變頻器的電磁兼容與電磁干擾抑制

　1 引言
　　隨著變頻器的小型化、多功能化和高性能化，尤其是控制手段的全數(shù)字化，變頻器的靈活性和適應(yīng)性在不斷增強(qiáng)。因此CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，在現(xiàn)代工業(yè)中，變頻器的使用越來越廣泛。目前幾乎所有變頻器都采用pwm（pulse width modulation，pwm脈寬調(diào)制技術(shù)）控制技術(shù)。
　　采用pwm變頻驅(qū)動(dòng)的電機(jī)系統(tǒng)通過功率變換器對(duì)電能進(jìn)行變換和控制，電機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)得到較大提高。但是由于變頻器中的功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，器件的高速開關(guān)動(dòng)作使得電壓和電流在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生跳變，這使得電壓、電流均含有豐富的高次諧波，這些諧波的電磁噪聲能量會(huì)通過電路連接或電磁波空間耦合形成電磁干擾(electromagnetic interference emi)，對(duì)電機(jī)系統(tǒng)自身和周圍環(huán)境產(chǎn)生較大的影響[1-4]。在產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾中，噪聲信號(hào)頻率從幾khz到數(shù)十mhz，干擾強(qiáng)度可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限值。
　　于是對(duì)變頻器等現(xiàn)代電子、電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者就面臨著一個(gè)“如何確保電子、電氣系統(tǒng)在所處的電磁環(huán)境中既能達(dá)到設(shè)計(jì)目的，同時(shí)又不干擾周邊其它電氣系統(tǒng)正常工作”的新問題，即電子、電氣系統(tǒng)的電磁兼容(electrom
agnetic compatibility，emc)問題。
　　目前，國(guó)際社會(huì)對(duì)電磁兼容問題非常重視，相繼成立多個(gè)組織來制定電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，如國(guó)際無線電特別委員會(huì)的cispr標(biāo)準(zhǔn)，iec系列標(biāo)準(zhǔn)，歐盟的en系列標(biāo)準(zhǔn)等。在國(guó)內(nèi)，全國(guó)無線電干擾委員會(huì)、中國(guó)電源學(xué)會(huì)電磁兼容委員會(huì)、ieee北京分部電磁兼容分會(huì)等許多組織也在從事有關(guān)emc方面的工作。我國(guó)的國(guó)家emc標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)制定并開始實(shí)施，如國(guó)標(biāo)(gb)、軍標(biāo)(gjb)，所有這些都促進(jìn)了我國(guó)電磁兼容的研究和發(fā)展。pwm變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的電磁干擾也越來越受到人們的重視。為了達(dá)到電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求，正確的設(shè)計(jì)、合理的運(yùn)用抑制手段，使系統(tǒng)emi發(fā)射強(qiáng)度減小到emc標(biāo)準(zhǔn)限值以下，使電氣設(shè)備和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電磁兼容。
　　2 pwm變頻器的傳導(dǎo)干擾機(jī)理
　　所謂傳導(dǎo)耦合是指電磁噪聲的能量在電路中以電壓或電流的形式

