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(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PWM變頻驅(qū)動系統(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)動系統(tǒng)通過功率變換器對電能進(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(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)，對變頻驅(qū)動系統(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，對差模干擾抑制方法進(jìn)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(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)計了不同負(fù)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(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(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(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(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，此時可認(rèn)為逆變橋的差模干擾占主導(dǎo)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(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(fù)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(fù)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。