他励直流电机共模电磁干扰的分析_学士学位论文(编辑修改稿)

他励直流电机共模电磁干扰的分析_学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

用场合也不同。 他励直流电机的机械特性 他励直流电机的机械特性是指电机加上一定的电压 U和一定的励磁电流 If时，电磁转矩 Te 与转速 n 之间的关系，即 n=f(Te)，为了推导机械特性的一般公式，在电枢回路中串入一个电阻 R。 可以推导得到 0()a a a eeE E E TU I R R U R Rn T n TC C C C       βΦ Φ Φ (21) 式中，0 EUn C Φ 称为理想空载转速， aETRRCCβ Φ 是机械特性的斜率， Ia 为电枢电流， CE 是电机在额定磁通下的电动势系数， Ra是直流电机的电枢电阻，Φ是磁通量的幅值， CT是电机在额定磁通下的转矩系数， Te是电磁转矩，式 (21)为他励直流电机机械特性的一般表达式，由式 (21)可知， 他励直流电动机机械特性是一条斜直线，跨三个象限，特性较硬。 机械特性只表征电动机电磁转矩和转速之间的函数关系，是电动机本身的能力。 他励直流电机的运行特性 他励直流电动机的启动： 直 流电动机接到电源后，转速从零达到稳态转速的过程称为起动过程。 对电机起动的基本要求是：起动转矩要大；启动电流要小；起动设备要简单、经济、可靠。 若 对静止的 他励直流电动机加额定电压 UN、电枢回路不串电阻即直接起动。 此时 n=0，Ea=0，起动电流 /st art N a NI U R I ， 起动转矩 st a rt T N st a rt NT C I T  。 (1) 电枢回路串电阻起动 在额定电源电压下，电枢回路串入分级起动电阻 Rst，在起动过程中将起动电阻逐步切除。 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 8 图 210 电枢回路串电阻起动 起动时在电 枢回路内串入电阻，用来限制起动电流 ,等电动机转速升高，电枢电动势Ea 升高，再逐步切除外串电阻，直到电动机达到要求的转速，如图 210 所示。 电磁转矩TaT C I Φ ， T 与 Ia成正比，所以在图 22 的横坐标上可以将 T 与 Ia标注在一起，只是它们在横坐标上的比例系数不同而已；当然也可以将起动转矩 Tst 和起动电流 Ist 标注在一起。 TL是负载转矩， T=TL时的电枢电流也称为负载电流 IL，也把 TL与 IL标注在一起。 (2) 降电压起动 起动时，将电源电压降低为 U，使 Ist = (2~） IN，即 (2 ~ 2 .5 )st NaUIIR (22) 待电动机转速升高 .电枢电动势 Ea 上升，电流降低，这时再逐步升高电源电压，始终保证在起动的全过程中 Ist 不超过允许值。 有时为了保证起动过程中电磁转矩一直较大及电枢电流一直较小， 可以逐渐升高电压 U，直至最后升到 UN。 他励直流电动机的调速： (1) 电枢串入电阻调速 他励直流电机拖动负载运行时，保持电源电压及磁通为额定值不变，在电枢回路中串入不同的电阻时，电机运行于不同的转速。 此方法有以下特点： ① 机械特性较软，电阻愈大则特性愈 软，稳定度愈低； ② 在空载或轻载时，调速范围不大； ③ 实现无级调速困难； ④ 在调速电阻上消耗大量电能等。 正因为缺点不少，目前已很少采用，仅在有些起重机、卷扬机等低速运转时间不长的传动系统中采用。 (2) 降低电源电压调速 保持他励直流电动机磁通为额定值不变，电枢回路不串电阻，降低电枢的电源电压为不同大小时，电动机拖动负载运行于不同的转速上。 此方法有以下特点： ① 当电源电压连续变化时，转速可以平滑无级调节，一般只能在额定转速以下调节； ② 调速特性与固有特性互相平行，机械特性硬度不变，调速的稳定度较高，调速范围较大； ③ 调速时，因电枢电流与电压 U 无关，若电枢电流不变，则电动机输出转矩 T 不变，我们把调速过程中，电动机输出转矩不变的调速特性称为恒转矩调速。 (3) 弱磁调速 保持电枢电压为额定电压，电枢回路不串电阻，在电动机轴上的负载不是很大的情况下，人为降低电动机的磁通，从而达到调速的目的。 ①可以平滑无级调速，但只能弱磁调速，即在额定转速 nN 以上调节； 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 9 ②调速特性较软，且受电动机换向条件等的限制，普通他励电动机的最高转速不得超过（ ～ 2） nN 倍，所以，调速范围不大，若使用特殊制造的“调速电动机”，调速范围可以增加到（ 3～ 4） nN 倍的额定转速； ③调速时维持电枢电压 U和电枢电流 Ia 不变时，电动机的输出功率 P = UIa 不变，我们把在调速过程中，输出功率不变的这种特性称为恒功率调速。 基于弱磁调速范围不大，它往往是和调压调速配合使用，即在额定转速以下，用调压调速，而在额定转速以上，则用弱磁调速。 电磁干扰基本概念 电磁兼容性（ Electromagic Compatibility，简称 EMC）是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。 因此，EMC 包括两个方面 的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。 电磁干扰 (Electromagic Interference，简称 EMI)是 导致设备、传输信道和系统性能劣化的电磁骚扰 ，会干扰信号并降低信号完好性的电子噪音， EMI 通常由电磁辐射发生源如电机和机器产生的。 电磁干扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。 它的主要要素有自然和人为的干扰源、通过公共地线阻抗 /内阻的耦合、沿电源线传导的电磁干扰和辐射干扰等。 电子系统受干扰路经为经过电源，经过信号线或控制电缆，场渗透，经过天线直接进入：并且有电缆耦合，从其他设备来的传导干扰，电子系统内部场耦合，其它设备的辐射干扰，电子设备外部耦合到内部场，宽带发射机天线系统，外部环境场等等。 电磁干扰源分类，有多种分类方法：自然界干扰源和人为干扰源；有意干扰和无意干扰；传导型干扰和辐射型干扰等。 电磁干扰的形成必须同时具备三项因素： 干扰源； 干扰途径 —— 传导型干扰（路）、辐射型干扰（场）； 对电磁干扰敏感性较高的接收电路。 消除或减弱电磁干扰，可针对这三项因 素采取措施： 消除或抑制干扰源； 切断干扰途径； 削弱接受回路对干扰的敏感性。 电磁干扰的途径有： 传导型（通过路的干扰）： (1)供电干扰（电源干扰）：来自电源本身或由于电源异常抖动引起的干扰； (2)强电干扰（信号通道干扰）：来自信号通道内部的各种干扰； (3)接地干扰：由于接地不当引起的干扰； 辐射型（通过场的干扰）： 辐射干扰：来自空间的电磁干扰。 电磁干扰有 共模和差模两种方式。 共模 干 扰存在于电源任何 一 相对 大 地、或 电 线对 大地间。 共模干 扰有时也称纵模 干 扰、不对称 干 扰或接地 干 扰，这 是 载流导体与大地之间的干 扰。 差模干扰存 在于电源 相线与 电 线及相线与相线之间。 差模干扰也称常 说的常模干扰、横模干扰或对称干扰。 这 是 载流导体之间的干扰。 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 10 第 3 章 他励直流电机绕组模型的建立和仿真 电机侧共模传导 EMI分析 他励直流电动机电磁场干扰，主要来自于其绕组中突变的磁场，和换向器与电刷之间的电弧。 有刷电机在换向过程中，电刷从一片换向器向另一片过渡的时候，会产生急剧变化的接触电阻，这样导致电流突变，产生电弧，从而便形成陡峭的脉冲电场波，这些脉冲干扰会经常在供电线上，产生高频瞬变电压，再利用导线，以传导 干扰的形式侵入到其它各种设备中，影响其它敏感设备的正常运行，特别是当其传导干扰的频率足够高时，还会通过导线的天线效应产生辐射，恶化整个电机系统的电磁环境。 这些干扰的电磁波频率约为 10Hz～ 1000MHz，因而其干扰的频带很宽。 当电机的励磁绕组电流突然被切断时，线圈产生的励磁磁场，突然消失，于是在线圈中就会产生高达数百伏，甚至上千伏的瞬变过电压，这种高电压与一阶电路的指数衰减曲线形态非常相似，于是，该脉冲电压产生极大的能量泄放，窜入控制电路产生相当大的电能冲击。 当电机处于额定负载下工作时，若突然切断电枢绕组 供电电流，此时，电枢仍在高速转动，在电机定子励磁作用下，转子的电枢绕组产生的感应电动势与原电枢绕组电动势同向叠加，也会形成过电压，其瞬态的峰值可以达到额定电压的 6～ 8 倍，并按指数规律衰减到电枢停止转动 [7]。 