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，通過金屬導(dǎo)線或其他元器件（如電容、電感和變壓器等）耦合至被騷擾設(shè)備（電路）。傳導(dǎo)耦合又可以分為直接傳導(dǎo)耦合和公共阻抗傳導(dǎo)耦合。直接傳導(dǎo)耦合是指噪聲直接通過導(dǎo)線、金屬體、電阻、電容、電感和變壓器等實(shí)際元器件耦合到被騷擾設(shè)備（電路）。公共阻抗傳導(dǎo)耦合是指噪聲通過印制板電路和機(jī)殼接地線、設(shè)備的公共安全接地線以及接地網(wǎng)絡(luò)中的共地阻抗產(chǎn)生公共的地阻抗耦合；噪聲通過交流供電電源及直流供電電源的公共電源阻抗時(shí)，產(chǎn)生公共電源阻抗耦合。
　　功率開關(guān)器件的開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)引起系統(tǒng)中各組件間復(fù)雜的相互耦合作用就會(huì)形成傳導(dǎo)干擾。傳導(dǎo)干擾考慮的最高頻率為30mhz，在真空中相應(yīng)的電磁波波長(zhǎng)λ為10m，因而對(duì)于尺寸小于λ/2π的電力電子裝置來講，屬于近場(chǎng)范圍，可用集總參數(shù)電路進(jìn)行電磁干擾分析。為便于分析
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，可以根據(jù)傳導(dǎo)干擾傳播耦合通道的不同將系統(tǒng)輸入/輸出導(dǎo)線上的騷擾區(qū)分為共模干擾和差模干擾兩部分，一般認(rèn)為共模干擾主要是由于系統(tǒng)變流器中的功率半導(dǎo)體開關(guān)器件開關(guān)動(dòng)作引起的dv/dt經(jīng)系統(tǒng)對(duì)地雜散電容耦合而傳播，一個(gè)極的電壓變化都會(huì)通過容性耦合到另一個(gè)極產(chǎn)生位移電流。通過寄生電容產(chǎn)生的電流并不需要直接的電氣連接，甚至可以沒有地[5]。其大小可以表示為：
　　i=cdu/dt
　　式中c為電池干擾源和敏感設(shè)備之間的等效耦合電容。
　　差模干擾則主要是由于功率半導(dǎo)體開關(guān)器件開關(guān)引起的di/dt經(jīng)輸入輸出線間的導(dǎo)體傳播。當(dāng)然，這些只是傳導(dǎo)干擾產(chǎn)生的最本質(zhì)原因，而不同的電機(jī)系統(tǒng)其傳導(dǎo)干擾的具體成因不同，另外，共模干擾和差干騷擾是可以相互轉(zhuǎn)化的[!--empirenews.page--]
，并不是絕對(duì)分開的。比如圖1所示為共模電流傳輸通道的不平衡造成非本質(zhì)差模噪聲的電路圖[6]。

　　圖1 非本質(zhì)差模噪聲產(chǎn)生機(jī)理

　　如圖2為pwm變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的電磁干擾電流流通路徑圖，包括共模干擾和差模干擾。在pwm變頻器中，為保證開關(guān)管工作時(shí)不會(huì)因過熱而失效，都要對(duì)其安裝散熱器，并且為防止短路，開關(guān)管的金屬外殼與散熱器之間是通過導(dǎo)熱絕緣介質(zhì)相隔離的，同時(shí)散熱器又是通過機(jī)箱接地的，于是，在變頻器與散熱器之間就形成了一個(gè)較大的寄生電容[7,8]。當(dāng)逆變器正常工作時(shí)，隨著每相橋臂上、下開關(guān)管的輪流開通，橋臂中點(diǎn)電位會(huì)隨之發(fā)生準(zhǔn)階躍變化。如果從emi角度看該現(xiàn)象，那么三個(gè)橋臂所輸出的電壓就是三個(gè)emi干擾源，而且每個(gè)開關(guān)動(dòng)作時(shí)都會(huì)對(duì)功率開關(guān)器件與散熱片之間寄生電容進(jìn)行充、放電，形成共模emi電流。

　　圖2 pwm變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的電磁干擾電流流通路徑圖

　　3 pwm變頻器傳導(dǎo)干擾的抑制措施
　　由于電磁干擾產(chǎn)生必須具備三要素：電磁干擾源、電磁干擾傳播途徑和敏感設(shè)備，所以對(duì)于抑制pwm變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾也必須從三要素入手，即降低干擾源的強(qiáng)度、切斷傳播途徑和提高敏感設(shè)備的抗擾度。
　　3.1 基于減小干擾源發(fā)射強(qiáng)度的emi抑制技術(shù)
　　從降低干擾源的強(qiáng)度來看，歸納起來有三種具有代表性的方法：改變電路拓?fù)?、改進(jìn)控制策略和優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路。
　?。?）改變電路拓?fù)?
　　改進(jìn)電路拓?fù)涞乃悸分饕峭ㄟ^對(duì)稱結(jié)構(gòu)來消除變換器輸出的共模電壓，并且由于開關(guān)器件上電壓變化率減半而使得裝置輸入側(cè)傳導(dǎo)干擾發(fā)射水平降低。以a.l.julian為首的學(xué)者根據(jù)“電路平衡”原理提出了一種用于消除三相功率變換器輸出共模電壓的三相四橋臂方案[9-11]，其實(shí)驗(yàn)電路見圖3所示。該方法基本思想是采用一個(gè)外加“輔助相”使三相系統(tǒng)電路的對(duì)地電位對(duì)稱，并通過調(diào)整開關(guān)順序，使四橋臂輸出相電壓之和盡可能為零，實(shí)現(xiàn)共模電壓完全為零。與傳統(tǒng)三橋臂功率變換器相比，它的共模emi可以減小約50%。

