船舶电力推进系统传导电磁干扰预测分析.pdf

电 气 传 动 El e c t r ica l Dr i v e s 自动 化技术与应用 2 01 2年第 31卷第 2期 船舶 电力推进系统传导 电磁干扰预测分析 刘胜 ， 张玉廷 ， 李冰 ( 哈尔滨工程大学， 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 0 1 ) 摘要： 针对船舶电力推进系统严重的电磁干扰问题， 对系统传导电磁干扰进行了预测分析。通过分析传导E MI 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， 并以此为例建立了系统电网侧差模干扰模型、电网侧共模干扰模型、 电机侧差模 干扰模型和电机侧共模干扰模型。 提出了基于双重傅里叶积分法的空间矢量脉宽调制波形解析建模方法， 提高了电磁干扰预 测分析精度 ， 并考虑了电机高频模型的影响。 最后， 通过对一功率为1 0 MW船舶 电力推进系统传导电磁干扰仿真， 对系统传导 电磁干扰进行了预测分析， 具有重要的工程应用价值。 关键词： 船舶电力推进系统； 电磁干扰预测； 双重傅里叶积分； 电机高频模型 中图分类号： T P 2 7 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 3 7 2 4 1 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 0 3 7 0 6 Co n d u c t e d EM I Pr e d i c t i o n a n d An a l y s i s o f Sh i p El e c t r i c Pr o p u ls i o n Sy s t e m LI U S he n g ， ZHANG Yu - t i n g ， LI Bi n g ( Ha r b i n E n g i n e e r i n g Un i v e r s i t y ， Ha r b i n 1 5 0 0 0 1 Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Ai mi n g a t t h e s e r i o u s e l e c t r o ma g n e t i c i nt e r f e r e n c e o f t h e e l e c t r i c pr o p u l s i o n s y s t e m， t h e c o nd u c t e d e l e c t r o ma g n e t i c i n t e r f e r e n c e o f t h e s ys t e m wa s p r e d i c t e d a n d a n a l y z e d Th e e l e c t r o ma g n e t i c i n t e r f e r e n c e mo d e l s o f t h e s y s t e m we r e b u i l t ， wh i c h i n c l u d e d t h e d i f f e r e n t i a l mo d e i n t e r f e r e n c e o n t h e wi r e s i d e ； t h e c o mmo n mo d e i n t e r f e r e n c e o n t h e wi r e s i d e ， t h e d i ffe r e n t i a l mo de i n t e r f e r e n c e o n t h e mo t o r s i d e a n d t h e c o mmo n mo d e i n t e r f e r e n c e o n t h e mo t o r s i d e ， r e s p e c t i v e l y The a na l y t i c me t ho d ba s e d o n do u b l e f o u r i e r i n t e g r a l me t h o d wa s p r o p os e d t o a n a l y z e t h e s p a c e v e c t o r mo d u l a t i o n wa v e t o i n c r e a s e t h e a na l y s i s p r e c i s i o n Be s i d e s ，t h e i nflu e n c e o f t h e h i g h f r e q ue n c y mod e l o f t h e mo t o r wa s a l s o c o n s i d e r e d Fi n a l l y， t h e c o n d u c t e d e l e c t r o ma g n e t i c i n t e r f e r e n c e o f a I O MW e l e c t r i c p r o p u l s i o n s y s t e m wa s s i mu l a t e d An d t h e c o nd u c t e d e l e c t r o ma g n e t i c i n t e r f e r e n c e wa s pr e d i c t e d a n d a na l y z e d ba s e d o n t h e s i mu l a t i on r e s u l t s Ke y wo r d s ：s h i p e l e c t r i c p r o p u l s i o n s y s t e m； e l e c t r o ma g n e t i c i n t e r f e r e n c e p r e d i c t i o n ； do u b l e f o u r i e r i n t e g r a t i o n ； h i g h f r e q u e n c y mo d e 】o f t h e mo t o r 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【 卜 1 。