分析电机以及控制系统中典型EMC干扰源的工作原理

现代工业中的各个机床设备的动能结构大多数都是由电机进行驱动的。电机驱动相对于油动和气动有很多先天的优势。但也有个明显的劣势，EMC电磁兼容性会受到挑战。本文着重分析电机以及控制系统中典型EMC干扰源的工作原理。

国标GB 12668也对变频器等电气传动调速系统的EMC试验进行了规范。

这些干扰源主要是由于变频器内部的基础非线性元件产生的。

由非线性元件组成的非线性电路有6个特色，这些特点也是产生EMC干扰的主要原因:

1.稳态不唯一

线性电路通常只有一个稳态。但有些非线性电路的稳态可以不止一个。例如，用刀开关断开某个直流电路，当开关的刀和固定触头之间的距离不够大（例如距离为d）时,刀与触头之间可以出现稳定的电弧，电路中有电流，这是电路的一个稳态；增加上述距离使电弧熄灭后,再使此距离减少到d,却见不到电弧,电路中没有电流，这是另一个稳态。电弧的非线性特性使这个电路有两个稳态。电路处于何种稳态由起始条件决定。

2.自激振荡

在含有直流独立电源的线性电路中，稳态下的电压、电流是不随时间变化的直流电压、直流电流。但在有些非线性电路里，独立电源虽然是直流电源，电路的稳态电压(或电流)却可以有周期变化的分量，电路里出现了自激振荡。例如，音频信号发生器的自激振荡电路中因有放大器这一非线性元件而成为非线性电路。这个电路可以产生其波形接近正弦的周期振荡。自激振荡可以分为两种。

①软激励：电路接通后就能激起振荡。

②硬激励：电路接通后，一般不能激起振荡，电路处于直流稳态。必须另外加一个幅度较大、作用时间很短的激励，电路里才会激起振荡。在这样的电路中便有两个稳态：一个是直流稳态，一个是含周期振荡的稳态。

3.谐波

正弦激励作用于非线性电路而且电路有周期响应时，响应的波形一般是非正弦的。响应中可以含有频率高于激励频率的高次谐波分量，也可以有频率低于激励频率的次谐波分量。整流电路中的电流常会有高次谐波分量。将铁心线圈和合适的电容器串联接到正弦电压源上，构成铁磁谐振电路，其中的电流可含有频率是电源频率1/3的次谐波分量，称1/3次谐波。

4.跳跃现象

电路的响应与电路的各种参数有关。电阻、电感、正弦电源的振幅和频率都是参数。当某个参数有微小变化时，响应一般也有微小变化。但在非线性电路里，当参数改变到分岔值时，响应会突变，出现跳跃现象。考虑一个有合适电容值的铁磁谐振电路，以正弦电压源的有效值U 作为控制参数。平滑地、缓慢地改变U 时,电流有效值I一般随之平滑地变化，图中两条实线表示这种变化。当U由大于U2的值减少到分岔值U1时,电流会突然减少。电流跳跃性变化用图中虚线表示。平滑地改变电源的频率，也可以看到类似的现象。

5.频率捕捉

正弦激励作用于自激振荡电路时，看来有两种频率的振荡在电路里起作用，一个是激励的频率，一个是自激振荡频率。但当二者相差很小时，电路里只存在频率为激励频率的振荡：响应与激励同步。这种现象称为频率捕捉。

6.混沌

非线性电路可以出现的一种稳态响应波形，看似无规律可循，类似随机输出。它的频谱中有连续频谱成分。响应对起始条件极为敏感。在两组相差极微小的起始条件下，经过较长的时间以后两个响应的波形差别很大。这种稳态响应是一种混沌现象。在三阶（或三阶以上）自治电路和二阶（或二阶以上）非自治电路里可以出现混沌。低阶电路的混沌常作为理论研究对象。

内燃机是可以加大油门或者通过变速装置来调节转速，那电机的旋转速度为什么能够自由地改变？

电机旋转速度单位为r/min每分钟旋转次数，也可表示为rpm.

例如：2极电机50Hz 3000[r/min]

感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地取决于电机的极数和频率。由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以一般不适合通过改变该值来调整电机的速度。

电机转速简化为：

n=60f/p

n:同步速度

f:电源频率

p:电机极对数

因此，以控制频率为目的的变频器，为电机调速设备的优选设备。

变频器工作原理：

图1.1

目前，通用型变频器绝大多数是交—直—交型变频器，通常尤以电压器变频器为通用，它是变频器的核心电路，由整流回路（交—直交换），直流滤波电路（能耗电路）及逆变电路（直—交变换）组成，当然还包括有限流电路、制动电路、控制电路等组成部分。

图1.2

1）整流电路

如图1.2所示，通用变频器的整流电路是由三相桥式整流桥组成。它的功能是将工频电源进行整流，经中间直流环节平波后为逆变电路和控制电路提供所需的直流电源。三相交流电源一般需经过吸收电容和压敏电阻网络引入整流桥的输入端。网络的作用，是吸收交流电网的高频谐波信号和浪涌过电压，从而避免由此而损坏变频器。当电源电压为三相380V时，整流器件的最大反向电压一般为1200—1600V，最大整流电流为变频器额定电流的两倍。

2）滤波电路

逆变器的负载属感性负载的异步电动机，无论异步电动机处于电动或发电状态，在直流滤波电路和异步电动机之间，总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠直流中间电路的储能元件来缓冲。同时，三相整流桥输出的电压和电流属直流脉冲电压和电流。为了减小直流电压和电流的波动，直流滤波电路起到对整流电路的输出进行滤波的作用。

