智能电动机保护器的电磁辐射定量评估方法研究

赵靖英， 周思诺， 高佳雄

(河北工业大学 电气工程学院， 天津 300130)

智能电动机保护器的电磁辐射定量评估方法研究

赵靖英， 周思诺， 高佳雄

(河北工业大学 电气工程学院， 天津 300130)

针对电路复杂程度不断增加、信号处理速度不断提高的智能电动机保护器的电磁辐射日益严重问题，提出一种智能电动机保护器的电磁辐射定量评估方法。采用电路图绘制软件与仿真软件相结合的方式对典型智能电动机保护器PCB布局进行了仿真建模，完成了电流、电场强度和磁场强度等参量的定量评估，直观呈现了电磁辐射的分布情况，并进行了实验设计、测试和验证。此外，研究了关键线路的线宽对典型智能电动机保护器电磁辐射特性的影响。结果表明：提出的仿真和实验方法对复杂结构的智能电动机保护器的电磁辐射定量评估具有一定的有效性和可行性；根据使用环境适当改变线宽可以不同程度地减小智能电动机保护器的电场强度和电磁强度，为产品设计提供参考。

智能电动机保护器;电磁辐射;仿真分析;PCB布局;定量评估

0 引 言

随着电网的日益复杂，广泛应用于电网的智能电器的电磁辐射问题随之突显[1-2]。

国内外学者对电磁辐射进行了大量的研究。文献[3]通过利用得到的斩波电路中开关器件的近场辐射云图，分析出开关器件的简化电路，并进行了仿真验证。文献[4]采用有限时域差分法简化PCB模型，通过编程分析得到电磁场分布。文献[5]利用偶极子模型计算电流环路的电磁辐射的方法，计算了实际电路的电磁辐射，并利用EMC扫描仪测量环路的电磁辐射，证实了该方法的可行性。这些文献中电路结构相对简洁,模型构建分析相对容易。国内对电磁辐射的研究较晚，文献[6]通过介绍EMSCAN系统以及偶极子共模辐射机理，总结出利用EMSCAN在设备设计阶段反复试验改进的方法。文献[7]利用EMSCAN系统结合实际案例，总结出了一些数字电路板电磁兼容问题的原因和对策，对电路设计具有一定的指导意义。但是EMSCAN系统要求空间距离，对单层、厚度较小的PCB板适用性较强。

随着电磁辐射仿真软件的发展，对电磁辐射仿真的研究随之发展[8-9]。文献[10]提出了利用“场路”结合的方法，对控制器的PCB板电磁辐射进行仿真分析，进而优化改进其电磁兼容性能，其仿真中只给了PCB板的电场强度分布情况。文献[11]通过对微弱信号PCB中电磁干扰源分析，提出了一些PCB的电磁抗干扰设计方法，并使用Ansoft Designer进行了电磁场仿真分析，以云图的方式直观的显示了电场强度和磁场强度。文献[12]基于微扰理论，提出了电磁兼容仿真模型简化方法，并利用机箱模型进行了仿真验证，在电磁辐射仿真方面具有一定的指导意义。仿真软件解决了昂贵的测试费用问题，还可应用于复杂结构电路，目前在微扰信号的电磁辐射分析中应用较多。

智能电动机保护器电路结构复杂，在进行电动机故障保护时，信号范围一般为几安到几百安，目前在电磁辐射方面的研究主要集中在定性分析上，本文借助电磁辐射分析软件进行仿真建模，并设计实验方案进行实验测试，完善智能电动机保护器电磁辐射特性的定量评估方法，研究抗干扰措施的可行性，以改善智能电动机保护器的电磁兼容性能，也为智能电器电磁辐射定量评估提供一定思路。

