同運(yùn)行模式下各參數(shù)曲線

2 魚雷電機(jī)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(kāi)關(guān)器件的快速開(kāi)通和關(guān)斷使電壓和電流在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生跳變, 從而形成EMI[4]。逆變器產(chǎn)生的EMI源主要有以下幾個(gè)方面。

1) d/d。在開(kāi)關(guān)器件通斷瞬間, 電壓的跳變會(huì)在電容上產(chǎn)生很大的充電或放電電流, 實(shí)際的驅(qū)動(dòng)電路和主電路都會(huì)存在雜散分布電容, 1 nF的電容就可以產(chǎn)生幾個(gè)安培的電流瞬態(tài)脈沖, 會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的EMI。

2) d/d。開(kāi)關(guān)器件在通斷瞬間的電流變化會(huì)在雜散電感上感應(yīng)出電壓, 另外, 有較大d/d的電流環(huán)路也是一個(gè)輻射源, 將對(duì)空間產(chǎn)生輻射電磁場(chǎng)。

3) PWM信號(hào)自身。逆變器中開(kāi)關(guān)產(chǎn)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(kāi)關(guān)頻率從幾千赫茲到幾十萬(wàn)赫茲, 諧波頻率從幾千赫茲到幾百萬(wàn)赫茲。由于高次諧波的存在, PWM信號(hào)也會(huì)對(duì)周圍的設(shè)備產(chǎn)生輻射影響。

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

根據(jù)傳播途徑的不同, 可將EMI分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾, 而在逆變器中主要為傳導(dǎo)干擾, 傳導(dǎo)干擾根據(jù)產(chǎn)生機(jī)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(guò)相線、對(duì)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(chǎn)生的高頻振蕩, DM干擾是指相線之間的干擾, 直接通過(guò)相線與電源形成回路, 它主要是由功率開(kāi)關(guān)管產(chǎn)生的脈動(dòng)電流引起的。

由于魚雷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用PWM調(diào)制技術(shù), 線路中的電壓、電流隨功率開(kāi)關(guān)器件動(dòng)作產(chǎn)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(wàn)赫茲甚至上億赫茲, 這些高頻成分通過(guò)寄生電容和公共阻抗形成漏電流, 產(chǎn)生傳導(dǎo)EMI。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)漏電流的傳播主要通過(guò)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(jī)的繞組和定子機(jī)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(diǎn)接地線。電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)EMI的傳播途徑如圖4所示[5], 虛線為DM電流路徑, 點(diǎn)線為CM電流路徑。

圖4 電機(jī)PWM傳動(dòng)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(nèi)1個(gè)開(kāi)關(guān)周期中采用空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width mo- dulation, SVPWM)優(yōu)化調(diào)制方案時(shí)的典型開(kāi)關(guān)次序及其產(chǎn)生的CM電壓示意圖。與采用傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制方案比較, 零矢量0(000)或7(111)時(shí)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(diào)制方案, 可大大降低CM電壓。

圖6 SVPWM優(yōu)化開(kāi)關(guān)調(diào)制及其產(chǎn)生的共模電壓

其控制算法的基本步驟如下。

2) 計(jì)算與參考矢量相鄰4個(gè)矢量的作用時(shí)間;

3) 根據(jù)開(kāi)關(guān)電壓矢量作用時(shí)間合成為三相PWM信號(hào)。

方向相反的矢量作用時(shí)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(yàn)結(jié)果及EMI測(cè)試分析

圖7 EMI測(cè)試系統(tǒng)框圖

圖8 開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)的Vgs(5 V/格, 5 us/格)和Vds(50V/格, 5us/格)波形

圖9 開(kāi)關(guān)管端電壓波形

圖10和圖11分別為硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)總的EMI頻譜圖, 通過(guò)比較可以看出, 在3~30 MHz的大部分頻率范圍內(nèi), 相對(duì)于硬開(kāi)關(guān)逆變器, 軟開(kāi)關(guān)逆變器有效降低了總的EMI。這是因?yàn)? 在軟開(kāi)關(guān)逆變器中, 主開(kāi)關(guān)器件都是在零電壓條件下開(kāi)通或關(guān)斷, 大大減小了開(kāi)關(guān)時(shí)刻的d/d和d/d。而且, 諧振環(huán)的輔助開(kāi)關(guān)器件1和2也是在軟開(kāi)關(guān)的條件下進(jìn)行開(kāi)關(guān)的。開(kāi)關(guān)管1在零電壓的條件下開(kāi)通和關(guān)斷。開(kāi)關(guān)管2在零電流的條件下開(kāi)通并且在零電壓的條件下關(guān)斷。

通過(guò)對(duì)硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)逆變器的EMI噪聲頻譜的對(duì)比可知, 軟開(kāi)關(guān)逆變器能夠大幅降低傳統(tǒng)硬開(kāi)關(guān)逆變器產(chǎn)生的傳導(dǎo)噪聲。

圖10 硬開(kāi)關(guān)逆變器的EMI噪聲頻譜

圖11 軟開(kāi)關(guān)逆變器的EMI噪聲頻譜

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種新型PRDCLI拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 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(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了EMI測(cè)試方案, 實(shí)現(xiàn)了逆變器主開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)和空間矢量控制, 有效地減小了傳統(tǒng)逆變器存在的過(guò)大的d/d和d/d, 測(cè)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(guó)呈. PWM變頻調(diào)速及軟開(kāi)關(guān)電力變換技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)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(jìn)展[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 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(nèi)部電磁干擾測(cè)試與診斷[J]. 魚雷技術(shù), 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(jìn)展[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 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(shù)在零電壓過(guò)渡三相逆變器中的應(yīng)用研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 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(kāi)關(guān)變換器的實(shí)現(xiàn)策略[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 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(guó)防“十一五”預(yù)研項(xiàng)目(101010601202).

胡 平(1981-), 男, 在讀博士, 主要從事魚雷電力推進(jìn)技術(shù)研究.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)