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( e l e c t r o ma g n e t i c i n t e r f e r e n c e ， E MI ) 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 收稿 日期 ： 2 0 1 l _ 0 7 3 1 进行预测分析， 为船舶电力推进系统电磁兼容 e d 工 【 目 瑚 例c c o mp a t i b i l i t y， E MC) 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 1 。但这些文献部分仅考虑了整流系统【 7 1 或逆变系 统【 】 的 E MI ， 没有将二者结合起来进行分析 ， 而船舶 电 自 动 化 技 术 与 应用 * 2 0 1 2 年 第3 1 卷 第2 期 电 气 传 动 EIec t r i c a l Dr i v es 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 一l O 对脉宽调 J ( p u l s e wi d t h mo d u l a t i o n， P WM) 波形的处理过于简单 ， 而 P WM 过程对系统传导 E MI 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 1 1 1 2 】 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 E MI 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( s p a c e v e c t o r mo d u l a t i o n， S V M) 的变频驱动系统传导E MI 进行了预测 分析。分别分析了整流环节、逆变环节的传导 E MI 。并 考虑了S VM 波形和电机高频模型对系统传导 E MI 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 。 2 系统 传导 E M l 通道 参 考美 国海 军对 水面舰船提 出的综合 电力系统 ( i n t e g r a t e d D o we r s y s t e m， I P S ) 计划 ， 将水面舰船I P S 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 。 电 源 图 1 船舶电力推进系统传导 E MI 通道 船舶 电力推进系统传导 E MI 通道如 图 1 所示 。其 中， 前端增加的电源线阻抗稳定网络( 1 i n e i mp e d a n c e s t a b i l i z a t i o n n e t wo r k， L I S N) 是考虑在 E MC测试时 的 应 用 。 从图 l 可以看出， 船舶 电力推进系统的传导 E MI同 时存在两个干扰源环节 ： 整流环节产生的传导 E MI 和逆 变环节产生的传导 E MI 。并且 ， 电机高频特性直接影响 系统传导 E MI 特性。因此， 在对船舶电流推进系统传导 E MI 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 E MI 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 E MI 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 。 3 系统传导 E M l 建模 3 1 S V M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 P WM 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 P WM 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 P wM 波形的信息。 表 1 S V M积分 内外限 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 P W M 波形的建模 1 3 1 。本文研究的变频系统采用 S VM 方式。采用双重傅 里叶积分法得到 S VM 方式的谐波复数表达式为： ： + ：U P J ( + ( 1 )r r 2d e b ,( )J x( i ) d x &d x d y C 删： + P ( 1 ) 式( 1 ) 的积分内外限如表 l 所示。 则式( 1 ) 可写成 ： 电 气 传 动 ef 、 a v s 自动 化技术与应用 2 01 2年第 3 1卷第 2期 城 嚣焉 酬 = ( a ) 差模干扰频谱 ( b ) 共模干扰频谱 图 2 S VM差模干扰和共模干扰频谱 图2给出了调制 比为 0 5时的 S VM 调制方式差模 干扰和共模干扰频谱。 其中， 为调制 比。 从 图中可以看出， 调制 比为 0 5的S VM 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 E MI 建模 D M 点 k j L 弋 r _ 曼 6 c= = r f r_ 五 I 一 N 图3 三相 P WM高频整流器 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： u = u u 一 s 一 s ) u ( 3 ) u ： 一 u 一 ： ( 1 _ 2 S ) (4 ) 2 3 6 其 中， 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 。 ( a ) 整流器差模干扰等效电路 ( b ) 整流器共模干扰等效电路 图4 整流器传导干扰等效电路 V罨 自 动 化 技术 与 应 用 2 0 l 2 年 第3 1 卷 第2 期 电 气 传 动 El e c t r i c a l D r iv e s 通过分析传导 E MI 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。 