變頻器電磁兼容與干擾抑制探討

1 引言

　　變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現電機的變速運行的設備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來(lái)說(shuō)，有時(shí)還需要一個(gè)進(jìn)行轉矩計算的CPU以及一些相應的電路。變頻調速是通過(guò)改變電機定子繞組供電的頻率來(lái)達到調速的目的。在現代工業(yè)中，變頻器的使用越來(lái)越廣泛。目前幾乎所有變頻器都采用pwm控制技術(shù)。

　　目前，國內外對電磁兼容問(wèn)題非常重視。pwm變頻電機驅動(dòng)系統所產(chǎn)生的電磁干擾也越來(lái)越受到人們的重視。為了達到電磁兼容標準的要求，正確的設計、合理的運用抑制手段，使系統emi發(fā)射強度減小到emc標準限值以下，使電氣設備和系統實(shí)現電磁兼容。

　　2 pwm變頻器的傳導干擾機理

　　所謂傳導耦合是指電磁噪聲的能量在電路中以電壓或電流的形式，通過(guò)金屬導線(xiàn)或其他元器件耦合至被騷擾設備。傳導耦合又可以分為直接傳導耦合和公共阻抗傳導耦合。直接傳導耦合是指噪聲直接通過(guò)導線(xiàn)、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備。公共阻抗傳導耦合是指噪聲通過(guò)印制板電路和機殼接地線(xiàn)、設備的公共安全接地線(xiàn)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(guò)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(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)運行狀態(tài)引起系統中各組件間復雜的相互耦合作用就會(huì )形成傳導干擾。傳導干擾考慮的最高頻率為30mhz，在真空中相應的電磁波波長(cháng)λ為10m，因而對于尺寸小于λ/2π的電力電子裝置來(lái)講，屬于近場(chǎng)范圍，可用集總參數電路進(jìn)行電磁干擾分析?？梢愿鶕鲗Ц蓴_傳播耦合通道的不同將系統輸入/輸出導線(xiàn)上的騷擾區分為共模干擾和差模干擾兩部分，一般認為共模干擾主要是由于系統變流器中的功率半導體開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)動(dòng)作引起的dv/dt經(jīng)系統對地雜散電容耦合而傳播，一個(gè)極的電壓變化都會(huì )通過(guò)容性耦合到另一個(gè)極產(chǎn)生位移電流。通過(guò)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(méi)有地。其大小可以表示為：i=cdu/dt ，式中c為電池干擾源和敏感設備之間的等效耦合電容。

　　差模干擾則主要是由于功率半導體開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)引起的di/dt經(jīng)輸入輸出線(xiàn)間的導體傳播。當然，這些只是傳導干擾產(chǎn)生的最本質(zhì)原因，而不同的電機系統其傳導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化的，并不是絕對分開(kāi)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。

　　圖1 非本質(zhì)差模噪聲產(chǎn)生機理

　　如圖2為pwm變頻驅動(dòng)電機系統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(kāi)關(guān)管工作時(shí)不會(huì )因過(guò)熱而失效，都要對其安裝散熱器，并且為防止短路，開(kāi)關(guān)管的金屬外殼與散熱器之間是通過(guò)導熱絕緣介質(zhì)相隔離的，同時(shí)散熱器又是通過(guò)機箱接地的，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。當逆變器正常工作時(shí)，隨著(zhù)每相橋臂上、下開(kāi)關(guān)管的輪流開(kāi)通，橋臂中點(diǎn)電位會(huì )隨之發(fā)生準階躍變化。如果從emi角度看該現象，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(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)都會(huì )對功率開(kāi)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變頻驅動(dòng)電機系統的電磁干擾電流流通路徑圖