1 智能电动机保护器的电磁干扰辐射研究

2.1 典型智能电动机保护器的结构原理

本文选择典型智能电动机保护器作为研究对象，其结构和原理图如图1所示。图1(b)左侧第4组电路是电源模块，它是整个系统的动力来源，为各模块提供直流电源，但是由于开关管的瞬时通断过程会产生大幅跳变的电压和电流，因而产生强大的电磁干扰；信号采集模块电路图如图1(b)左侧第1组电路，原理图中有3组这样的电路，此模块用来采集电动机的运行电流，它将较大线电流信号转换成小电流信号，再通过电流电压变换得到单片机可以识别的小电压信号，此模块中二极管的快速通断会产生大的电磁干扰；单片机处理模块电路图如图1(b)右侧第1组电路，此模块接收来自采集模块的信号对其进行处理，从而输出电动机保护信号给输出模块，由于此模块具有时钟电路和数据传输电路，这些电路会产生宽带噪声，可能影响整个频谱范围；图1(b)电源模块上面两组电路是继电器输出模块，用来实现从单片机发出的跳闸信号，在动作瞬间往往会有较大电信号变化，也会产生较大的电磁干扰。图1(b)左侧最后一组电路是屏显及按键功能，实现了人机之间的沟通作用。

各模块中电磁干扰在线路中流通时由于线路的天线效应就会产生电磁辐射[13]，电磁辐射能量耦合到线路中就会对设备造成影响。其主要表现方式是差模辐射和共模辐射。

2.2 差模辐射分析

智能电动机保护器结构中存在一定的差模辐射，例如图2所示，在智能电动机保护器中电源模块变压器二次侧次级线圈、快速恢复整流二极管和滤波电容组成的电压回路H以及信号采集模块中电流互感器二次侧、快速恢复二极管和稳压电阻组成的电流信号回路均会产生差模辐射，它是由电路中差模电流流过环路导线时产生的辐射作用，这种环路导线就相当于小环天线，既能向空间辐射电磁场信号，也能接受电磁场信号。电路中二极管的快速通断产生较大的du/dt和di/dt，形成主要的干扰源[14]。

差模电流产生的差模辐射电场强度利用电流环模型计算得到[15]

(1)

图1 智能电动机保护器结构图和原理图Fig.1 Structure diagram and principle figure of intelligent motor protector

式中：E为电场强度，V/m；f为电流频率，Hz；A为电流环路面积，m2；I为电流，A；r为观测距离，m。

图2 电源模块差模耦合路径Fig.2 Differential mode coupling path of power module

式(1)适用于计算没有任何反射的自由空间中小型环状天线产生的电场强度，但是本文中研究的智能电动机保护器工作在地面，由于地面、墙面反射会使电场强度变大，因此在分析中进行了修正，修正系数为2，考虑最坏的情况，设sinθ=1,即

(2)

式(2)表明：差模辐射电场强度的大小与电流 、信号频率的平方、环路面积成正比。

2.3 共模辐射分析

智能电动机保护器结构中同时存在一定的共模辐射，例如图3所示，实际变压器初级和次级绕组之间有一个很小但不等于零的耦合电容，此电容为共模电流提供一条穿过变压器的通道，电源模块的变压器就会产生共模辐射。同样信号采集模块具有三个互感器，在电动机正常工作时，三个互感器采集到的电流经过整流后是大小相等方向相同的电流，并且连接同一个地线，同图3所示相同原理产生共模辐射[16]。另外保护器中存在会产生高频信号回源电路的数字电路，高频使无源器件产生高频特性(如图4所示，电阻在高频情况下的等效电路图)。当地线中流过高频干扰电流时，会由于地线导线的电感作用使地线的阻抗增加，引起地线上的电位差而产生共模电流干扰，由于智能电动机保护器中的各模块都有地线回路，因此共模辐射影响较大[17]。

图3 变压器共模耦合路径Fig.3 Common mode coupling path of transformer

图4 电阻在高频情况下的等效电路图Fig.4 Equivalent circuit diagram of the resistance at high frequency

共模辐射可模拟成一个短的(小于λ/4)电偶极子天线，对于接地平面上长度等于l的电偶极子理想天线来说，在距离天线为r处测量辐射场的电场强度为[15]

(3)