其 中， L、 C、 R表示 L I S N 中的各元件 ， 令 z 表示 C l 和R 1 串联等效阻抗 ， z 表示 和 串联等效阻抗 ， 则整流器在电网侧产生的差模干扰为 ： UR J ， 一 ： 一 L 一 2 ( z + Z) ( 5 ) 整流器在 a相上产生的差模干扰电压为 ： u = U 一( 1 - e ,T , ) ( 1 一 ) ( 6 ) 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 ： Z Z +Z +j mL 1 = I - - Z -= -一 3 ( 1) C 1 一 ( L + L ) 其 中 ： 等 + l z ： 二 竺 ： l m( c + C ) 一 ， C c ( t“ ： ) z 表示电源和输入电缆等效阻抗 ； 表示 电缆寄 生 电感 ；L 表示地线等效电感 ；C 表示散热片寄生 电 容 ； C 表示对机壳等效电容； Z 表示 L I S N对地阻抗。 U 2 U -_ 2 r r ： ， l B l t = 毛 一 ， ， 图 5 三相 P WM高频逆变器 3 3 逆变器传导E MI 建模 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： U = U( S 。 一 S ) ( 1 0 ) = ( 一 1 ) ( 1 1 ) 6； 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 E MI 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。 ( a ) 逆变器 差模干扰等效电 路 ( b ) 逆变器 菇模干扰等效电 路 图6 逆变器传导干扰等效电路 其中， z 是包括逆变器输出电缆和电动机阻抗的等 效阻抗； z 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 ： u = u ( 1 一 。 ) ( 1 一 ) ( 1 3 ) 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 ： ( 1 4 ) ( 1 5 ) 一 _I ， 电 气 传 动 自 动 化 技 术与 应 用 2 0 1 2 年 第3 1 卷 第2 期 其 中 ： 一 z + 2 j o ) ( L + L J c 一 2 + j o x ： Z 一 2 0 ) C ( t + L ) ( 1 6 ) 3 4 电机高频模型建模 通常在系统传导 E MI 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 E MI 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 ： 图 7 电机高频模型 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 。 4 系统传导 E M l 预测分析 通过对系统传导 E MI 建模 ， 仿真得到功率为 l O MW 船舶 电力推进系统传导干扰在 3 0 MHz以内的 E MI 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 E MI 是较强的， 部分 频率处 E MI 超过 G J B1 5 l A1 5 2 A- 9 7 的限制要求。尤 其是电机侧共模传导干扰 ， 最大 E MI 接近 1 1 0 d B V。 无论是电网侧还是电机侧 ， 共模传导 E MI 都强于差模传 导干扰。而共模传导干扰恰恰是影响系统 E M C的重要 部分 。这样强的 E MI 会严重影响系统可靠性。另外， 电 网侧和电机侧的传导 E MI 是不同的， 因此， 为了对系统 传导E MI 进行有效的预测分析 ， 需要对系统电网侧和电 机侧的E M1 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 E MI 预测分析分为四部分并分别进行建 模是合理有效的。 日 0 6 0 柏 蒜2 0 口 i 箍 、 1 a 1 频 率 M ( a ) 电网侧差模传导干扰 1 0 2 1 0 O 擀 羁 lMH z ( b ) 电网侧菇模传导干扰 频率， M ( o ) 电机侧差模传导干扰 1 0 1 0 a 频 率 ( d ) 电机侧共模传导干扰 图 8 系统传导 E H I 频谱 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 E M1 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 S VM 波形进行 自 动 化技 术 与 应 用 2 0 1 2 年 第3 1 卷 第2 期 电 气 传 动 Elec t r ic a i Df iv es 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 1 O MW 船舶电力推进系 统传导 E MI 进行仿真预测分析证明系统具有较强的传 导 E MI 强度 ， 且共模干扰强于差模干扰。在 3 0 MHz 频 率内， 系统传导 E MI 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 EM C情况 ， 提 高 系统 可靠 性具 有 意义 。 参考 文献 ： 1 】RO NAL D Na v y D D( x) ， C G ( X) ， a n d L C S s h i p a c - q u i s i t i o n p r o g r a ms ： o ve r s i g h t i s s u e s a n d o p t i o n s f o r c o n g r e ss Ri ADA4 5 4 4 0 7 ， Ma r c h 7 ， 2 0 0 6 【 2 】 J E S S W AR RI NG T O N Th e a n a l y s i s o f c o mp o n e n t s ， d e s i g n， a nd o p e r a t i o n f o r e l e c t r i c p r o p u l s i o n a n d i n t e g r a t e d e l e c t r i c a l s y s t e m R1 。 AD A3 5 7 5 7 5 ， 1 9 9 8 。 