鱼雷电机逆变系统传导干扰分析与抑制

胡 平, 孙 炯, 刘 凯, 邵松世



鱼雷电机逆变系统传导干扰分析与抑制

胡 平, 孙 炯, 刘 凯, 邵松世

(海军工程大学 科研部, 湖北 武汉, 430033)

为了解决鱼雷电机逆变系统高频化、大容量化带来的电磁干扰(EMI)问题, 介绍了一种新型的直流环节并联谐振逆变器(PRDCLI)拓扑, 阐述了其工作原理, 重点分析了鱼雷电机逆变系统电磁干扰源和传播途径, 提出了一种能有效降低EMI的控制策略, 设计了EMI测试方案, 对硬开关和软开关条件下的EMI频谱进行了对比,测试结果表明, 采用软开关技术和优化的控制策略, 能有效降低鱼雷电机逆变系统的EMI。

鱼雷电机; 直流环节并联谐振逆变器; 软开关; 电磁干扰; 控制策略

0 引言

鱼雷高速、远程的发展趋势, 使其电动力系统正向大容量、高频化的方向发展, 但随着开关频率的提高, 功率开关换流过程中, 开关动作时的电压峰值(d/d)和电流峰值(d/d)所形成的电磁干扰(electromagnetic interference, EMI)将严重影响逆变器本身乃至鱼雷其他电子部件的正常可靠工作。因此, 研究鱼雷电机逆变系统EMI问题对提高鱼雷电力电子部件可靠性具有重要意义[1-3]。软开关技术被认为是解决以上问题的有效途径, 即通过辅助谐振环节使开关管在零电压或零电流的情况下完成开通或关断, 有效减小d/d和d/d, 达到抑制EMI的目的。本文介绍了一种新型的直流环节并联谐振逆变器拓扑, 提出了优化的电压空间矢量控制策略, 并通过EMI测试验证了该方案在降低EMI方面的优越性。

1 PRDCLI电路结构及工作原理

1.1 电路结构

新型直流环节并联谐振逆变器(parallel resonant DC link inverter, PRDCLI)的拓扑结构如图1所示。

图1 新型PRDCLI的拓扑结构

图2 新型PRDCLI的等效电路

1.2 工作原理

在1个完整的谐振开关过程中, 按开关管状态的不同可划分为6个时间段, 图3为电路工作主要波形。工作原理: 在逆变器桥臂需要换相之前启动谐振电路工作, 导通2, 使谐振电感预充电具有足够的能量补偿因谐振而引起的能量损耗, 关断1, 谐振电感L和电容C开始谐振, 使直流电压谐振过零, 为逆变器开关器件创造零电压换相条件。关断2, 电感L和电容C重新开始谐振, 电容电压从零谐振上升直到重新达到U。

图3 不同运行模式下各参数曲线

2 鱼雷电机逆变系统电磁干扰源和传播途径

在工作中, 逆变器功率开关器件的快速开通和关断使电压和电流在短时间内发生跳变, 从而形成EMI[4]。逆变器产生的EMI源主要有以下几个方面。

1) d/d。在开关器件通断瞬间, 电压的跳变会在电容上产生很大的充电或放电电流, 实际的驱动电路和主电路都会存在杂散分布电容, 1 nF的电容就可以产生几个安培的电流瞬态脉冲, 会对电力系统产生严重的EMI。

2) d/d。开关器件在通断瞬间的电流变化会在杂散电感上感应出电压, 另外, 有较大d/d的电流环路也是一个辐射源, 将对空间产生辐射电磁场。

3) PWM信号自身。逆变器中开关产生的PWM波形除了有用的基波外, 还含有大量的高次谐波, 目前逆变器的开关频率从几千赫兹到几十万赫兹, 谐波频率从几千赫兹到几百万赫兹。由于高次谐波的存在, PWM信号也会对周围的设备产生辐射影响。