式中：E为电场强度，V/m；f为电流频率，Hz；I为电流，A；l为电缆长度，m；r为观测点到共模电流环路的距离，m。

式(3)适用于电流分布均匀的理想偶极子天线产生的电场强度，对于非理想的天线，在其开路末端，电流趋近于零，但对于小天线(小于λ/4)，电流分布在天线长度上呈线性，因此天线的平均电流仅为最大电流的一半[18]。针对本文中智能电动机保护器的变压器耦合电容产生的共模辐射、电机正常工作时三个互感器产生的共模辐射以及高频电流引起地线电位差的共模辐射，在本文中根据实际应用情况同样加以修正，修正系数为1/2，设天线指向与电缆夹角为90°(即取电场强度的最大值)，修正后的辐射场的电场强度为

(4)

式(4)表明：共模辐射电场强度的大小与电流 、信号频率、电缆长度成正比。

3 智能电动机保护器的电磁辐射特性仿真定量评估方法及实验验证

3.1 仿真模型建立

首先在AltiumDesigner中建立原理图文件，根据选用的智能电动机保护器的电路工作原理以及器件的相关参数(主要参数如表1和图1(a)所示)，分模块完成原理图绘制。根据其走线以及线宽来安排PCB文件的走线和线宽，最后形成PCB板图，导出扩展名为“.DXF”的文件，在AnsoftDesigner中PlanarEM模块建立双面板模型FR-4(0.060inch)，将“.DXF”文件按层导入到工程中，并在相应的过孔位置手动加入相应尺寸的二维半(2.5D)过孔，然后根据实际使用情况在电源模块和信号采集模块分别添加6V、0V和三个2V电压激励，并设置5GHz的固定网格划分频率和0.1的边缘网格长度比，扫描类型为离散的线性步进，得到仿真模型如图5所示。

表1 典型智能电动机保护器器件的部分相关参数

3.2 电流仿真定量评估与分析

网格上电流的计算采用矩量法(MoM)[19-20]结合混合电位积分方程(MPIE)计算。

混合电位积分方程为

图5 PCB仿真模型图Fig.5 PCB simulation model figure

(5)

其中A和φ可以用并矢格林函数和标量格林函数及电流密度J、电荷密度q的积分来表示，即

(6)

(7)

式中：GA为并矢格林函数；GV为标量格林函数。

把式(6)和式(7)带入式(5)，并用矩量法将电流密度用基函数表示为

(8)

根据电流连续性方程所得的电流密度J和电荷密度q的关系：

·J+jωq=0。

(9)

得表面电荷密度q为

(10)

式中：Qn=-·fn(r)。

将式(10)带入式(5)中，两边同时用fn(r)做内积，再由已知的电压矩阵和计算出的阻抗矩阵求出电流矩阵，同时可以求出电流密度，再由式(2)、式(4)求电场强度。

在AnsoftDesigner仿真完成后得到不同频率下的电流分布图如图6所示。

由图6可知感应电流最大的地方是激励电压最大的位置，并且随着频率的增加各条线路的感应电流变大，尤其在感应电流最大值附近回路变化更为明显。在激励电压最大的Port5的位置，0.2GHz时感应电流最大值为1.005 0×102A，在0.6GHz时感应电流最大值为1.084 5×102A，1.0GHz时感应电流最大值为1.396 6×102A。随着干扰电压频率的增加感应电流也在不断增加。通过对比在远离干扰信号的右上方是感应电流最小的位置，在0.2GHz时为7.433 7×10-4A，而在1GHz时达到1.139 6×10-1A，可知在干扰电压频率高时干扰范围更远。

在电流仿真图中，并不是每条线路的变化趋势都相同，不同导线对不同频率的感应不同。在设计中可以针对智能电动机保护器的工作环境做出相应的改进。

3.3 电场强度仿真定量评估与分析

在工程窗口中的场强分布选项，添加近场强度云图展示并对其进行属性设置。得到不同频率下的近场电场图。

从图7可以看到各频率点的电场强度分布图，由于电场辐射主要由干扰电流在线缆上产生的共模辐射引起，因此电场强度大的位置集中在PCB板上线缆较密的中间位置。对比不同频率下的电场强度可知，随着频率的增加电场强度最大值也随着变大。在0.2GHz时，最大场强为4.529 1V/m；在0.6GHz最大场强为10.398V/m；在1.0GHz最大场强为17.5V/m。

