变频洗衣机系统中电磁干扰模型仿真与分析

3 系统仿真和实际测试
在实际变频洗衣机设计中，以下列参数进行仿真。
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系
统
仿
Hale Waihona Puke Baidu
真
学
报
Vol. 16 No. 5 May 2004 湿 度 ： 21°C/60% ； 电 源 ： 220V/50Hz；洗衣机在额定电压 和额定频率下进行脱水试验。L 线和 N 线的连续干扰电压都达 到了通过了电磁兼容测试标准 的要求。另外，辐射干扰功率 通过了电磁兼容测试标准。
针对直流无刷电机的 PWM 控制，其实际设计是通过 DSP 控制器完成的。 其内部包含了具有继电器状态的放大器 或电压比较器，它将直流电压信号转变成脉冲信号，可以把 它看作理想的继电器元件。同时脉冲分配器、驱动电路的动 作时间和功率放大器的开关时间构成了脉宽调制放大器的 延迟时间，可用一个纯滞后环节代替，滞后时间最大不超过 一个开关周期。为满足 IGBT 先关断后导通条件，还有一个 滞环特性。因为滞环宽度很窄，所以略去。经过上述处理， 三相 PWM 调制放大器可以用图 2 表示。
Simulating and Analyzing the Electromagnetism Noise Disturbing in the System of Washing Machine
WANG Hong-wei1，LI Li1，MA Guang-fu2
( Qingdao Technology Center of Haier, Qingdao, 266101, China; 2 Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)
(5)
实际运行时，三相定子绕组中只有两相同时通电。假 设三相绕组采用星形接法， 那么两个通电绕组实际上是串联 的，即电流由正电源经导通的上功率管流向第一相绕组，到 中点后，又流过第二相绕组，再经过导通的下功率管抵达负 电源。于是，若将两个同时导通的绕组电压相加，并以电源 电压 u s 和电源电流 is 表示，则有 di a (6) u a = R a ia + L a + cen dt 式中， R a = 2 ( R + R0 ) ， R0 为导通管的内阻；
1
Abstract: In washing machine system, the electromagnetism noise produced by PWM amplifier signal from the inverter module in control system of DC motor with non-brush effects the levels of electromagnetism compatibility. Because of modulating frequency of inverter washing machine being 7k~18kHz, the signal based on these frequencies and energy can cause interfere signal with high frequencies, and then can form electromagnetism interference signal to electrical net. In addition, the interference signal can effects the level of voltage conduction and power radiation. It is essential that the electromagnetism noise should be solved at the present time. The paper adopts theoretical analyses and simulation experiments to find an effective method of both restraining noise and improving signal-to-noise. This method can solve EMS problems of Electromagnetic Compatibility. Key words: electromagnetic compatibility; pwm modulating; inverter washer; electromagnetic noises
La = 2 ( L − M ) ；
此外，转子轴上的转矩平衡方程为
J dn = Te − TL dt
(7)
这样，直流无刷电动机的数学模型就是由式（6）和式（7）组 成。可看出，这一数学模型与普通有刷直流电动机完全相同。 控制器里加了速度调节环节和电流调节环。经过上述 分析， 基于直流无刷电动机的变频洗衣机由脉宽调制方式控 制的系统仿真框图如图 3 所示。
M ( i s1 + i s 2 ) = − M 进一步写为
s3
空比 ρ = 0 . 5 。 将 ρ = 0 . 5 代入式 （2） 中可得到简化后的电枢电流波 动量最大值：
∆ i A max = U DT 2 La
。于是定子电压平衡方程（ 4）可以
(3)
∆ i A max 是和直流电源电压 U
及调制频率 f 成反比。
通过对（3）式的分析，影响电流最大波动量的要素为 直流电源电压，电枢电感和调制频率。在 PWM 控制方式确 定之后，仅有电枢电感 L a 易于改变。为了验证方法的有效 性，并找出将运用于实际系统的最佳参数调整范围，应将实 际系统抽象为数学模型进行仿真试验， 并将仿真试验指导实 际系统的设计。
2 变频洗衣机控制系统模型的建立
dρ
式中：us1 ， u s 2 ， u s 3 -----定子绕组三相电压； i s1 ，
is 2 ， is 3 -----定子绕组三相电流； L -----定子绕组自感； M -----定子绕组互感。 由 于 三 相 对 称 电 动 机 中 i s1 + i s 2 + i s 3 =0 ， 因 此 ，
