PWM變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)差模干擾分布研究

摘要：PWM變頻器在提高系統(tǒng)性能的同時(shí)，其產(chǎn)生的強(qiáng)烈差模干擾也來帶了諸多問題。目前較為常用的干擾抑制措施是加裝電磁干擾(EMI)濾波器。而要較好地設(shè)計(jì)EMI濾波器，就必須先準(zhǔn)確掌握系統(tǒng)的干擾分布規(guī)律。為此，利用傳導(dǎo)干擾分離網(wǎng)絡(luò)對(duì)PWM變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的差模干擾分布進(jìn)行研究，分析其干擾分布規(guī)律、主要影響因素以及抑制方式，為EMI濾波器設(shè)計(jì)提供較準(zhǔn)確的理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：變頻器；差模干擾；分布規(guī)律；分離網(wǎng)絡(luò)

1 引言

PWM變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過功率變換器對(duì)電能進(jìn)行變化和控制，使得系統(tǒng)的性能指標(biāo)得到了較大提高，例如能得到較好的輸出電壓和電流波形，同時(shí)還能提高功率因數(shù)和調(diào)速性能。但其產(chǎn)生的EMI也十分嚴(yán)重，如電機(jī)鐵心中形成的渦流效應(yīng)引起熱損耗，可能引起趨膚效應(yīng)，產(chǎn)生更大的熱量，從而使電機(jī)的絕緣性能過早損耗；產(chǎn)生的高頻共模電壓會(huì)在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上感應(yīng)出較高的軸電壓并形成軸電流，使電機(jī)的軸承在短期內(nèi)損壞，縮短電機(jī)使用壽命；同時(shí)強(qiáng)烈的EMI也會(huì)使得變頻器自身的控制系統(tǒng)可靠性降低，故障增加。為解決這些問題，國內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了分析研究。這里采用傳導(dǎo)干擾分離網(wǎng)絡(luò)，對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的差模干擾影響因素和分布情況進(jìn)行了研究，最后根據(jù)差模干擾基本模型，對(duì)差模干擾抑制方法進(jìn)行了初步研究。

2 研究對(duì)象

研究對(duì)象如圖1所示，三相電網(wǎng)通過LSN給變頻器供電，變頻器后接三相異步電動(dòng)機(jī)。變頻器前端為不控整流橋，整流輸出接有儲(chǔ)能電容，其后是PWM三相逆變橋。G1，G，G2分別為LISN、變頻器和電機(jī)的接地點(diǎn)，N為變頻器機(jī)殼。整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括兩個(gè)電能變換環(huán)節(jié)：AC／DC三相不控整流橋和DC／AC三相PWM逆變橋。因此，系統(tǒng)同時(shí)存在兩個(gè)干擾源，即整流橋干擾源和逆變橋干擾源。

3 實(shí)驗(yàn)測試

由文獻(xiàn)可知，影響差模干擾分布的因素有調(diào)制比M、輸出電壓和負(fù)載電流等參數(shù)。為研究影響系統(tǒng)差模干擾分布的主要因素，首先設(shè)計(jì)了不同負(fù)載工況下的實(shí)驗(yàn)，其中空載狀態(tài)為接在電動(dòng)機(jī)后的發(fā)電機(jī)無額定勵(lì)磁電流，帶載狀態(tài)為發(fā)電機(jī)有額定勵(lì)磁電流。由實(shí)驗(yàn)可知，網(wǎng)側(cè)差模干擾在頻段10～100 kHz，1～10 MHz時(shí)是以-20 dB／dec減小的，在100 kHz～1 MHz之間未出現(xiàn)此斜率是由于250 kHz處更換測試帶寬所引起的。從整體來看，網(wǎng)側(cè)差模干擾在整個(gè)測試頻段上均以-20 dB／dec斜率下降，也與前文理論分析吻合。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得：盡管帶載比空載時(shí)差模干擾略微大，但從整個(gè)測試頻段來看，變頻器輸出電流和電壓以及電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的改變，對(duì)差模干擾的影響不大，并非主要因素，所以差模實(shí)驗(yàn)結(jié)論可推廣至其他工況。

為了解系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)的差模干擾主導(dǎo)源，在工況為輸入電壓380 V，變頻器輸出電壓100％，變頻器輸出電流12．8 A，電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)為空載，以及測試位置為電網(wǎng)側(cè)和整流橋單獨(dú)工作的條件下，對(duì)電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)的差模干擾進(jìn)行了測試，分別得到如圖2所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖2a為電網(wǎng)側(cè)的差模干擾比較。可見，在10～50 kHz，整流橋與變頻器產(chǎn)生的差模干擾基本一致，這可以說明此頻段內(nèi)整流橋差模干擾占主導(dǎo)地位。由文獻(xiàn)分析可知，逆變橋差模干擾源要比整流橋差模干擾源大，說明中間直流電容對(duì)差模干擾有隔離抑制作用。在50～100 kHz，兩者之間的差值開始逐漸增大到6 dB左右，此時(shí)可認(rèn)為是整流橋和逆變橋共同作用的結(jié)果。隨著頻率的上升，在100 kHz～10 MHz，兩者之間的差值繼續(xù)增大，最大達(dá)到了40 dB，此時(shí)可認(rèn)為逆變橋的差模干擾占主導(dǎo)地位。通過圖2a的對(duì)比，可得系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)差模干擾分布結(jié)論：低頻段由整流橋主導(dǎo)，中間頻段由整流橋和逆變橋共同主導(dǎo)，高頻由逆變橋主導(dǎo)。

