變頻調速系統電磁干擾主要影響參數

曹海洋， 余志洪

（1.中國礦業大學電氣與動力工程學院，江蘇徐州 221116；2.江蘇省電力傳動與自動控制工程技術研究中心，江蘇徐州 221116）

0 引 言

變頻設備中的開關器件均工作在開通和關斷狀態下，該特性決定了IGBT等開關器件在開通關斷時會帶來較大的功率、電壓和電流并且會在電路里面產生較大電壓跳變以及電流紋波，使電路中電壓，電流包含大量的高次諧波，引起很大的電磁干擾［1-5］。電磁干擾的預測需要在設計階段建立干擾耦合路徑模型，搭建精確的路徑模型需要獲取各個寄生參數的值以及系統整體的特性，這樣需要耗費大量時間和精力［6-10］。本文研究的對象是兆瓦級變頻調速系統，如果全盤考慮系統所有的寄生參數，由此建立的模型將會相當復雜，甚至有可能導致建模失敗。本文基于巨變靈敏度的思想對預測模型進行化簡，刪除對電路干擾影響程度較小的寄生參數支路，極大地簡化了變頻器調速系統預測模型。本文通過實驗，將簡化模型計算出的傳導電磁干擾與實驗結果進行對比，驗證了理論分析和預測模型的準確性。

1 基于高壓探頭三電平變頻器傳導EMI路徑分析

電磁干擾路徑是指噪聲從干擾源到敏感設備之間的流通路徑，傳導干擾分為共模干擾和差模干擾［11-14］，以電壓或電流形式在干擾路徑中流通，由于測試是基于電壓探頭的，故分析干擾路徑時也是基于電壓探頭進行分析，雙三電平調速系統干擾流通路徑如圖1所示，其中功率開關器件產生的d u／d t會在耦合電容中產生共模干擾電流，如圖1中紅色虛線所示，主要在相線／中線-地線之間流動；差模干擾主要由功率開關器件開通關斷過程中產生的d i／d t在系統線路中的寄生電感上感應出很大的差模電壓，形成噪聲發射，在相線間流通，如圖1中藍色虛線所示。

圖1 變頻調速系統傳導電磁干擾路徑

2 基于高壓探頭三電平變頻器傳導EMI模型建立

根據第1節中對傳導電磁干擾路徑的分析，可以得到基于電壓探頭傳導EMI模型如圖2所示。

圖2中的干擾源為載波同相層疊時三電平空間矢量脈寬（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）調制策略下的干擾源模型，載波的頻率設置為2 kHz，調制波的頻率設置為50 Hz，調制度為1。其中：U1為整流側的干擾源；U2為逆變側的干擾源；Lc1、Rc1、Lc2、Rc2分別為變頻器長度為1 m的輸入電纜和長度為10 m的輸出電纜的等效電感和等效電阻；L、Ri、Ci分別為電抗器、其等效損耗電阻和匝間寄生電容；Ls1、Rs1、Ls2、Rs2分別為直流母排的等效寄生電感和電阻；Cig、Cip、Cs、Cc、Cg分別為電抗器、變頻器開關器件IGBT、直流母排、輸出電纜和異步電動機單相繞組的對地寄生電容；Zm1為定子單相繞組的阻抗，Zm1＝(Rω＋jωLω－j/ωCω)//Re//jωLd；C、R、Rb用來模擬電壓探頭測試電路。

圖2 基于高壓探頭的變頻調速系統EMI高頻模型

3 基于巨變靈敏度分析的傳導干擾模型簡化

靈敏度的概念源于電子電路設計領域，經典電路理論給出的參數y對參數x的靈敏度為：

式中：y為電路系統的某項性能指標，比如電路的電壓或電流；x為電路中某個組成元件的參數［15］，如阻抗。由此可見，靈敏度的思想是用偏導數來反映控制對象某個參數改變對系統某項性能參數的影響，這一思路也是適用于傳導EMI研究的。