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　　圖3 帶二階濾波器的三相四橋臂功率變換器

　　m.d.manjrekar和a.rao等學(xué)者提出了一種通過添加輔助零狀態(tài)開關(guān)，以消除因零開關(guān)狀態(tài)而產(chǎn)生共模電壓的方案[12,13]，電路結(jié)構(gòu)見圖4所示。這種輔助零狀態(tài)合成器方法在經(jīng)濟(jì)方面很有
吸引力，并且還可以使消除感應(yīng)電機(jī)側(cè)共模電壓。

　　圖4 輔助零狀態(tài)合成器結(jié)構(gòu)圖

　　與傳統(tǒng)的功率變換相比，盡管三相四橋臂和輔助零狀態(tài)合成器這兩種方法都能夠消除或降低系統(tǒng)的共模電壓，但它們所采用的調(diào)制策略都會(huì)使系統(tǒng)電壓利用率下降。為此，haoran
　　zhang等學(xué)者提出了一種用于消除電機(jī)共模電壓和軸電流的雙橋功率變換器[14-16]，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖5所示。它是通過控制雙橋功率變換器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的三相雙繞組感應(yīng)電動(dòng)機(jī)平衡激勵(lì)，并通過平衡激勵(lì)(磁系統(tǒng))實(shí)現(xiàn)抵消共模電壓，達(dá)到消除軸電壓、軸電流及充分減小漏電流、emi發(fā)射強(qiáng)度的目的。

　　圖5 雙功率變換器驅(qū)動(dòng)電路

　　為了消除pwm電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共模電流，a.consoli等學(xué)者基于共模電壓補(bǔ)償技術(shù)，提出了一種應(yīng)用于由兩個(gè)或多個(gè)功率變換器組成的多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)公共直流母線共模電流消除技術(shù)[17]，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖6所示。該方法是在兩個(gè)功率變換器做適當(dāng)連接的基礎(chǔ)上，通過控制兩個(gè)變換器狀態(tài)序列而使共模電壓同步變化的新pwm調(diào)制策略。

　　圖6 公共直流母線多電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)共模電壓抑制系統(tǒng)

