分析電機(jī)以及控制系統(tǒng)中典型EMC干擾源的工作原理

現(xiàn)代工業(yè)中的各個機(jī)床設(shè)備的動能結(jié)構(gòu)大多數(shù)都是由電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動的。電機(jī)驅(qū)動相對于油動和氣動有很多先天的優(yōu)勢。但也有個明顯的劣勢，EMC電磁兼容性會受到挑戰(zhàn)。本文著重分析電機(jī)以及控制系統(tǒng)中典型EMC干擾源的工作原理。

國標(biāo)GB 12668也對變頻器等電氣傳動調(diào)速系統(tǒng)的EMC試驗(yàn)進(jìn)行了規(guī)范。

這些干擾源主要是由于變頻器內(nèi)部的基礎(chǔ)非線性元件產(chǎn)生的。

由非線性元件組成的非線性電路有6個特色，這些特點(diǎn)也是產(chǎn)生EMC干擾的主要原因:

1.穩(wěn)態(tài)不唯一

線性電路通常只有一個穩(wěn)態(tài)。但有些非線性電路的穩(wěn)態(tài)可以不止一個。例如，用刀開關(guān)斷開某個直流電路，當(dāng)開關(guān)的刀和固定觸頭之間的距離不夠大（例如距離為d）時,刀與觸頭之間可以出現(xiàn)穩(wěn)定的電弧，電路中有電流，這是電路的一個穩(wěn)態(tài)；增加上述距離使電弧熄滅后,再使此距離減少到d,卻見不到電弧,電路中沒有電流，這是另一個穩(wěn)態(tài)。電弧的非線性特性使這個電路有兩個穩(wěn)態(tài)。電路處于何種穩(wěn)態(tài)由起始條件決定。

2.自激振蕩

在含有直流獨(dú)立電源的線性電路中，穩(wěn)態(tài)下的電壓、電流是不隨時間變化的直流電壓、直流電流。但在有些非線性電路里，獨(dú)立電源雖然是直流電源，電路的穩(wěn)態(tài)電壓(或電流)卻可以有周期變化的分量，電路里出現(xiàn)了自激振蕩。例如，音頻信號發(fā)生器的自激振蕩電路中因有放大器這一非線性元件而成為非線性電路。這個電路可以產(chǎn)生其波形接近正弦的周期振蕩。自激振蕩可以分為兩種。

①軟激勵：電路接通后就能激起振蕩。

②硬激勵：電路接通后，一般不能激起振蕩，電路處于直流穩(wěn)態(tài)。必須另外加一個幅度較大、作用時間很短的激勵，電路里才會激起振蕩。在這樣的電路中便有兩個穩(wěn)態(tài)：一個是直流穩(wěn)態(tài)，一個是含周期振蕩的穩(wěn)態(tài)。

3.諧波

正弦激勵作用于非線性電路而且電路有周期響應(yīng)時，響應(yīng)的波形一般是非正弦的。響應(yīng)中可以含有頻率高于激勵頻率的高次諧波分量，也可以有頻率低于激勵頻率的次諧波分量。整流電路中的電流常會有高次諧波分量。將鐵心線圈和合適的電容器串聯(lián)接到正弦電壓源上，構(gòu)成鐵磁諧振電路，其中的電流可含有頻率是電源頻率1/3的次諧波分量，稱1/3次諧波。

4.跳躍現(xiàn)象

電路的響應(yīng)與電路的各種參數(shù)有關(guān)。電阻、電感、正弦電源的振幅和頻率都是參數(shù)。當(dāng)某個參數(shù)有微小變化時，響應(yīng)一般也有微小變化。但在非線性電路里，當(dāng)參數(shù)改變到分岔值時，響應(yīng)會突變，出現(xiàn)跳躍現(xiàn)象?？紤]一個有合適電容值的鐵磁諧振電路，以正弦電壓源的有效值U 作為控制參數(shù)。平滑地、緩慢地改變U 時,電流有效值I一般隨之平滑地變化，圖中兩條實(shí)線表示這種變化。當(dāng)U由大于U2的值減少到分岔值U1時,電流會突然減少。電流跳躍性變化用圖中虛線表示。平滑地改變電源的頻率，也可以看到類似的現(xiàn)象。