圖2b是負(fù)載側(cè)的差模干擾比較，可十分明顯地看出在整個(gè)測試頻段上，變頻器產(chǎn)生的差模干擾遠(yuǎn)大于整流橋的，兩者差值在50 dB以上，所以系統(tǒng)負(fù)載側(cè)的差模干擾主要由逆變橋產(chǎn)生。為驗(yàn)證中間直流電容對(duì)差模干擾的隔離抑制作用，在上述工況條件下，測試了整流橋單獨(dú)工作時(shí)電網(wǎng)側(cè)與負(fù)載側(cè)的差模干擾，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖中直觀地展示了整流橋差模干擾分布情況，其差模干擾主要集中在電網(wǎng)側(cè)；相比而言，負(fù)載側(cè)的干擾要小得多。這說明了直流電容對(duì)差模干擾的隔離抑制作用。

為了驗(yàn)證直流儲(chǔ)能電容對(duì)差模干擾的抑制作用和效果，根據(jù)系統(tǒng)工況，制作了分壓網(wǎng)絡(luò)(R=1 kΩ，C=2 nF)，并結(jié)合單相干擾分離網(wǎng)絡(luò)，對(duì)直流電容兩側(cè)的差模干擾進(jìn)行了測試，實(shí)驗(yàn)布置如圖4所示，其中1，2為直流電容前端接線點(diǎn)，3，4為后端接線點(diǎn)。

圖5示出實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。

其中iDM5，iDM6分別為逆變橋輸入端和整流橋輸出端的差模電流。可知，在1～4 MHz頻段上，直流電容前端的差模干擾明顯比后端小，f=3 MHz處，iDM5為63．5 dBμA，iDM6為52．4 dBμA，兩者差值達(dá)到了-11．1 dBμA。這說明直流電容對(duì)差模干擾確實(shí)有一定的抑制作用。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在PWM系統(tǒng)中的差模干擾分布可總結(jié)如下：①電網(wǎng)側(cè)差模干擾：低頻段由整流橋主導(dǎo)，中間頻段由整流橋和逆變橋共同主導(dǎo)，高頻段由逆變橋主導(dǎo)；②負(fù)載側(cè)差模干擾主要由逆變橋產(chǎn)生。

4 模型研究

通過上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比，得出了差模干擾分布的結(jié)論。下面根據(jù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)差模干擾分布主要影響因素進(jìn)行了簡要研究。圖6為系統(tǒng)差模干擾基本模型，其中u1，u2為整流橋和逆變橋的差模干擾源；Z1為電網(wǎng)側(cè)差模阻抗，包含輸入線上的高頻電感和電阻以及LISN差模阻抗；Z2為負(fù)載側(cè)的差模等效阻抗，包含輸出線上的高頻電感和電阻，以及電機(jī)繞組的差模等效阻抗；Cd為整流橋和逆變橋中間的直流儲(chǔ)能電解電容。

在EMI分析中，可只考慮其干擾最大的情況，故此處分析不考慮相位信息。由電路原理可得：

式中：iZ1，iZ2為流過電網(wǎng)、負(fù)載側(cè)的差模電流；ZCd為Cd阻抗。

由系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)和式(1)可得系統(tǒng)差模干擾及其分布情況。但在實(shí)際系統(tǒng)中，ZCd已經(jīng)很小了，很難改變。故只有從Z1，Z2入手，來抑制差模干擾。目前對(duì)差模干擾的抑制，一般是加差模電容或差模電感。下面對(duì)比分析在電網(wǎng)側(cè)、負(fù)載側(cè)加差模電感和差模電容的效果。

假設(shè)加在LISN側(cè)串聯(lián)電感使得Z1增大為Z1+20 dB，并聯(lián)電容使得Z1減小為Z1-20 dB。圖7為改變Z1后，對(duì)整流橋和逆變橋在電網(wǎng)側(cè)差模干擾的影響(Z1不變時(shí)電網(wǎng)側(cè)差模干擾為0dB)。

由圖7a可知，加電感后u1在電網(wǎng)側(cè)的差模干擾減小了20 dB，而加電容雖然也可以抑制差模干擾，但其效果明顯要比加電感時(shí)差很多。由圖7b可知，在網(wǎng)側(cè)加電容后，反而會(huì)增大u2在電網(wǎng)側(cè)的差模干擾，而加電感則會(huì)很好地抑制u2在電網(wǎng)側(cè)的差模干擾。綜合分析，對(duì)于網(wǎng)側(cè)差模干擾的抑制，串聯(lián)電感比并聯(lián)電容的效果好，這是因?yàn)橹绷麟娙葑杩筞Cd很小的緣故。

同樣在負(fù)載側(cè)串聯(lián)差模電感或并聯(lián)電容，比較差模干擾變化，結(jié)果如圖8所示。可知，無論是對(duì)整流橋的干擾抑制還是對(duì)逆變橋的干擾抑制，串聯(lián)電感要比并聯(lián)電容的效果好得多。故對(duì)于負(fù)載側(cè)的差模干擾抑制，采用串聯(lián)電感效果比較好。

由上述分析可以得出結(jié)論：對(duì)于系統(tǒng)的差模干擾抑制，串聯(lián)差模電感比并聯(lián)差模電容效果好。但在實(shí)際情況中還必須綜合考慮電感帶來的功率損耗、諧振以及經(jīng)濟(jì)效益等因素。

5 結(jié)論

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，在PWM系統(tǒng)中的差模干擾分布可以總結(jié)如下：①電網(wǎng)側(cè)差模干擾：低頻段由整流橋主導(dǎo)，中間頻段由整流橋和逆變橋共同主導(dǎo)，高頻段由逆變橋主導(dǎo)；②負(fù)載側(cè)差模干擾主要由逆變橋產(chǎn)生。