4) 控制电路。控制电路输出的高频脉冲时,钟波形也会产生一定的EMI。由于控制电路的电压比较低, 产生的EMI也较小。

根据传播途径的不同, 可将EMI分为传导干扰和辐射干扰, 而在逆变器中主要为传导干扰, 传导干扰根据产生机理不同又可分为共模(common mode, CM)干扰和差模(differential mode, DM)干扰2种形式, CM干扰是指通过相线、对地寄生电容, 再由地形成回路的干扰, 它主要是与寄生电容间相互作用而产生的高频振荡, DM干扰是指相线之间的干扰, 直接通过相线与电源形成回路, 它主要是由功率开关管产生的脉动电流引起的。

由于鱼雷电机驱动系统采用PWM调制技术, 线路中的电压、电流随功率开关器件动作产生很高的d/d和d/d, 电压、电流的谐波成分从几千赫兹到几千万赫兹甚至上亿赫兹, 这些高频成分通过寄生电容和公共阻抗形成漏电流, 产生传导EMI。电机驱动系统漏电流的传播主要通过2条途径: 一是电力电子器件与散热器之间的寄生电容耦合; 二是电机的绕组和定子机壳之间的分布电容耦合。漏电流的返回路径主要是系统变压器的中性点接地线。电机传动系统EMI的传播途径如图4所示[5], 虚线为DM电流路径, 点线为CM电流路径。

图4 电机PWM传动系统EMI的传播途径

3 控制策略

图5 SVPWM优化控制方案

图6给出了在扇区Ⅰ内1个开关周期中采用空间矢量脉宽调制(space vector pulse width mo- dulation, SVPWM)优化调制方案时的典型开关次序及其产生的CM电压示意图。与采用传统SVPWM调制方案比较, 零矢量0(000)或7(111)时的CM电压峰值, 是其他非零矢量的CM电压峰值的3倍。而采用SVPWM优化调制方案, 可大大降低CM电压。

图6 SVPWM优化开关调制及其产生的共模电压

其控制算法的基本步骤如下。

2) 计算与参考矢量相邻4个矢量的作用时间;

3) 根据开关电压矢量作用时间合成为三相PWM信号。

方向相反的矢量作用时间相等, 其综合作用与零矢量是一样的。所以, 参考矢量的合成与分解和传统空间矢量完全一样。

4 试验结果及EMI测试分析

图7 EMI测试系统框图

图8 开关管开通时的Vgs(5 V/格, 5 us/格)和Vds(50V/格, 5us/格)波形

图9 开关管端电压波形

图10和图11分别为硬开关和软开关总的EMI频谱图, 通过比较可以看出, 在3~30 MHz的大部分频率范围内, 相对于硬开关逆变器, 软开关逆变器有效降低了总的EMI。这是因为, 在软开关逆变器中, 主开关器件都是在零电压条件下开通或关断, 大大减小了开关时刻的d/d和d/d。而且, 谐振环的辅助开关器件1和2也是在软开关的条件下进行开关的。开关管1在零电压的条件下开通和关断。开关管2在零电流的条件下开通并且在零电压的条件下关断。

通过对硬开关和软开关逆变器的EMI噪声频谱的对比可知, 软开关逆变器能够大幅降低传统硬开关逆变器产生的传导噪声。

图10 硬开关逆变器的EMI噪声频谱

图11 软开关逆变器的EMI噪声频谱

6 结束语

本文介绍了一种新型PRDCLI拓扑结构, 分析了EMI源及其传播途径, 提出了优化的电压空间矢量控制策略, 采用线性阻抗稳定网络设计了EMI测试方案, 实现了逆变器主开关管的软开关和空间矢量控制, 有效地减小了传统逆变器存在的过大的d/d和d/d, 测得的EMI频谱表明, 该方案能有效抑制EMI的主要成分CM电压, 从而提高鱼雷武器整体工作可靠性。

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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.

国防“十一五”预研项目(101010601202).

胡 平(1981-), 男, 在读博士, 主要从事鱼雷电力推进技术研究.

(责任编辑: 陈 曦)