1  引言
船舶电力推进系统以其优良的性能成为目前世界各国发展的主流船舶推进方式[1-3]。由于增加了大量的大功率电力电子设备和系统,在提高工作性能的同时也带来了严重的电磁干扰(electromagnetic interference,EMI)问题,在一定程度上阻碍了船舶电力推进系统的发展应用。因此,有必要对船舶电流推进系统的电磁环境进行预测分析,为船舶电力推进系统电磁兼容性(electromagnetic compatibility,EMC)设计提供指导。
船舶电力推进系统主要的电磁干扰来源于变频驱动系统。对于电力电子系统而言,EMI以传导干扰为主,故本文主要对传导EMI进行预测分析。对变频驱动系统电磁环境的预测分析,国内外学者作了很多工作[4-6]。但这些文献部分仅考虑了整流系统[7]或逆变系统[8]的EMI,没有将二者结合起来进行分析,而船舶电力推进系统同时存在整流和逆变两个电力变换系统。文献[9-10]对脉宽调制(pulse width modulation,PWM)波形的处理过于简单,而PWM过程对系统传导EMI的影响很大,过于简单的处理会影响电磁环境预测分析的精度。文献[11-12]对电机高频特性的影响分析不够,由于存在大量寄生参数,负载电机的高频特性对系统传导EMI的影响不能忽略。综上所述,目前对船舶电力推进系统变频驱动系统的传导EMI预测分析缺少系统性的完整模型,这在一定程度上降低了模型对实际系统的实用性。
鉴于此,本文对采用空间矢量调制(space vector modulation,SVM)的变频驱动系统传导EMI进行了预测分析。分别分析了整流环节、逆变环节的传导EMI。并考虑了SVM波形和电机高频模型对系统传导EMI的影响。给出了系统综合传导干扰模型。提高了预测分析结果的实用性。 f1【中国自动化网社区】9d7ce2【http://sns.ca800.com】f90ed

2  系统传导EMI通道
参考美国海军对水面舰船提出的综合电力系统(integrated power system,IPS)计划,将水面舰船IPS分为发电模块、配电模块、电力变换模块、推进电机模块、电力控制模块、平台负载模块和能量储存模块。其中,电力变换部分的电磁干扰问题在船舶电力推进系统电磁兼容性研究中属于重点问题。因此,本文在研究船舶电力推进系统电磁兼容性时主要针对电力变化部分和推进电机部分的电磁干扰问题进行预测分析。
船舶电力推进系统传导EMI通道如图1所示。其中,前端增加的电源线阻抗稳定网络(line impedance stabilization network,LISN)是考虑在EMC测试时的应用。 7b【中国自动化网社区】fcbea6【http://sns.ca800.com】3b221

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从图1可以看出,船舶电力推进系统的传导EMI同时存在两个干扰源环节:整流环节产生的传导EMI和逆变环节产生的传导EMI。并且,电机高频特性直接影响系统传导EMI特性。因此,在对船舶电流推进系统传导EMI预测分析时,必须同时综合考虑整流环节、逆变环节和电机高频特性对传导EMI的影响。从传导干扰传播的路径和形成机理可以看出,系统传导EMI包括四部分:电网侧差模传导干扰;电网侧共模传导干扰;电机侧差模传导干扰;电机侧共模传导干扰。 20742a【中国自动化网社区】6c36c1【http://sns.ca800.com】e8b6

3  系统传导EMI建模
3.1  SVM波形解析建模
目前,对电力电子系统或设备的开关过程处理通常比较简单,对PWM波形的建模方法一般采用软件仿真的方式得到。由于开关过程预测分析精度关系到干扰源甚至整个系统电磁环境的预测分析精度,而传统的软件仿真方法由于计算机截断误差等因素的影响,传统软件仿真方法在PWM波形建模方面的精度不是很高。因此,考虑采用解析方法精确得到PWM波形的信息。
由于PWM的核心思想是通过两个信号比较产生,故可采用双重傅里叶积分方法进行PWM波形的建模[13]。本文研究的变频系统采用SVM方式。采用双重傅里叶积分法得到SVM方式的谐波复数表达式为:

式(1)的积分内外限如表1所示。
则式(1)可写成:

图2给出了调制比为0.5时的SVM调制方式差模干扰和共模干扰频谱。 20742a【中国自动化网社区】6c36c1【http://sns.ca800.com】e8b6

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其中,M为调制比。
从图中可以看出,调制比为0.5的SVM调制方式差模干扰在较低频段随着频率的增大而增大,在较高频率随着频率的增大而减小,在MHz级别上会有多个谐波峰值出现;共模干扰在整个频段随着频率的增大而减小。
3.2 整流器传导EMI建模 25【中国自动化网社区】b46dc1【http://sns.ca800.com】28ce4d

