船舶变频电机驱动系统电磁兼容性（EMC）问题分析与抑制方法

摘要：随着船舶电气化程度的不断提高，变频电机驱动系统在船舶中得到了广泛的应用。然而，变频电机驱动系统在运行过程中会产生电磁干扰（EMI），影响船舶其他设备的正常运行，同时也可能受到外界电磁干扰，导致系统自身性能下降。本文对船舶变频电机驱动系统的电磁兼容性（EMC）问题进行了深入分析，探讨了其产生原因，并提出了多种有效的抑制方法，旨在为船舶变频电机驱动系统的EMC设计与优化提供参考。

关键词：船舶；变频电机驱动系统；电磁兼容性；抑制方法

1船舶变频电机驱动系统的电磁兼容性问题分析

1.1电磁干扰源

在船舶变频电机驱动系统中，电磁干扰源有很多，主要来自以下几个关键部分。首先，高频开关器件是变频电机驱动系统的核心部件，通常采用脉宽调制（PWM）技术来实现对电机的精确控制。这些高频开关器件，如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）或金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），在开关过程中会产生快速的电压和电流变化。这种快速的变化，会导致电磁能量的瞬间释放，继而形成电磁干扰源。具体来说，当这些器件从导通状态切换到截止状态，或者反之，通常会产生高频的电压尖峰和电流脉冲，这些尖峰和脉冲会在电路中产生电磁辐射，同时也可能通过电源线和控制线传导到其他设备。其次，电机本身在运行过程中也会产生一些电磁干扰。电机的工作原理基于电磁感应，其内部的磁场变化会产生感应电动势和感应电流。这些感应电流在电机绕组中流动时，会产生低频电磁干扰。

1.2干扰传播路径

电磁干扰的传播路径主要包括传导干扰、辐射干扰和共模干扰等等。传导干扰是指电磁干扰通过电源线、信号线等传导路径传播的现象。在船舶变频电机驱动系统中，变频器产生的高频谐波电压和电流是传导干扰的主要来源。这些谐波电压和电流会通过电源线传导到船舶电网，进而影响其他设备的正常运行。例如，高频谐波电流的产生，可能会导致船舶电网的电压波动，最终影响敏感设备的供电质量。同时，信号线中的干扰电流也会导致信号失真，影响系统的控制精度。辐射干扰则主要是通过空间电磁场传播的电磁干扰。高频开关器件和电机在运行过程中会产生电磁辐射。这些辐射会在空间中传播，对周围设备产生一定的干扰。例如，高频电磁辐射可能会干扰船舶上的通信设备，导致通信信号失真或者信号的中断。此外，辐射干扰还可能会影响导航设备的正常工作，降低其定位精度。共模干扰是由于变频器和电机的接地系统不同而产生的。在船舶变频电机驱动系统中，变频器和电机通常通过不同的接地路径连接到船舶的接地系统。这种不同的接地路径，会导致共模电压和电流的产生。共模干扰会通过地线传播，最终就会影响到系统的整体稳定性。

2船舶变频电机驱动系统的电磁兼容性抑制方法

2.1硬件设计优化

硬件设计优化是船舶变频电机驱动系统电磁兼容性（EMC）抑制的基础环节，通过合理的硬件选型与结构设计，能够有效降低电磁干扰的产生与传播。首先，滤波器设计是抑制电磁干扰的关键措施之一。无源滤波器通常安装在变频器的输入端和输出端，其主要作用是抑制高频谐波电流和电压。例如，采用π型滤波器（C-L-C结构），能够针对150kHz-30MHz频段的电磁干扰进行有效的抑制。这种滤波器通过电容和电感的组合，形成低通滤波特性，使高频干扰信号在通过滤波器时被衰减，从而降低变频器对船舶电网和其他设备的电磁干扰。

此外，有源滤波器则利用有源电路来消除传导的噪声能量。它主要是通过检测传导EMI电压或者电流，并产生反向回馈信号到系统中，从而抵消干扰。有源滤波器具有更高的灵活性和自适应性，能够根据干扰信号的特性动态调整滤波效果，尤其适用于复杂电磁环境下的干扰抑制。其次，采取合理的屏蔽措施，对于防止电磁干扰传播是非常重要的。设备外壳屏蔽可以通过为变频器和电机设计金属外壳来实现，例如采用铝制外壳或镀锌钢板外壳。这些金属外壳能够有效阻挡电磁干扰的传播，同时通过导电橡胶垫实现360°屏蔽，以此来确保屏蔽效果的完整性。

