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三相电机驱动系统中电磁干扰及其高功率密度滤波方案研究

罗昉  
【摘要】: 现代全电力交通工具凭借其高效、节能、低排放的优势,越来越受到人们的重视和应用。全电力交通工具中的广泛应用催生了对高功率密度电力电子变换器的极大需求。通常高功率密度变换器通过提高开关频率来追求在更小的空间体积内拥有更高的能力处理能力。这一趋势使得电磁兼容问题在这一类高功率密度变换其中显得尤为重要。为了抑制这些高频开关动作引起的电磁干扰影响,特别是传导干扰影响,设备中通常需要安装体积庞大的电磁兼容滤波器。通常这些滤波器由不同材料的无源器件组成,体积庞大,低频损耗严重,并且占用了极大的系统体积。高功率密度的电磁兼容滤波器是影响变换器功率密度的关键因素之一。本论文围绕直流供电三相电机驱动系统的电磁兼容问题,特别侧重于对其传导干扰的高功率密度滤波方案,展开了一系列的研究。 共模电感的体积占电磁兼容滤波器体积的一大部分,其饱和极限极大影响了电磁兼容滤波器体积进一步减小。传统的共模电感设计认为共模电感的饱和是由于其漏感和通过它的差模电流共同决定。但是在实际情况中,尽管设计中考虑了漏感和差模电流的影响,共模电感还是会饱和。所以在实际应用中,通常共模电感需要根据经验留出很大一部分设计裕量,这种设计方法不利于滤波器功率密度的进一步提高。本文提出并论证了除了漏感和差模电流,共模电压及其伏秒积也对共模电感的饱和有决定性影响的观点。文中建立了一个解析模型用于分析共模传导路径参数,电机驱动器调制方式及其工作点以及电机驱动器开关频率对共模电感上伏秒积的影响。共模电感上伏秒积直接决定了共模电感磁芯的截面积和电感的大小。在已知共模传导路径参数,电机驱动器调制方式及其工作点以及电机驱动器开关频率等参数的情况下,可以直接计算出共模电感上伏秒积,从而选择合适的、体积最小的磁芯。该模型可以作为共模电感传统设计方法的一个重要补充。 集成技术可以实现无源器件多功能集成,可订制外形。这一特点可以有效提高无源器件的空间利用率,减小系统体积。标准化的制作工艺也可以减低器件制造成本,有利于大规模工业化生产。本文比较分析了几种不同的集成工艺,并选择了扁平式电感电容集成的的方式作为研究的入口。在大多数以往的研究中,扁平式电感电容集成的滤波器停留在小信号研究的阶段。本研究设计并在实际的系统中测试了扁平式电感电容集成滤波器,并基于此工作总结了该类型滤波器在实际高电压大电流偏置的情况下的设计方法。本文中还提出了对其工艺的改进,通过改进工艺,第三版滤波器体积可减小为第一版的1/2。为了进一步建小滤波器体积,提高其空间利用率,本研究工作中还尝试了利用低温共烧陶瓷技术对差模电容进行集成。低温共烧陶瓷电容通常在低压的场合使用,它在高压大电流偏置下的特性还不为人知。为了研究这一特性,本研究特别构建了一个大信号测试仪,利用它对电容进行高压充放电从而获得该电容在电压/电流/温度偏置下的特性数据。 本文中还系统的研究了利用直流母线滤波器对共模干扰的抑制。传输线型的直流母线滤波器最早出现在射频芯片领域,它利用不同材料的集肤效应和邻近效应,为不同频率的电流提供了不同的通路。它是一种选择性的滤波器。后来人们把这一概念推广延伸到电力电子领域,使其变成一种可以抑制电磁干扰的功率连接器。早期文献中这种传输线型的直流母线滤波器应用于一个400W有源功率因数校正变换器中,变换器开关频率400 kHz。而电机驱动系统的电压等级较高,功率较大,开关频率远远低于400kHz。这些因素是否会导致直流母线滤波器的失效,一切都不得而知。为了回答这一问题,在研究中首先根据以前的文献构建了一个基本版的传输线型的直流母线滤波器,并在电机驱动系统中进行了测试。围绕这个基本版传输线型的直流母线滤波器的测试结果,本文展开了一系列的建模和分析工作.根据建模分析的结果,文中提出并验证了一种改进型直流母线滤波器。这一改进可以有效增加传输线型的直流母线滤波器对低频噪声的抑制能力。


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