5.頻率捕捉

正弦激勵作用于自激振蕩電路時，看來有兩種頻率的振蕩在電路里起作用，一個是激勵的頻率，一個是自激振蕩頻率。但當(dāng)二者相差很小時，電路里只存在頻率為激勵頻率的振蕩：響應(yīng)與激勵同步。這種現(xiàn)象稱為頻率捕捉。

6.混沌

非線性電路可以出現(xiàn)的一種穩(wěn)態(tài)響應(yīng)波形，看似無規(guī)律可循，類似隨機(jī)輸出。它的頻譜中有連續(xù)頻譜成分。響應(yīng)對起始條件極為敏感。在兩組相差極微小的起始條件下，經(jīng)過較長的時間以后兩個響應(yīng)的波形差別很大。這種穩(wěn)態(tài)響應(yīng)是一種混沌現(xiàn)象。在三階（或三階以上）自治電路和二階（或二階以上）非自治電路里可以出現(xiàn)混沌。低階電路的混沌常作為理論研究對象。

內(nèi)燃機(jī)是可以加大油門或者通過變速裝置來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，那電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度為什么能夠自由地改變？

電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度單位為r/min每分鐘旋轉(zhuǎn)次數(shù)，也可表示為rpm.

例如：2極電機(jī)50Hz 3000[r/min]

感應(yīng)式交流電機(jī)（以后簡稱為電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)速度近似地取決于電機(jī)的極數(shù)和頻率。由電機(jī)的工作原理決定電機(jī)的極數(shù)是固定不變的。由于該極數(shù)值不是一個連續(xù)的數(shù)值（為2的倍數(shù)，例如極數(shù)為2，4，6），所以一般不適合通過改變該值來調(diào)整電機(jī)的速度。

電機(jī)轉(zhuǎn)速簡化為：

n=60f/p

n:同步速度

f:電源頻率

p:電機(jī)極對數(shù)

因此，以控制頻率為目的的變頻器，為電機(jī)調(diào)速設(shè)備的優(yōu)選設(shè)備。

變頻器工作原理：

圖1.1

目前，通用型變頻器絕大多數(shù)是交—直—交型變頻器，通常尤以電壓器變頻器為通用，它是變頻器的核心電路，由整流回路（交—直交換），直流濾波電路（能耗電路）及逆變電路（直—交變換）組成，當(dāng)然還包括有限流電路、制動電路、控制電路等組成部分。

圖1.2

1）整流電路

如圖1.2所示，通用變頻器的整流電路是由三相橋式整流橋組成。它的功能是將工頻電源進(jìn)行整流，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)平波后為逆變電路和控制電路提供所需的直流電源。三相交流電源一般需經(jīng)過吸收電容和壓敏電阻網(wǎng)絡(luò)引入整流橋的輸入端。網(wǎng)絡(luò)的作用，是吸收交流電網(wǎng)的高頻諧波信號和浪涌過電壓，從而避免由此而損壞變頻器。當(dāng)電源電壓為三相380V時，整流器件的最大反向電壓一般為1200—1600V，最大整流電流為變頻器額定電流的兩倍。

2）濾波電路

逆變器的負(fù)載屬感性負(fù)載的異步電動機(jī)，無論異步電動機(jī)處于電動或發(fā)電狀態(tài)，在直流濾波電路和異步電動機(jī)之間，總會有無功功率的交換，這種無功能量要靠直流中間電路的儲能元件來緩沖。同時，三相整流橋輸出的電壓和電流屬直流脈沖電壓和電流。為了減小直流電壓和電流的波動，直流濾波電路起到對整流電路的輸出進(jìn)行濾波的作用。