图6 不同频率下电流分布图Fig.6 Distribution of current intensity at different frequencies

3.4 磁场强度仿真定量评估与分析

图8为不同频率下的近场磁场图。

磁场辐射是由环路产生的差模辐射引起的，差模辐射受电流大小的影响。由于电源模块具有会产生电磁噪声的开关器件，以及信号采集模块中电缆线路的谐波成分较多，因此磁场强度大的位置主要集中在电源模块和采集模块。继电器输出模块是控制电动机开关的重要部分，设计PCB板时，将其放在远离干扰信号的位置，所以该模块辐射较低。单片机模块处理速度快，会有高频信号的影响以及晶振电路的影响，因此随着频率的增大，磁场强度的最大位置转移到了单片机模块。在0.2GHz时，磁场强度最大值为1.892 3×10-3A/m，0.6GHz时，磁场强度最大值为1.533 4×10-2A/m，1.0GHz时，磁场强度最大值为3.608 1×10-2A/m。

图7 不同频率下电场强度分布图Fig.7 Distribution of electrical field intensity at different frequencies

在不同频率点的近场电场与磁场辐射分布图对电路的合理设计和布局有重要的指导作用。

3.5 智能电动机保护器的电磁辐射实验测试研究

3.5.1 实验系统设计

为了验证仿真结果的准确性，需要对智能电动机保护器进行辐射测试。本实验系统利用SPECTRANNF5035进行磁场辐射测试，在缺乏屏蔽室的情况下，提出了一种实验测量方法。实验系统与智能电动机保护器运行控制接线如图9所示。

图8 不同频率下磁场分布图Fig.8 Distribution of magnetic field at different frequencies

选择空旷实验室对智能电动机保护器进行电磁辐射测量时，首先按接线图接线，将电动机三相导线分别穿过智能电动机保护器的三个电流互感器并与电源连接，电流互感器将流过电动机的大电流转化为小电流信号，再通过电流电压变换得到单片机可以识别的小电压信，通过单片机的指令实现对电动机的保护。将PECTRANNF5035辐射测试仪用数据线与计算机相连接，然后将被测试的主要部位即智能电动机保护器放置在场强仪附近，并且远离电动机以及外置互感器，以此减小他们带来的电磁干扰辐射。

图9实验系统图Fig.9 Experiment system diagram

3.5.2 实验数据分析

由于外界环境存在电磁噪声，首先对环境中的电磁噪声进行测试，得出在100kHz扫描频率下环境的电磁辐射值为1.328 4×10-4A/m；当智能电动机保护器不加电时，测得100kHz频率下保护器周围电磁辐射值为1.356 6×10-4A/m。智能电动机保护器通220V电压，并使额定电流为60A的电机正常运转后，对各模块进行辐射测量，测试结果以及100kHz扫描频率下的仿真结果对比表如表2所示。

对比各模块实验数据，电源模块、单片机模块和信息采集模块磁场辐射值较大，继电器模块辐射强度较小，并且因为右继电器在电流互感器和电源模块中间，因此它的电磁辐射值比左继电器模块要大一些。与仿真结果中的近场磁场辐射数值对比，在100kHz时辐射强度最高的点在电源模块，辐射强度较大的位置在电源模块、单片机模块和信息采集模块。同时表2中还计算了各模块实验值与仿真值的误差，最大误差值为12.14%，最小误差值为4.48%，加之各模块辐射值大小趋势相同，可以证明实验值与仿真值是相符的。

表2 实验与仿真数据对比表

4 线宽对智能电动机保护器的电磁辐射特性的影响及分析

对典型智能电动机保护器PCB进行线宽改变研究线宽对电磁辐射性能的影响[21]。通过仿真获知最容易感应出电流的线路为Port 5上方的地线，将其线宽由1.2 mm加宽至1.5 mm，再加宽至2 mm对比分析电磁辐射结果。

4.1 改变线宽对感应电流的影响

改变PCB敏感线宽，在不同情况下的感应电流最大值对比如表3所示，其折线图如图10(a)所示。在不同频率下增加线宽感应电流的最大值会有所下降，在1 GHz降低的最多，在1.2 mm时为139.66 A，而1.5 mm时降低到了91. 952 A，在2 mm时降低到91.945 A。对比可以发现线宽增加到2 mm时效果不太明显并且会增加成本，因此可以适当地选择线宽达到合适效果。

