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(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備，其中控制電路完成對(duì)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(duì)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(duì)于如矢量控制變頻器這種需要大量運(yùn)算的變頻器來說，有時(shí)還需要一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。變頻調(diào)速是通過改變電機(jī)定子繞組供電的頻率來達(dá)到調(diào)速的目的。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控制技術(shù)。

　　目前，國內(nèi)外對(duì)電磁兼容問題非常重視。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，通過金屬導(dǎo)線或其他元器件耦合至被騷擾設(shè)備。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。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，屬于近場范圍，可用集總參數(shù)電路進(jìn)行電磁干擾分析。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。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，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。

　　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。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