摘 要： 在变频洗衣机中, 通过变频模块产生的 PWM 信号, 在控制直流无刷电机中, 会产生严重 的电磁噪声, 将影响电磁兼容测试中的指标. 因为变频洗衣机的调制频率一般在 7k-18kHz 之间。 这样具有一定频率和一定能量的信号，会在空间形成高频干扰信号，也会对电网形成电磁干扰 ,并 将影响电磁兼容测试中的电压传导和功率辐射两项指标。这是目前一个急需解决的问题，本文采 用理论分析和仿真试验得出了一种抑制干扰的可行性方法，解决了电磁兼容中的 EMS 问题。 关键词 : 电磁兼容；PWM；变频洗衣机；电磁干扰 文章编号： 1004-731X（2004）05-0890-03 中图分类号： TP391.9 文献标识码： A
is = i1 + i2 是电 T L = L a / R a 是电枢回路电磁时间常数； 源 短 路 电 流 ； i1 = (U D - E a ) / R a 是 电 机 负 载 电 流 ；
i 2 = (U D + E a ) / R a 是电机制动电流； E a 是电枢电压； U
D
(4)
是直流电源电压。
文献[1]，[2]中根据 IGBT 一个开关周期内电枢回路电 压平衡方程及稳态电流波动量 Δ i A 的计算式： (1 - e-t/TL )e-T/TL + 1 - e-t/TL (1) Ä i A = i A max - i A min = is - T/T L 1 e 式中，t 是调制信号的导通时间；T 是 IGBT 开关周期；
e −Ts
图 2 三相 PWM 放大器结构图
直流无刷电动机是在有刷直流电动机基础上发展起来 的。它以电子换相电路取代了传统直流电机的整流子-电刷 换向器。它的定子绕组的电压平衡方程可以列写为： di s 1 di s 2 di s 3 u s 1 = Ri s1 + L dt + M dt + M dt + e1 di s 2 di di + M s1 + M s3 + e 2 u s 2 = Ris 2 + L dt dt dt u = Ri + L di s 3 + M di s 1 + M di s 2 + e s3 s3 3 dt dt dt
考虑当 IGBT 开关频率足够高时 T ≤ T L ，式（1）中 指数项可因此展开成台劳级数并忽略高次项，式（ 1）将简 化为： ρ (1 − ρ ) 2U D (1 − ρ ) ρ T (2) ∆ iA ≈ is = TL La 令 d ( ∆ i A ) = 0 可求得简化后 ∆ i A 达到最大值时占
式(3)表明, 以 PWM 形式输出控制电流的最大波动量 成正比，和电枢电感 L a 以 D
di s 1 u s 1 = Ri s 1 + ( L − M ) dt + e 1 di s 2 + e2 u s 2 = Ri s 2 + ( L − M ) dt u = Ri + ( L − M ) di s 3 + e s3 3 s3 dt
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原理相同，因此这里分析双极性脉宽调制原理。由双极性 PWM 原理可知，当占空比ñ = 0 . 5 ，正负脉冲电压的宽度 相等，输出电压平均值U A = 0 ，此时电机虽然不转动，但 电枢电压U A 并不等于零。在电枢回路中还要流过一个交变
Uc
Ub
U A ，这个交变电流会产生高频噪声，从而形成高频交变磁 场，会引起电磁干扰。
1 电磁干扰源分析
变频洗衣机的电机采用直流无刷电机, 其工作原理图 如下：
U,V,W 三 相 PWM 驱动模 块
负 载 位置传感器
控制器 图 1 变频洗衣机工作原理图
由于三相 PWM 驱动方式与双极式脉宽调制放大器驱动
Vol. 16 No. 5 May 2004
王宏伟, 等：变频洗衣机系统中电磁干扰模型仿真与分析
收稿日期： 2003-04-04 修回日期： 2003-07-14 作者简介：王 宏 伟（1969 年生），男，长春，博士, 博士后，研究:智能 控制，网络家电; 李 莉 （1972 年生）,女,乌鲁牧齐,硕士,工程师,研究: 电器控制; 马广富 （1963 年生）,男,唐山,博士,职称,教授,研究: 智能控 制, 系统仿真与建模。
DOI:10.16182/j.cnki.joss.2004.05.008
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系 统 仿 真 学 报 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION
Vol. 16 No. 5 May 2004
变频洗衣机系统中电磁干扰模型仿真与分析
王宏伟 1，李 莉 1，马广富 2
（1 海尔集团技术中心, 青岛 266101; 2 哈尔滨工业大学控制理论与控制工程系, 哈尔滨 150001）
引
言1
现在人们对洗衣机的要求是 : 既要洗得干净, 又要不伤
之一就是通过屏蔽、滤波、接地。屏蔽用于切断空间的辐射 传播途径。滤波用于切断通过导线的传播途径。接地好坏直 接影响到设备内部和外部的电磁兼容。 我们采用上述技术对 变频洗衣机进行了研究。在作电磁兼容测试中发现，功率辐 射和电压传导指标很高， 分析考虑可能是驱动电机所用的 三相 PWM 放大输出电流纹波产生的空间电磁场变化引起 的。为此我们进行了理论分析和仿真研究，并根据理论仿真 计算确定的参数，解决了功率辐射等电磁兼容问题。
衣物, 能洗各种不同质地的衣物 , 同时希望省水 , 省电 , 节 约洗衣粉。另外, 生活节拍的加快, 使上班族只能选择早、 晚时间洗衣。无级变频调速洗衣机恰好满足了人们的要求。 它可以针对不同质地的衣物，确定不同的洗涤，脱水速度， 使衣物的洗净比和磨损率达到最佳的效果，节约能源，降低 噪声，最大限度地满足了用户对洗衣机全新洗衣方式的要 求。 变频洗衣机应用过程中所面临一个急需解决的问题， 就 是其在洗涤或脱水过程中电磁干扰噪声的抑制问题。 因为变 频洗衣机的调制频率一般在 7k~18kHz 之间。这样具有一定 频率和一定能量的信号，会在空间形成高频干扰信号，也会 对电网形成电磁干扰。当这种高频干扰进入到一些设备中， 可能会干扰其他设备的正常工作。针对这个问题，解决方法