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以图3所示的三相高频整流器为例,其在系统中产生的差模干扰电压(以a相为例)和共模干扰电压为:
其中,S表示开关函数。通过3.1节对开关函数的精确解析建模,可以有效提高整流器传导EMI预测分析精度。
通过分析传导EMI传播途径,建立整流器差模干扰等效电路和共模干扰等效电路如图4所示。 25【中国自动化网社区】b46dc1【http://sns.ca800.com】28ce4d

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其中,表示LISN中的各元件,令表示串联等效阻抗,串联等效阻抗,则整流器在电网侧产生的差模干扰为:

整流器在a相上产生的差模干扰电压为:

假设整流器三相对称的,则整流器在各相产生的差模干扰电压与a相相比仅存在相位上的差别。
同样可通过分析图4(b)所示的等效电路得到整流器产生的共模干扰为:

表示电源和输入电缆等效阻抗;表示电缆寄生电感;表示地线等效电感;表示散热片寄生电容;表示对机壳等效电容;表示LISN对地阻抗。
3.3  逆变器传导EMI建模 42c72b【中国自动化网社区】7cabde【http://sns.ca800.com】c08

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以图5所示的三相高频逆变器为例,其在系统中产生的差模干扰电压(以AB相为例)和共模干扰电压为:

与整流器分析相似,通过3.1节对开关函数的精确解析建模,可以有效提高逆变器传导EMI预测分析精度。
通过分析传导EMI传播途径,建立逆变器差模干扰等效电路和共模干扰等效电路如图6所示。 42c72b【中国自动化网社区】7cabde【http://sns.ca800.com】c08

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其中,是包括逆变器输出电缆和电动机阻抗的等效阻抗;为逆变器输入电缆的阻抗。则逆变器在电网侧产生的差模干扰为:

逆变器在AB相上产生的差模干扰电压为:

假设整流器三相对称的,则整流器在各相产生的差模干扰电压与AB相相比仅存在相位的差别。
同样可通过分析图6(b)所示的等效电路得到逆变器产生的共模干扰为:

其中:

3.4  电机高频模型建模
通常在系统传导EMI预测分析时,都将电机高频模型简单处理,实际电机高频寄生参数对系统传导EMI的影响是较大的,为提高电磁环境预测分析精度,应对电机高频模型进行更准确的建模。考虑电机高频寄生参数影响,建立电机高频模型如图7所示: 42c72b【中国自动化网社区】7cabde【http://sns.ca800.com】c08

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模型的阶数影响建模精度和复杂度。模型阶数越高,则建模精度越高,同时复杂度也越高。在电磁环境预测分析时,可综合考虑二者的影响进行模型阶数选择。 42c72b【中国自动化网社区】7cabde【http://sns.ca800.com】c08

4  系统传导EMI预测分析 42c72b【中国自动化网社区】7cabde【http://sns.ca800.com】c08

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通过对系统传导EMI建模,仿真得到功率为10MW船舶电力推进系统传导干扰在30MHz以内的EMI频谱如图8所示。
从图中可以看出,随着频率的增大,系统传导EMI都呈下降的趋势。但由于系统具有较大的功率,并且由于高频开关动作的影响,系统传导EMI是较强的,部分频率处EMI超过GJB151A/152A-97的限制要求。尤其是电机侧共模传导干扰,最大EMI接近110dBμV。无论是电网侧还是电机侧,共模传导EMI都强于差模传导干扰。而共模传导干扰恰恰是影响系统EMC的重要部分。这样强的EMI会严重影响系统可靠性。另外,电网侧和电机侧的传导EMI是不同的,因此,为了对系统传导EMI进行有效的预测分析,需要对系统电网侧和电机侧的EMI分别进行建模分析,所以本文在第2节和第3节将系统传导EMI预测分析分为四部分并分别进行建模是合理有效的。 42c72b【中国自动化网社区】7cabde【http://sns.ca800.com】c08

5  结束语
本文对船舶电力推进系统传导EMI进行了建模和预测分析。将系统传导EMI分为电网侧差模传导干扰、电网侧共模传导干扰、电机侧差模传导干扰和电机侧共模传导干扰四部分进行了建模。为了提高建模和预测分析精度,采用双重傅里叶积分法对SVM波形进行了解析建模。并考虑了电机高频特性对系统传导EMI的影响。最后通过对一功率为10MW船舶电力推进系统传导EMI进行仿真预测分析证明系统具有较强的传导EMI强度,且共模干扰强于差模干扰。在30MHz频率内,系统传导EMI随频率增大而减小。电网侧和电机侧干扰是不同的,需要分别进行建模预测。本文研究内容对于准确预测分析船舶电力推进系统EMC情况,提高系统可靠性具有意义。 42c72b【中国自动化网社区】7cabde【http://sns.ca800.com】c08

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作者简介:刘胜(1957-),男,教授、博士生导师,研究方向:随机系统最优估计与控制、舰船航行与姿态控制、鲁棒控制系统理论与应用、智能控制理论及应用等。 42c72b【中国自动化网社区】7cabde【http://sns.ca800.com】c08