　?。?）改進(jìn)控制策略
　　由于兩電平pwm調(diào)制策略將不可避免的使功率變換器輸出含有共模電壓，為此一些學(xué)者基于改進(jìn)逆變器控制方式或策略，提出了一些可以消除或減小共模電壓的新調(diào)制策略。如臺(tái)北學(xué)者yen-shi lai所提出的空間矢量調(diào)制技術(shù)(space-vector pwm，svpwm)，該方法是利用矢量狀態(tài)的不同組合會(huì)對(duì)功率變換器輸出共模電壓產(chǎn)生影響的特點(diǎn)，采用兩個(gè)相反方向矢量“回掃”的方法取代了零矢量的作用，以降低系統(tǒng)共模電壓，實(shí)現(xiàn)抑制傳導(dǎo)emi的目的[18,19]。而a.m.de broe等學(xué)者提出了整流側(cè)與逆變側(cè)開關(guān)同步變化的空間矢量調(diào)制方法[20]，它能夠避免產(chǎn)生與直流母線電壓大小相同的共模電壓脈沖；韓國(guó)學(xué)者h(yuǎn)yeoun-dong　lee對(duì)全控型三相整流/逆變器的空間矢量調(diào)制方式進(jìn)行了改動(dòng)[21]，它是依據(jù)非零矢量位置的移動(dòng)會(huì)減小系統(tǒng)輸出共模電壓脈沖數(shù)量和作用時(shí)間這一原理，實(shí)現(xiàn)共模電壓的減小。另外該學(xué)者還提出了通過檢測(cè)整流器濾波電容鉗位中點(diǎn)電位的過零點(diǎn)極性，并選用兩個(gè)不同零矢量的方法。該方法可以將功率變換器輸出的共模電壓降低到傳統(tǒng)svpwm方式的三分之二[22]；再有m.zigliotto等學(xué)者提出了以隨機(jī)開關(guān)頻率調(diào)制(random pulse width modulation，rpwm)方式實(shí)現(xiàn)電磁干擾能量在頻域范圍內(nèi)分布平均化的抑制技術(shù)[23]。[!--empirenews.page--]
　?。?）優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路
　　由于pwm電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生傳導(dǎo)emi的主要原因是功率半導(dǎo)體器件高頻開關(guān)動(dòng)作所引起的dv/dt和di/dt過大，并且它們的大小還直接影響著系統(tǒng)emi的發(fā)射強(qiáng)度，而且對(duì)于常用的開關(guān)器件，其開關(guān)瞬間dv/dt和di/dt的大小受門極驅(qū)動(dòng)脈沖波形和門極雜散電容的影響[24]，因此，如果單純從減小系統(tǒng)emi發(fā)射強(qiáng)度的角度考慮，通過選擇適當(dāng)?shù)碾娐吠負(fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略是可以減小dv/dt和di/dt，實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)emi發(fā)射強(qiáng)度。日本學(xué)者s.takizawa和意大利學(xué)者a.consoli基于此觀點(diǎn)，通過附加驅(qū)動(dòng)電流源的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)門極驅(qū)動(dòng)電流波形的可控，達(dá)到了優(yōu)化emc的目的[25,26]。而vinod john等學(xué)者根據(jù)igbt的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、開關(guān)特性及其所具有的彌勒效應(yīng)提出了一種三級(jí)驅(qū)動(dòng)的思想[27]，并設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的電路。它既能應(yīng)用于分立器件CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，也能應(yīng)用于igbt模塊，而且還適用于軟開關(guān)和硬開關(guān)技術(shù)；另外一種減小dv/dt和di/dt的方法就是增加緩沖吸收
電路。該方法在一定程度上減小了dv/dt和di/dt，對(duì)系統(tǒng)emi具有改善作用，但事實(shí)上它只是消除了器件開關(guān)時(shí)的振蕩現(xiàn)象(毛刺現(xiàn)象)，效果不是很明顯。
　　p.caldeira等學(xué)者依據(jù)軟開關(guān)變換器可以減小功率開關(guān)管通斷時(shí)dv/dt和di/dt的觀點(diǎn)，提出了采用零電壓轉(zhuǎn)換(zvt)的軟開關(guān)變換器應(yīng)該比硬開關(guān)變換器emi性能好的推測(cè)[28]。
　　3.2 基于切斷傳導(dǎo)傳播途徑的emi抑制方法
　　盡管單純從emc角度出發(fā)，降低干擾源對(duì)外發(fā)射電磁干擾強(qiáng)度是能夠減小系統(tǒng)emi，但會(huì)受到開關(guān)損耗增大、抑制幅度有限、控制策略繁雜及電壓利用率降低等不利因素的限制。為此各國(guó)學(xué)者相繼提出了一些用于阻斷emi傳播途徑的emi濾波器結(jié)構(gòu)，并且實(shí)驗(yàn)表明經(jīng)過正確設(shè)計(jì)的濾波器，能夠使系統(tǒng)emi發(fā)射強(qiáng)度減小到emc標(biāo)準(zhǔn)限值以下，這是電氣設(shè)備和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電磁兼容的重要手段。同諧波濾波器一樣，emi濾波器也可以被劃分為無源emi濾波器和有源emi濾波器兩種。[!--empirenews.page--]
　　(1)有源emi濾波器
　　有源濾波器是通過有源電路來消除emi噪聲能量。有源濾波器的具體工作原理是通過檢測(cè)環(huán)節(jié)檢測(cè)到emi電流或電壓
控制工程網(wǎng)版權(quán)所有
，然后將其反向回饋給系統(tǒng)，以
此來抵消系統(tǒng)所產(chǎn)生的emi電流或電壓，達(dá)到消除emi的目的。
　　目前應(yīng)用于pwm電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的有源濾波器主要是用來消除傳導(dǎo)emi中的共模分量[29,30]。比較典型的用于消除共模電流的有源濾波器如圖7所示。它由小型共模電流變壓器和一對(duì)互補(bǔ)的高頻晶體管組成，逆變器開關(guān)動(dòng)作時(shí)，高頻漏電流通過電機(jī)繞組和機(jī)座間的寄生電容經(jīng)地線回到電源側(cè)，共模電流變壓器將共模電流isl
　　檢測(cè)出來，經(jīng)互補(bǔ)晶體管放大產(chǎn)生補(bǔ)償電流il′，如果變壓器變比與晶體管放大倍數(shù)乘積足夠大，就可消除漏電流il，完全抑制了流入到電源側(cè)的共模電流isl。