通用變頻器直流濾波電路的大容量鋁電解電容，通常是由若干個電容器串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)成電容器組，以得到所需的耐壓值和容量。另外，因?yàn)殡娊怆娙萜魅萘坑休^大的離散性，這將使它們隨的電壓不相等。因此，電容器要各并聯(lián)一個阻值等相的勻壓電阻，消除離散性的影響，因而電容的壽命則會嚴(yán)重制約變頻器的壽命。

3）逆變電路

逆變電路的作用是在控制電路的作用下，將直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換成頻率和電壓都可以任意調(diào)節(jié)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出。

最常見的逆變電路結(jié)構(gòu)形式是利用六個功率開關(guān)器件（GTR、IGBT、GTO等）組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中功率開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。

逆變器：將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的電力電子裝置，其輸出電壓為非正弦波，輸出電

流近似正弦。

更為直觀的電路圖：

附錄--電機(jī)參數(shù)說明：

電機(jī)極對數(shù)（P）： 三相交流電機(jī)電機(jī)相關(guān)參數(shù)說明每組線圈都會產(chǎn)生N、S磁極，每個電機(jī)每相含有的磁極個數(shù)就是極數(shù)，由于磁極是成對出現(xiàn)的，所以電機(jī)有2、4、6、8……極之分

空載轉(zhuǎn)速（N）： 電機(jī)正常通電無負(fù)載狀態(tài)的轉(zhuǎn)速n=60f/p。（單位：rpm或轉(zhuǎn)/分鐘或r/min)

額定轉(zhuǎn)速（nN）： 額定運(yùn)行時，額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)數(shù)。（單位 r/min ）

負(fù)載轉(zhuǎn)速： 電機(jī)在負(fù)載力矩下的轉(zhuǎn)速。（單位：rpm或 轉(zhuǎn)/分鐘或r/min）

空載電流： 電機(jī)正常通電無負(fù)載狀態(tài)的電流。（單位：mA 毫安或 A 安）

啟動電流（Ist）： 電動機(jī)的起動電流是指電動機(jī)接通額定電壓從零速開始起動時輸入的線電流。電動機(jī)起動電流一般為其額定電流的5～7倍

負(fù)載電流（I）： 電機(jī)在負(fù)載力矩下的電流。（單位：mA 毫安或 A 安）

額定電流（In）： 額定運(yùn)行時，規(guī)定加在定子繞組上的線電流。（單位：mA 毫安或 A 安）

堵轉(zhuǎn)電流（IA）： 電動機(jī)在額定電壓、額定頻率和轉(zhuǎn)子堵住時從供電回路輸入的穩(wěn)態(tài)電流有效值，即電機(jī)遭到堵轉(zhuǎn)停止時候的最大電流。（單位：mA 毫安或 A 安）

起動轉(zhuǎn)矩（Tst）： 當(dāng)給處于停止?fàn)顟B(tài)下的交流異步電動機(jī)加上電壓時的瞬間，交流異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為起動轉(zhuǎn)矩。起動轉(zhuǎn)矩大小與電壓的平方成正比、與電動機(jī)的漏電抗有關(guān)，還隨轉(zhuǎn)子電阻的增大而增大。

額定轉(zhuǎn)矩（Tn）： 電動機(jī)在額定電壓、額定頻率下能長期工作，軸上輸出的最大允許轉(zhuǎn)矩，（單位N.M或kgf.cm）

負(fù)載力矩： 電機(jī)負(fù)載測試時候的額定扭矩，僅用于測試參考。（單位：g-cm 克每厘米或kg-cm 公斤每厘米）

堵轉(zhuǎn)力矩： 又叫啟動扭力，為電機(jī)所能承受的最大扭力標(biāo)準(zhǔn)，超過該扭力，電機(jī)將停轉(zhuǎn)或堵轉(zhuǎn)。（單位：g-cm 克每厘米或kg-cm 公斤每厘米）

堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩（TK）： 電動機(jī)在額定電壓、額定頻率和轉(zhuǎn)子堵住時所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的最小測得值（單位N.M或kgf.cm）

最大轉(zhuǎn)矩（Tmax）： 也叫停轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，是電動機(jī)在額定電壓、額定頻率和運(yùn)行溫度下，轉(zhuǎn)速不發(fā)生突降時所產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)就不能啟動（單位N.M或kgf.cm）

過載能力： 最大轉(zhuǎn)矩Tmax與額定轉(zhuǎn)矩Tn之比稱為電動機(jī)的過載能力，它是衡量電動機(jī)短時過載與運(yùn)行穩(wěn)定性的主要數(shù)據(jù)

最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)（Tmax/Tn）： 最大轉(zhuǎn)矩Tmax與額定轉(zhuǎn)矩值之比

起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)（Tst/Tn）： 起動轉(zhuǎn)矩Tst與額定轉(zhuǎn)矩Tn之比

起動電流倍數(shù)（Ist/In）： 起動電流Ist與額定電流In之比

輸出功率（P）： 電動機(jī)兩端電壓乘以流過電動機(jī)的電流，電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率值（單位：KW或W）

額定功率（Pn）： 額定運(yùn)行時，電動機(jī)軸上的輸出功率。（單位：KW或W）

額定頻率（fN）： 在交變電流電路中一秒鐘內(nèi)交流電所允許而必須變化的周期數(shù)，即規(guī)定的電源頻率(我國用工頻是50Hz)。（單位Hz）

功率因數(shù)（COSφ）： 電動機(jī)輸入有效功率與視在功率之比

額定電壓（Un）： 額定運(yùn)行時，規(guī)定加在定子繞組上的線電壓（單位V或者mV）

電容器容量（C）： 給定電位差下左右電荷的儲藏量，即容納電荷的能力（單位F）

絕緣等級： 電動機(jī)絕緣等級指其所用絕緣材料的耐熱等級，分A級、E級、B級、F級、H級、C級、N級、R級，絕緣系統(tǒng)大致分為：絕緣電磁線、槽絕緣、相間絕緣、浸漬漆、繞組引接線、接線絕緣端子等

額定溫升： 指在設(shè)計(jì)規(guī)定的環(huán)境溫度(40℃)下，電動機(jī)繞組的最高允許溫升，它取決于繞組的絕緣等級。（單位K）

允許溫升： 指電動機(jī)的溫度與周圍環(huán)境溫度相比升高的限度

效率η： 電動機(jī)輸出機(jī)械功率與輸入電功率之比，通常用百分比表示

額定效率（ηN）： 指額定運(yùn)行時的效率

額定功率因素（cosφN）： 電動機(jī)額定運(yùn)行時的功率因數(shù)

相數(shù)： 線圈組數(shù)，二、三、四、五相步進(jìn)電機(jī)分別對應(yīng)有2、3、4、5組線圈

定子繞組： 是指安裝在定子上的繞組,也就是繞在定子上面的銅線。繞組是由多個線圈或線圈組構(gòu)成一相或整個電磁電路的統(tǒng)稱

轉(zhuǎn)子繞組： 電機(jī)的電樞中按一定規(guī)律繞制和連接起來的線圈組稱為轉(zhuǎn)子繞組。它是電機(jī)中實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的主要組成部件之一

電樞繞組： 由一定數(shù)目的電樞線圈按一定的規(guī)律連接組成，他是直流電機(jī)的電路部分，也是感生電動勢，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部分

噪聲： 電動機(jī)在空載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時A計(jì)權(quán)聲功率級dB（A）最大值

振動： 電動機(jī)在空載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時振動速度有效值（mm/s）