PWM變頻驅動(dòng)系統差模干擾分布研究

摘要：PWM變頻器在提高系統性能的同時(shí)，其產(chǎn)生的強烈差模干擾也來(lái)帶了諸多問(wèn)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。而要較好地設計EMI濾波器，就必須先準確掌握系統的干擾分布規律。為此，利用傳導干擾分離網(wǎng)絡(luò )對PWM變頻驅動(dòng)系統的差模干擾分布進(jìn)行研究，分析其干擾分布規律、主要影響因素以及抑制方式，為EMI濾波器設計提供較準確的理論指導。

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

1 引言

PWM變頻驅動(dòng)系統通過(guò)功率變換器對電能進(jìn)行變化和控制，使得系統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(shí)還能提高功率因數和調速性能。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引起熱損耗，可能引起趨膚效應，產(chǎn)生更大的熱量，從而使電機的絕緣性能過(guò)早損耗；產(chǎn)生的高頻共模電壓會(huì )在電機轉軸上感應出較高的軸電壓并形成軸電流，使電機的軸承在短期內損壞，縮短電機使用壽命；同時(shí)強烈的EMI也會(huì )使得變頻器自身的控制系統可靠性降低，故障增加。為解決這些問(wèn)題，國內外很多學(xué)者進(jìn)行了分析研究。這里采用傳導干擾分離網(wǎng)絡(luò )，對變頻驅動(dòng)系統的差模干擾影響因素和分布情況進(jìn)行了研究，最后根據差模干擾基本模型，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(guò)LSN給變頻器供電，變頻器后接三相異步電動(dòng)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L(cháng)ISN、變頻器和電機的接地點(diǎn)，N為變頻器機殼。整個(gè)驅動(dòng)系統包括兩個(gè)電能變換環(huán)節：AC／DC三相不控整流橋和DC／AC三相PWM逆變橋。因此，系統同時(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)驗測試

由文獻可知，影響差模干擾分布的因素有調制比M、輸出電壓和負載電流等參數。為研究影響系統差模干擾分布的主要因素，首先設計了不同負載工況下的實(shí)驗，其中空載狀態(tài)為接在電動(dòng)機后的發(fā)電機無(wú)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(shí)驗可知，網(wǎng)側差模干擾在頻段10～100 kHz，1～10 MHz時(shí)是以-20 dB／dec減小的，在100 kHz～1 MHz之間未出現此斜率是由于250 kHz處更換測試帶寬所引起的。從整體來(lái)看，網(wǎng)側差模干擾在整個(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)驗結果可得：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(lái)看，變頻器輸出電流和電壓以及電動(dòng)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(shí)驗結論可推廣至其他工況。

為了解系統電網(wǎng)側和負載側的差模干擾主導源，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(dòng)機工作狀態(tài)為空載，以及測試位置為電網(wǎng)側和整流橋單獨工作的條件下，對電網(wǎng)側和負載側的差模干擾進(jìn)行了測試，分別得到如圖2所示的實(shí)驗結果。

圖2a為電網(wǎng)側的差模干擾比較?？梢?jiàn)，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(shuō)明此頻段內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(shuō)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(kāi)始逐漸增大到6 dB左右，此時(shí)可認為是整流橋和逆變橋共同作用的結果。隨著(zhù)頻率的上升，在100 kHz～10 MHz，兩者之間的差值繼續增大，最大達到了40 dB，此時(shí)可認為逆變橋的差模干擾占主導地位。通過(guò)圖2a的對比，可得系統電網(wǎng)側差模干擾分布結論：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)生的差模干擾遠大于整流橋的，兩者差值在50 dB以上，所以系統負載側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(shí)電網(wǎng)側與負載側的差模干擾，實(shí)驗結果如圖3所示。

圖中直觀(guān)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；相比而言，負載側的干擾要小得多。這說(shuō)明了直流電容對差模干擾的隔離抑制作用。