　　圖7 用于消除共模電流的有源濾波器

　　傳統(tǒng)的用于消除共模電壓的有源濾波器如圖8所示，文獻(xiàn)[30]將其稱為有源共模噪聲消除器(acc)，acc連接在逆變器的輸出端和三根電纜之間，由共模電壓傳感器、補(bǔ)償電路和共模變壓器組成，acc在逆變器輸出端疊加一個(gè)補(bǔ)償電壓，該補(bǔ)償電壓與pwm逆變器產(chǎn)生的共模電壓極性相反、幅值相等，從而使施加在負(fù)載上的共模電壓被完全消除，也就減小了共模電流和傳導(dǎo)emi。[!--empirenews.page--]

　　圖8 用于消除共模電壓的有源濾波器

　　(2)無源emi濾波
　　無源emi濾波通常是由電阻、電感、電容等元器件組成，目前最為常見的是電源emi濾波器，其結(jié)構(gòu)見圖9所示。由于它只能抑制emi噪聲，而對(duì)pwm電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的其它負(fù)面效應(yīng)無抑制作用，為此各國(guó)學(xué)者又相繼提出了一些兼顧其它功能的無源emi濾波器。如a.v.jouanne等學(xué)者所提出的共模變壓器方案[31]，結(jié)構(gòu)如圖10所示。該方案是從消除電動(dòng)機(jī)側(cè)共模emi電流的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)的，它是在共模扼流圈的基礎(chǔ)上，再在同一磁芯上纏繞一個(gè)終端連接阻尼電阻的第四繞組，以此抑制共模emi電流的振蕩，達(dá)到消除電機(jī)端共模電壓帶來的其它負(fù)面效應(yīng)。

　　圖9 典型三相emi電源濾波器

　　圖10 共模變壓器方案

　　d.a.rendusara等學(xué)者提出了改進(jìn)型二階rlc低通功率變換器輸出濾波器[32,33]，結(jié)構(gòu)見圖11所示。它與原型濾波器相比，其重要區(qū)別就是通過導(dǎo)線把以星型形式連接的阻容電路中性點(diǎn)“n`”與變換器直流母線鉗位中點(diǎn)“m”接在一起。該濾波器的優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)減小電機(jī)側(cè)的傳導(dǎo)差模emi電流和傳導(dǎo)共模emi電流，并且如果參數(shù)設(shè)計(jì)合理，還可以使rf、lf和cf的值很小，而將其安裝在功率變換器機(jī)殼內(nèi)。它可以使電機(jī)端的過電壓、對(duì)地共模emi電流以及軸電壓顯著減小，并且該濾波器的尺寸、損耗以及成本都較低。

　　圖11 改進(jìn)型二階無源低通濾波器

　　4 結(jié)束語(yǔ)
　　變頻器的電磁兼容是近幾十年來伴隨電力電子技術(shù)、電子集成技術(shù)的飛速發(fā)展以及系統(tǒng)容量的不斷增加而日趨嚴(yán)重的問題，隨著國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制執(zhí)行，再加上科研過程中不斷出現(xiàn)新的電磁干擾問題，使得變頻器的電磁兼容問題成為亟待解決的問題。本文從分析pwm變頻器傳導(dǎo)干擾機(jī)理入手，總結(jié)了目前傳導(dǎo)干擾的抑制措施，具有參考意義?？偟膩碚f，變頻器的電磁兼容設(shè)計(jì)還處于初期階段，還需要我們付出長(zhǎng)期不懈的努力。