图 31 直流电机端电压波形 电机的干扰脉冲峰值的大小，与电机的基本结构、正常工作时的负载、绕组绝缘层的老化以及换向器与电刷之间的间隙等因素，都有直接关系。 为了准确建立电机传导电磁干扰的仿真模型，需要深入分析电机传导干扰的产生的机理，然后进行电机绕组的高频建模，才能建立出电机传导电磁干扰的仿真模型。 哈尔滨远东理工学院学士学位论文 11 图 32 电机端电压频谱 图 31 所示，用示波器显示的直流电机低速运行时，电机端电压的波形，从图可以看出，电机的电压不仅出现周期性脉动，同时还出现了尖峰脉冲。 图 32 所示是直流电机端电压频谱图，该频谱是利用示波器得到的电压数据作傅里叶变换后得到的频谱结果，由此图可以看出，直流电机端电压含有丰富的高频分量，而且在高频段仍有一定强度。 他励直流电机绕组模型的建立 在该直流电机建模过程中，除了需要根据电机特性建立物理模型外，还有重要的一步就是如何确定物理模型中各个元件的参数，本文采用仿真分析来选择模 型中各个元件的参数。 目前，已知文献 [46]中所提到的几种电机共模等效电路，多数是为了分析和预测共模电压在电机端产生的过电压、轴电压或电流等负面效应而提出的，即使是用于分析漏电流的共模等效电路，适用的频段也只是 1MHz 以下，很难满足整个传导干扰频段（ 150K~30MHz） EMI 问题研究的要求。 本文所建立的他励直流电机的高频共模等效电路，与文献中所提到的等效电路的主要不同之处，是该等效电路可用于分析和预测他励直流电机驱动系统整个传导干扰频段共模的发射强度和电机侧共模电流。 他励直流电机共模电流 耦合路径 他励直流电机内部，定子和转子槽内的励磁绕组和电枢绕组，沿圆周对称分布，同时电机内部还存在着磁场和电场，这就使得电机内部，存在着大量电磁耦合的关系，这就为高频电磁干扰噪声的传播提供了丰富的路径。 尽管他励直流电机中寄生参数有很多，但考虑到电机中励磁和电枢绕组分开供电，电枢绕组通过 PWM 控制器实现电机调速，所以电枢绕组是系统产生高频共模电磁干扰的主要部件，所以研究其寄生电容参数，就重点分析电枢绕组，主要有三种寄生电容，励磁绕组对定子铁心的寄生电容（ Csg），电枢绕组对转子铁心的寄生电容（ Csa），电枢绕 组对定子铁心的寄生电容（ Csf）。 根据他励直流电机内部寄生参数的分布情况，得到电机的共模电流耦合路径如图 33所示。 Za 和 Zf分别表示电枢绕组和励磁绕组单位长度阻抗； Rb 为轴承电阻； Pa 和 Na， Pf哈尔滨远东理工学院学士学位论文 12 和 Nf分别表示电枢绕组和励磁绕组供电电源的正负端，其中电枢绕组的供电电源是通过功率变换器提供的。 icm为流入的大地的共模电流， iacmk， ifcmk， igcmk（其中 k=1， 2，„， n）分别为流过每个单位长度绕组所对应的寄生电容的共模电流。 由图 33 所示的他励电机内部寄生参数分布情况和电机结构的分析可知，电枢绕 组是受高频干扰影响最严重的部件，而励磁绕组在高性能供电电源下工作时所受到的高频干扰很小，所以在分析共模电流路径时，可以忽略励磁绕组本身对共模电流的影响，只需考虑寄生电容的影响。 电 枢 铁 心8 V 励 磁 电 源PfPaNaN fZaZfCs aCs fCs gia c m 1if c m 1 ig c m 1 ia c m 2if c m 2 ig c m 2 ia c m 3if c m 3 ig c m 3 ia c m 4if c m 4 ig c m 4 ia c m nif c m n ig c m n ZaZaZaZaZfZfZfZfic mic m功 率 变 换 器轴 承 图 33 他励直流电机内部共模电流耦合路径 他励直流电机绕组模型建立 研究电机绕组高频特性最有效的方法就是采用多导体、多单元的传输线模型。 对给定直流电机而言，电枢铁心为各向同性的均匀介质，且各转子槽的结构相同，槽内的绕组匝数和线径均为定值，所以可认为电机电枢绕组是 均匀传输线。 在分析和预测直流电机侧高频共模电流时，可采用更为简化的集总参数模型 [8]，根据经验，在分析他励直流电机的基础上建立了直流电机绕组的 EMC 模型，如图 34 所示。 LaRaCaLrCrRrXYGCf 图 34 他励直流电机高频共模等效电路 La表示电枢绕。