通用变频器直流滤波电路的大容量铝电解电容，通常是由若干个电容器串联和并联构成电容器组，以得到所需的耐压值和容量。另外，因为电解电容器容量有较大的离散性，这将使它们随的电压不相等。因此，电容器要各并联一个阻值等相的匀压电阻，消除离散性的影响，因而电容的寿命则会严重制约变频器的寿命。

3）逆变电路

逆变电路的作用是在控制电路的作用下，将直流电路输出的直流电源转换成频率和电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出。

最常见的逆变电路结构形式是利用六个功率开关器件（GTR、IGBT、GTO等）组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中功率开关器件的导通与关断，可以得到任意频率的三相交流输出。

逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电

流近似正弦。

更为直观的电路图：

附录--电机参数说明：

电机极对数（P）： 三相交流电机电机相关参数说明每组线圈都会产生N、S磁极，每个电机每相含有的磁极个数就是极数，由于磁极是成对出现的，所以电机有2、4、6、8……极之分

空载转速（N）： 电机正常通电无负载状态的转速n=60f/p。（单位：rpm或转/分钟或r/min)

额定转速（nN）： 额定运行时，额定负载下的转数。（单位 r/min ）

负载转速： 电机在负载力矩下的转速。（单位：rpm或 转/分钟或r/min）

空载电流： 电机正常通电无负载状态的电流。（单位：mA 毫安或 A 安）

启动电流（Ist）： 电动机的起动电流是指电动机接通额定电压从零速开始起动时输入的线电流。电动机起动电流一般为其额定电流的5～7倍

负载电流（I）： 电机在负载力矩下的电流。（单位：mA 毫安或 A 安）

额定电流（In）： 额定运行时，规定加在定子绕组上的线电流。（单位：mA 毫安或 A 安）

堵转电流（IA）： 电动机在额定电压、额定频率和转子堵住时从供电回路输入的稳态电流有效值，即电机遭到堵转停止时候的最大电流。（单位：mA 毫安或 A 安）

起动转矩（Tst）： 当给处于停止状态下的交流异步电动机加上电压时的瞬间，交流异步电动机产生的转矩称为起动转矩。起动转矩大小与电压的平方成正比、与电动机的漏电抗有关，还随转子电阻的增大而增大。

额定转矩（Tn）： 电动机在额定电压、额定频率下能长期工作，轴上输出的最大允许转矩，（单位N.M或kgf.cm）

负载力矩： 电机负载测试时候的额定扭矩，仅用于测试参考。（单位：g-cm 克每厘米或kg-cm 公斤每厘米）

堵转力矩： 又叫启动扭力，为电机所能承受的最大扭力标准，超过该扭力，电机将停转或堵转。（单位：g-cm 克每厘米或kg-cm 公斤每厘米）

堵转转矩（TK）： 电动机在额定电压、额定频率和转子堵住时所产生转矩的最小测得值（单位N.M或kgf.cm）

最大转矩（Tmax）： 也叫停转转矩，是电动机在额定电压、额定频率和运行温度下，转速不发生突降时所产生的最大转矩，如果负载转矩大于电动机的最大转矩，电动机就不能启动（单位N.M或kgf.cm）

过载能力： 最大转矩Tmax与额定转矩Tn之比称为电动机的过载能力，它是衡量电动机短时过载与运行稳定性的主要数据

最大转矩倍数（Tmax/Tn）： 最大转矩Tmax与额定转矩值之比

起动转矩倍数（Tst/Tn）： 起动转矩Tst与额定转矩Tn之比

起动电流倍数（Ist/In）： 起动电流Ist与额定电流In之比

输出功率（P）： 电动机两端电压乘以流过电动机的电流，电动机将电能转化为机械能的功率值（单位：KW或W）

额定功率（Pn）： 额定运行时，电动机轴上的输出功率。（单位：KW或W）

额定频率（fN）： 在交变电流电路中一秒钟内交流电所允许而必须变化的周期数，即规定的电源频率(我国用工频是50Hz)。（单位Hz）

功率因数（COSφ）： 电动机输入有效功率与视在功率之比

额定电压（Un）： 额定运行时，规定加在定子绕组上的线电压（单位V或者mV）

电容器容量（C）： 给定电位差下左右电荷的储藏量，即容纳电荷的能力（单位F）

绝缘等级： 电动机绝缘等级指其所用绝缘材料的耐热等级，分A级、E级、B级、F级、H级、C级、N级、R级，绝缘系统大致分为：绝缘电磁线、槽绝缘、相间绝缘、浸渍漆、绕组引接线、接线绝缘端子等

额定温升： 指在设计规定的环境温度(40℃)下，电动机绕组的最高允许温升，它取决于绕组的绝缘等级。（单位K）

允许温升： 指电动机的温度与周围环境温度相比升高的限度

效率η： 电动机输出机械功率与输入电功率之比，通常用百分比表示

额定效率（ηN）： 指额定运行时的效率

额定功率因素（cosφN）： 电动机额定运行时的功率因数

相数： 线圈组数，二、三、四、五相步进电机分别对应有2、3、4、5组线圈

定子绕组： 是指安装在定子上的绕组,也就是绕在定子上面的铜线。绕组是由多个线圈或线圈组构成一相或整个电磁电路的统称

转子绕组： 电机的电枢中按一定规律绕制和连接起来的线圈组称为转子绕组。它是电机中实现机电能量转换的主要组成部件之一

电枢绕组： 由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，他是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分

噪声： 电动机在空载稳态运行时A计权声功率级dB（A）最大值

振动： 电动机在空载稳态运行时振动速度有效值（mm/s）