此外，电缆屏蔽也是其中不可忽视的环节。采用双绞屏蔽线或带有屏蔽层的电缆，并确保屏蔽层单端接地，能够有效防止电磁干扰通过电缆传播。双绞屏蔽线通过双绞结构减少电磁感应，而屏蔽层则能够进一步阻挡外部电磁干扰，单端接地则避免了接地环流的产生。

2.2控制策略优化

控制策略优化主要是通过调整变频电机驱动系统的运行参数和控制方式，来降低电磁干扰的产生和传播。首先，PWM频率调整是优化控制策略的重要手段之一。在变频电机驱动系统中，脉宽调制（PWM）技术是实现电机控制的核心技术。合理设置IGBT或MOSFET的开关频率，能够有效避开AM广播频段（530-1600kHz）的谐波干扰。AM广播频段是一个常见的电磁干扰敏感频段，如果变频器的开关频率与该频段重合，可能会导致严重的电磁干扰问题。通过调整开关频率，使其避开敏感频段，可以显著降低对通信设备等敏感设备的干扰。其次，随机PWM技术是一种较为先进的控制技术。该技术通过引入伪随机序列调制占空比，将集中频谱能量分散为宽带噪声，从而降低峰值干扰强度。传统PWM技术产生的电磁干扰，具有明显的集中频谱特性，极其容易对特定频段的设备造成干扰。而随机PWM技术通过随机化PWM信号的占空比，使电磁干扰能量在更宽的频段上分布，从而降低单个频点上的干扰强度，有效改善系统的电磁兼容性。

此外，软开关技术是另一种有效的控制策略优化技术。选用带软开关功能的驱动芯片，通过调整死区时间减少开关瞬态电压尖峰。高频开关器件在开关过程中会产生电压尖峰，这些尖峰是电磁干扰的主要来源之一。软开关技术通过优化开关过程，使开关器件在导通和截止时的电压和电流变化更加平滑，从而减少尖峰的产生，最终即可以降低电磁干扰的强度。

2.3布线与布局优化

布线与布局优化是船舶变频电机驱动系统电磁兼容性设计的重要环节，通过合理的布线以及设备布局，可以有效减少电磁干扰的传播路径和敏感设备的暴露程度。首先，线缆布局是优化的关键之一。电源线与信号线应尽量分开进行布置，强电信号与弱电信号分区，避免交叉。这种布局方式，可以有效减少电磁干扰的耦合。电源线通常携带较高的电压和电流，会产生较强的电磁场，而信号线则较为敏感，非常容易受到电磁干扰。通过将电源线和信号线分开布置，可以显著降低电磁干扰的传播概率。

此外，动力线应当采用双绞屏蔽线，信号线则使用铁氧体磁环抑制高频噪声。双绞屏蔽线通过双绞结构减少电磁感应，屏蔽层则进一步阻挡外部电磁干扰。铁氧体磁环是一种有效的高频干扰抑制元件，能够吸收高频电磁能量，从而降低信号线上的电磁干扰。其次，设备布局也是优化的一个重要方面。控制电路与功率电路间距应≥50mm，高频走线（如PWM信号）长度应当严格控制在10cm以内，避免形成天线效应。一般来说，控制电路和功率电路的电磁特性差异比较大，控制电路通常对电磁干扰较为敏感，而功率电路则可能会产生较强的电磁干扰。通过保持足够的间距，可以减少两者之间的电磁耦合。针对高频走线长度的控制，则可以避免走线过长而形成天线效应，从而减少电磁干扰的辐射和接收。

3结语

综上所述，船舶变频电机驱动系统作为一种高效、节能的电力驱动方式，广泛应用于船舶的推进、舵机、起重机等各类设备中。然而，由于其工作原理和运行环境的特殊性，电磁兼容性问题日益突出。电磁兼容性是指设备或系统在电磁环境中正常运行的能力，以及不对该环境中其他设备产生不可承受的电磁干扰的能力。因此，研究船舶变频电机驱动系统的电磁兼容性问题具有十分重要的理论价值和实际意义。

参考文献

[1]李宁博.基于卷积神经网络的船舶电机轴承异常检测研究[D].辽宁：大连海事大学,2021.

[2]季禹.基于变频电机动力的船舶电站并车实训装置设计[J].南通航运职业技术学院学报,2014,13(03):59-62.

作者简介：周鹏飞，男，1990年出生，汉族，江苏南通人，本科，助理工程师，研究方向：船舶电气