PWM變頻驅(qū)動系統(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，其產(chǎn)生的強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EMI濾波器，就必須先準確掌握系統(tǒng)的干擾分布規(guī)律。為此，利用傳導干擾分離網(wǎng)絡(luò)對PWM變頻驅(qū)動系統(tǒng)的差模干擾分布進行研究，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)計提供較準確的理論指導。

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)動系統(tǒng)通過功率變換器對電能進行變化和控制，使得系統(tǒng)的性能指標得到了較大提高，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也十分嚴重，如電機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，從而使電機的絕緣性能過早損耗；產(chǎn)生的高頻共模電壓會在電機轉(zhuǎn)軸上感應(yīng)出較高的軸電壓并形成軸電流，使電機的軸承在短期內(nèi)損壞，縮短電機使用壽命；同時強烈的EMI也會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)外很多學者進行了分析研究。這里采用傳導干擾分離網(wǎng)絡(luò)，對變頻驅(qū)動系統(tǒng)的差模干擾影響因素和分布情況進行了研究，最后根據(jù)差模干擾基本模型，對差模干擾抑制方法進行了初步研究。

2 研究對象

研究對象如圖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機。變頻器前端為不控整流橋，整流輸出接有儲能電容，其后是PWM三相逆變橋。G1，G，G2分別為LISN、變頻器和電機的接地點，N為變頻器機殼。整個驅(qū)動系統(tǒng)包括兩個電能變換環(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)同時存在兩個干擾源，即整流橋干擾源和逆變橋干擾源。

3 實驗測試

由文獻可知，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)計了不同負載工況下的實驗，其中空載狀態(tài)為接在電動機后的發(fā)電機無額定勵磁電流，帶載狀態(tài)為發(fā)電機有額定勵磁電流。由實驗可知，網(wǎng)側(cè)差模干擾在頻段10～100 kHz，1～10 MHz時是以-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。

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

為了解系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)和負載側(cè)的差模干擾主導源，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，電動機工作狀態(tài)為空載，以及測試位置為電網(wǎng)側(cè)和整流橋單獨工作的條件下，對電網(wǎng)側(cè)和負載側(cè)的差模干擾進行了測試，分別得到如圖2所示的實驗結(jié)果。

圖2a為電網(wǎng)側(cè)的差模干擾比較?？梢?，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地位。由文獻分析可知，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，此時可認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，最大達到了40 dB，此時可認為逆變橋的差模干擾占主導地位。通過圖2a的對比，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，中間頻段由整流橋和逆變橋共同主導，高頻由逆變橋主導。

圖2b是負載側(cè)的差模干擾比較，可十分明顯地看出在整個測試頻段上，變頻器產(chǎn)生的差模干擾遠大于整流橋的，兩者差值在50 dB以上，所以系統(tǒng)負載側(cè)的差模干擾主要由逆變橋產(chǎn)生。為驗證中間直流電容對差模干擾的隔離抑制作用，在上述工況條件下，測試了整流橋單獨工作時電網(wǎng)側(cè)與負載側(cè)的差模干擾，實驗結(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，負載側(cè)的干擾要小得多。這說明了直流電容對差模干擾的隔離抑制作用。

為了驗證直流儲能電容對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)，對直流電容兩側(cè)的差模干擾進行了測試，實驗布置如圖4所示，其中1，2為直流電容前端接線點，3，4為后端接線點。

圖5示出實驗測試結(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?？芍?，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，兩者差值達到了-11．1 dBμA。這說明直流電容對差模干擾確實有一定的抑制作用。根據(jù)以上實驗結(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，中間頻段由整流橋和逆變橋共同主導，高頻段由逆變橋主導；②負載側(cè)差模干擾主要由逆變橋產(chǎn)生。

4 模型研究

通過上述實驗現(xiàn)象對比，得出了差模干擾分布的結(jié)論。下面根據(jù)實驗，對差模干擾分布主要影響因素進行了簡要研究。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，以及電機繞組的差模等效阻抗；Cd為整流橋和逆變橋中間的直流儲能電解電容。

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)、負載側(cè)的差模電流；ZCd為Cd阻抗。

由系統(tǒng)各項參數(shù)和式(1)可得系統(tǒng)差模干擾及其分布情況。但在實際系統(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。目前對差模干擾的抑制，一般是加差模電容或差模電感。下面對比分析在電網(wǎng)側(cè)、負載側(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，對整流橋和逆變橋在電網(wǎng)側(cè)差模干擾的影響(Z1不變時電網(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差很多。由圖7b可知，在網(wǎng)側(cè)加電容后，反而會增大u2在電網(wǎng)側(cè)的差模干擾，而加電感則會很好地抑制u2在電網(wǎng)側(cè)的差模干擾。綜合分析，對于網(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，這是因為直流電容阻抗ZCd很小的緣故。

同樣在負載側(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?？芍?，無論是對整流橋的干擾抑制還是對逆變橋的干擾抑制，串聯(lián)電感要比并聯(lián)電容的效果好得多。故對于負載側(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)濟效益等因素。

5 結(jié)論

根據(jù)以上試驗結(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，中間頻段由整流橋和逆變橋共同主導，高頻段由逆變橋主導；②負載側(cè)差模干擾主要由逆變橋產(chǎn)生。