4.2 改变线宽对近场电场的影响

通过对比不同线宽的近场电场强度分布图可知，改变线路的宽度对于感应电场强度的最大位置没有改变，但是辐射的最大数值有所下降，然而在1 GHz时强度有所增加。不同线宽下的近场电场最大值对比如表4所示，其折线图如图10(b)所示。通过对比可以发现在1.5 mm时从0.2 GHz到0.8 GHz都有所下降，1 GHz时反而升高，因此对于处在高频环境下时， 2 mm线宽的效果更好。因此可以根据其所处不同环境合理设置其线宽。

表3 改变线宽前后电流变化对比表

4.3 改变线宽对近场磁场的影响

通过对比不同线宽时的近场磁场强度分布图可知，改变线路的宽度对于感应磁场强度最大值的位置没有改变，但是对于辐射的最大值有所下降，对比结果如表5所示，其折线图如图10(c)所示。从折线图中直观看出三条折线几乎重合，因此在设计时应合理考虑线宽与辐射程度的配合。

表4 改变线宽前后近场电场强度对比表

表5 改变线宽前后近场磁场强度对比表

图10 不同线宽电磁辐射对比折线图Fig.10 Line chart of electromagnetic radiation with different line width frequencies

5 结 论

本文对典型智能电动机保护器进行了电磁辐射特性定量评估和分析，为具有复杂电路结构的智能电器电磁辐射定量评估提供了一定的手段。

1)在分析典型智能电动机保护器电磁辐射特性的基础上，研究了定量评估方法，利用Altuim Designer和Ansoft Designer相结合，建立了仿真模型，定量分析了不同频率点近场E、H场的分布情况。近场E主要集中在PCB中间线缆密集的位置；近场H场主要集中在电源模块和采集模块；对同一频率点，近场E场和近场H场的最大值位置不同。

2)在缺乏标准屏蔽室的情况下设计了实验方案，搭建了实验线路，实验值与仿真值的最大误差为12.14%、最小误差为4.48%，验证了利用仿真分析进行电磁辐射定量评估的可行性。

3)研究了关键线宽对典型智能电动机保护器电磁辐射特性的影响，根据使用环境，适当改变关键线路的宽度可以不同程度的减小电场强度和电磁强度，这对产品设计具有一定的指导意义。

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(编辑：刘素菊)

Research on quantitative assessment method of electromagnetic radiation of intelligent motor protector

ZHAO Jing-ying， ZHOU Si-nuo， GAO Jia-xiong

(School of Electrical Engineering ,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)

Aiming at the serious electromagnetic radiation of intelligent motor protector with the increasing complexity of the circuit and the improvement of signal processing speed,a quantitative assessment method is researched by combining circuit drawing software with simulation software,simulation model of PCB layout of intelligent motor protector was established. Quantitative evaluations of current,electrical field strength and magnetic field intensity were finished to visually show the distribution of electromagnetic radiation. Design,testing and verification of the experiment were carried out. In addition,the influence of the line width of the key points on electromagnetic radiation was studied.The results show that the simulation method and the experimental method presented are effective and feasible for quantitative evaluation of electromagnetic radiation for intelligent motor protector with complex structure. According to the environment,the electromagnetic strength can be reduced to different degrees with different width,which provides reference for product design.

intelligent motor protector; electromagnetic radiation; simulation analysis; PCB layout; quantitative evaluation

2016-10-08

国家科技支撑计划(2015BAA09B00)；河北省高等学校科学技术研究项目(QN20131165)；河北省高等学校创新团队领军人才培育计划(LJRC003)

赵靖英(1974—)，女，教授，硕士生导师，研究方向为电器可靠性及检测技术； 周思诺(1992—)，女，硕士研究生，研究方向为电器可靠性及检测技术； 高佳雄(1990—)，男，硕士，研究方向为电器可靠性及检测技术。

赵靖英

10.15938/j.emc.2017.06.005

TM 153

A

1007-449X(2017)06-0034-10