3 】马伟明 舰船动力发展的方向综合电力系统I J 上 海海运学院学报， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 1 ) ： 卜 I 1 4 L I R， S UNI L G， J 0 N C， e t a 1 C o n d u c t e d e l e c t r o ma gn e t i c e mi ssi o n i n i n d u c t i o n mo t o r d r i v e s ys t e ms p a r t I ： t i me d o ma i n a na l ys i s a n d i d e n t i fic a t i o n o f d o mi na n t mo d e s J I E E E Tr a n s o n P o we r E l e c t r o n i c s ， 1 9 9 8 ， 1 3 ( 4 ) ： 7 5 7 - 7 6 7 5 】L I R， S UNI L G， J ON C， e t a 1 C o n d u c t e d e l e c t r o ma g ne t i c e mi s s i o n i n i n d u c t i o n mo t o r d r i v e s y s t e ms p a r t I I ： f r e q u e n c y d o ma i n mo d e l s J 】 I E E E Tr a n s o n Po we r E l e c t r o n i c s ， 1 9 9 8 ， 1 3 ( 4 ) ： 7 6 8 - 7 7 6 6 肖芳， 孙力， 孙亚秀 P WM 电机驱动系统中共模电压和 轴电压的抑制f J 电机与控制学报， 2 0 0 9 ， 1 3 ( 3 ) ： 4 0 2 4 0 7 7 刘胜， 张玉廷 基于小波降噪的船用行程传感器电磁干 扰信号抑制研究 仪器仪表学报， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 4 ) ： 7 4 7 -7 5 2 8 1孟进， 马伟明， 刘德志等 交流发电机整流系统传导电磁 干扰的时域模型与仿真分析 J 中国电机工程学报， 2 0 0 2 ， 2 2 ( 6 ) ： 7 5 7 9 9 裴雪军， 康勇， 熊健等 P WM逆变器共模传导 电磁干扰 的预N J 】 中国电机工程学报， 2 0 0 4 ， 2 4 ( 8 ) ： 8 3 - 8 8 1 0 孟进， 马伟明， 张磊等 P WM变频驱动系统传导干扰的 高频模型 J 中国电机工程学报， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 1 5 ) ： 1 4 1 -1 4 6 1 1 】刘胜， 张玉廷， 于大泳 基于频变参数辨识的共模扼流 圈集中参数模型 中国电机工程学报， 2 0 1 1 ， 3 1 ( 3 ) ： 1 3 2 -1 3 7 【 1 2 WANG F Mo t o r s h a f t v o l t a g e a n d b e a r i n g c u r r e n t s a n d t h e i r r e du c t i o n i n mu l t i l e v e l me d i u m-v o l t a g e P WM v o l t a g e s o u r c e i n v e r t e r d r i v e a p p l i c a t i o n s J I E E E Tr a n s o n I n d u s t r y Ap p l i c a t i o n s ， 2 0 0 0 ， 3 6 ( 5 ) ： 1 3 3 6 -1 3 4 1 1 3 】张磊， 马伟明 三相可控整流桥系统共模干扰研究 J 中国电机工程学报， 2 0 0 5 ， 2 5 ( 2 ) ： 4 0 4 3 【 l 4 单朝龙， 马伟明， 王铁军等 逆变器驱动电机系统E MC 模型建立及直流侧传导干扰研究 海军工程大学学报， 2 0 0 3 ， 1 5 ( 1 ) ： 1 6 1 5 Ho l mes D G， L i p o T A著 周克亮 译 电力电子变换 器P WM技术原理与实践【 M】 北京： 人民邮电出版社， 2 0 1 0 ： 4 3 1 - 4 3 5 作者简介： 刘胜 ( 1 9 5 7 一 ) ， 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 。 ( 上接第 3 6页) 技术应用于温室监控系统中， 实现了温室基本环境因子 的采 集与控 制 ， 并 实现 了监控 的远程 可视化 操作 ， 可靠 性高、抗干扰能力强。设计解决传统温室中线缆纵横交 错， 布置不便且维护成本高的难题 ， 具有很高的实用意 义与推广价值。 参考文献 ： 1 】常波 基于Z i g B e e 的远程监测系统 J 仪表技术与传感 器， 2 0 1 0 ( 1 1 ) ： 4 1 - 4 3 2 】 杜尚丰， 李迎霞， 马承伟等 中国温室环境控制硬件系统 研究进展 J 农业工程学报 ， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 7 -1 2 3 】 杨玮， 李民赞， 王秀 农田信息传输方式现状及研究进展 J 农业工程学报 ， 2 0 0 8 ( 5 ) ： 2 9 7 3 0 1 【 4 】谢敏， 徐会冬 智能传感器S HTl 1 在单片机嵌入式系统 中的应用f J 现代电子技术， 2 0 0 5 ( 1 4 ) ： 8 9 9 1 5 】x 1 1 , 蕾 ， 郑立华， 车艳双等 基于Z i g B e e 和P DA的农田 信息无线传感器网络f J 农业工程学报， 2 0 1 0 ( $ 2 ) ： 1 0 3 1 0 8 6 】杜尚丰 智能光照传感器的研制 J l1 仪器仪表学报， 2 0 0 3 ( S 2 ) ： 2 9 8 -2 9 9 7 刘卉， 汪懋华， 王跃宣等 基于无线传感器网络的农田土 壤温湿度监测系统的设计与开发 J 吉林大学学报( 工学版) ， 2 0 0 8 ( 3 ) ： 6 0 4 -6 0 8 8 】 胡纯意， 李长庚 ， 王鹏鹏等 无线传感网络温湿度采集系 统的设计及实现 J 计算机测量与控制， 2 0 1 0 ( 5 ) ： l 1 9 9 1 2 0 1 作者简介： 张猛 ( 1 9 8 8一 ) ， 硕士研究生， 研究方向： 无线传感 器网络 农业信息智能获取。