安规电容对电机驱动系统电磁干扰的抑制

唐吉林 ，杜明星，李 豹，张 刚，魏克新

TANG Ji-lin1 , DU Ming-xing1, LI Bao1, ZHANG Gang2, WEI Ke-xin1

（1.天津理工大学 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384；2.国网蓬莱市供电公司，山东 265600）

0 引言

电动汽车因具有能源利用率高、节能环保等优点，使其得到了广泛的开发和利用，但电机驱动系统产生的电磁干扰能量大、频带宽，严重影响汽车装置中电力电子设备的电磁兼容性能[1]。

从相关文献来看，目前对电机驱动系统电磁干扰的抑制措施主要集中在系统屏蔽、电路滤波、N点接地、光电隔离等方面上[2]相比之下，对于安规电容和扼流圈结合起来抑制电磁干扰方面的研究较少。

本实验搭建电机驱动系统仿真模型，得到XY电容及其不同连接方式下对共模干扰/差模干扰（CM/DM）的抑制效果，并通过搭建实验平台测试验证。

1 实验原理

1.1 安规电容

根据标准IEC 60384-14规定，安规电容分为X电容和Y电容，按照允许的峰值脉冲电压，X电容可以分为X1、X2、X3；按照额定电压范围，Y电容可以分为Y1、Y2、Y3、Y4。XY电容结构如图1所示。

图1 XY电容结构

安规电容与扼流圈的连接方式主要有三种：X电容与差模扼流圈在前，Y电容与共模扼流圈在后；Y电容与共模扼流圈在前，X电容与差模扼流圈在后；XY电容典型连接方式。其中XY电容典型连接方式如图2所示。

图2 XY电容典型连接方式

图1和图2中C1，C2为X电容；CY1，CY2为Y电容；L1为共模扼流圈，L2，L3为差模扼流圈。

1.2 共模/差模干扰计算

图3 计算等效模型

图3中R1、R2为50 Ω固定电阻，VR1，VR2分别为LISN测得的直流侧干扰电压值，由图可得到：

所以，由式(1)可得共模电压VCM和差模电压VDM为：

1.3 标准限值

国标GB9254-1998[3]规定，工业环境中的EUT为B级，其传导干扰限值如表1所示。

表1 B类待测设备电源端子传导骚扰限值

2 仿真测试

2.1 仿真模型

在saber中调用相应的元器件，考虑支撑电容和连接母排寄生参数的影响，搭建电机控制系统的仿真模型，如图4所示。

图4 saber仿真模型

2.2 仿真结果

2.2.1 系统电磁干扰

模型中设置好相应参数，根据式(2)，运用软件中自带的波形计算器，由系统中直流侧L、N线的混合干扰计算得到CM/DM干扰，如图5所示。

仿真结果表明，电机控制系统的电磁干扰强度较大，混合干扰分离后看出CM在50～85dBuV之间，DM在30～65dBuV之间，均超过了规定限值，且系统中的电磁干扰以共模干扰为主。

图5 系统的CM/DM干扰

2.2.2 加XY电容

将XY电容和扼流圈按照三种不同连接方式分别接入仿真模型中的高压直流侧，计算得到相应的CM/DM干扰如图6所示。

图6 XY电容不同连接方式下的CM/DM干扰

仿真结果表明，三种连接方式都可以降低系统的共模/差模干扰，且对高频干扰（1MHz以上）的抑制效果相差不多，对低频干扰（1MHz以下）来说，前两种连接方式的抑制效果差不多，典型连接方式抑制效果最好。

3 实验测试

3.1 实验平台

根据GJB152A-97[4]中CE102测试的要求搭建测试平台，如图7所示。

图7 测试平台

图7(a)中数字1为直流电源，数字2为干扰提取器，数字3为XY电容（典型连接方式如b），数字4为DC/AC逆变器，数字5为电动机，数字6为控制器，数字7为PC机，数字8为频谱分析仪，环境温度为23℃，全部测试在屏蔽室中进行。

3.2 实验结果

实验中直流电源设置为200V，PWM开关频率为10kHz，安规电容选择型号为X2、Y1，对系统初始干扰和加XY电容典型连接方式时直流侧的共模/差模干扰进行测量，如图8，图9所示。

图8 系统初始CM/DM干扰

图9 接入XY典型连接方式后CM/DM干扰

实验表明，考虑频谱仪的衰减保护作用（Att 10dB），系统共模干扰在50～90dBuV之间，差模干扰在40～70dBuV之间，超过了相关标准的允许限制；接入XY电容后，共模干扰降低到30dBuV以下，差模干扰降低为20dBuV以下，符合国家相关标准规定，与仿真结果基本一致，验证了XY电容对系统电磁干扰具有良好的抑制作用。

4 结束语

本文建立了基于仿真软件saber的电机控制系统模型，考虑支撑电容与连接母排的寄生参数影响，仿真得到了系统直流侧初始干扰，分别接入XY电容不同连接方式下的共模/差模干扰，通过在屏蔽室中搭建实验平台测试，验证了仿真数据的可靠性，证明了XY电容对系统电磁干扰具有良好的抑制作用，具有重要的工程实际意义。

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