為方便對寄生參數進行巨變靈敏度分析，對于圖2中元件做適當的修改，將干擾源模型由電壓源U1、U2變為電流源I1、I2與電阻并聯的形式，其中與電流源I1、I2并聯的電阻分別為：R5＝R8＝1Ω。其余元件的對應關系以及仿真參數為：L1＝Lc1＝0.38μH、L2＝L＝0.7 mH、L3＝Ls1＝22.5 nH、L4＝Ls2＝22.5 nH、L5＝Lc2＝3.8μH、R1＝R＝1.45 kΩ、R2＝Rb＝50Ω、R3＝Rc1＝80 mΩ、R4＝Ri＝0.39Ω、R6＝Rs1＝1.7 mΩ、R7＝Rs2＝1.7 mΩ、R9＝Rc2＝0.8 mΩ、C1＝C＝1.25 nF、C2＝Ci＝181 pF、C3＝Cig＝53.85 pF、C4＝Cip＝2.5 nF、C5＝3Cs＝15 nF、C6＝3Cip＝7.5 pF、C7＝Cc＝8 nF、Z0＝Zm1＝ (Rω＋jωLω－j/ωCω)//Re//jωLd、Rw＝10.3Ω、C8＝Cg＝195.8 nF、Lw＝1.66μH、Cw＝8.61 nF、Re＝145Ω、Ld＝0.185 mH、C8＝195.8 nF。修改后得到的傳導干擾預測模型如圖3所示。

圖3 用于靈敏度分析的干擾模型

對圖3所示節點列寫方程為：

將節點電壓方程表示成矩陣形式Y0X0＝W0。其中：

根據圖3可知，干擾電壓即為高壓探頭在電阻R2上的分壓，所以干擾電壓為：

式中，

由式（2）可以看出，系統是7×7階，以寄生電容C3、C4、C5為例，進行靈敏度分析，由節點導納矩陣可以得到接入矩陣P和QT，且Q＝PT，

設C3、C4、C5的變化量為ΔC3、ΔC4、ΔC5。設對角陣為：

則新的系統方程可以表達為：

在式（4）中引入y＝QTX，z＝δQTX可以得到X的表達式。由此得到此時的差模電壓表達式為：

由式（6）可以得到任意元件的靈敏度數值，依據化簡原則進行電路簡化。下面以電容C3為例，分析其對系統產生傳導EMI的影響大小，其靈敏度仿真結果如圖4所示。

圖4 電容C3的巨變靈敏度曲線

圖4（a）中，紅色、藍色、黑色曲線分別為電容C3減小至×10－3、×10－2和10－1倍時的靈敏度曲線，在100～10 MHz之間的靈敏度幅值均沒有超過1 dB。圖4（b）中，紅色、藍色、黑色曲線分別為電容C3增加至103、102和10倍時的靈敏度曲線，可以發現電容C3增大至102倍時，其靈敏度的幅值在1 MHz附近就已經接近5 dB，根據巨變靈敏度簡化原則，可以對電容C3進行開路處理。其余高頻參數的巨變靈敏度曲線可以通過同樣的方法得到，具體情況見表1。

通過以上分析可以得到基于巨變靈敏度分析后的共模干擾簡化電路，如圖5所示。

圖6為當模型中所有參數化簡后的靈敏度曲線，可見，簡化電路的靈敏度絕對值均小于1 dB，說明對模型按上述方法進行簡化沒有較大的影響模型的精度。

圖5 干擾簡化等效電路

表1 干擾模型參數簡化表

圖6 最終簡化電路的靈敏度

4 實 驗

本文的實驗平臺由10／1.14 kV變壓器、電源濾波器、電抗器、兆瓦級雙三電平變頻器、2 MW對托平臺及相關傳導EMI測試設備組成，其中傳導EMI測試設備包括電壓探頭、限幅器和EMI接收機，具體傳導EMI測試的電氣連接如圖7所示。在對傳導干擾進行測量時利用10 kV高壓探頭，并依據國標GB12668.3。其具體放置位置如圖8所示。

實際測得的干擾電壓頻譜與利用基于巨變靈敏度方法得到的最簡模型仿真得到的干擾電壓頻譜如圖9所示。由圖9分析可知，150 kHz～10 MHz內兩者吻合得較好，誤差在5 dB左右；10～30 MHz兩者雖然存在一定誤差，其原因是由近場耦合以及雙重傅里葉理論本身的局限性造成，由此可以說明巨變靈敏度方法可以簡化干擾模型并同時可以保證預測結果的精度。

圖7 傳導EMI測試的電氣連接圖

圖8 高壓探頭測試干擾電壓位置

圖9 預測與實測結果對比

5 結 語

本文通過對兆瓦級雙三電平變頻器進行巨變靈敏度分析可知，濾波器電感、IGBT與散熱器間寄生電容、母排以及出線電纜對地寄生電容等元件對整體電磁干擾有很大影響，而各個元件的寄生電阻對整體電磁干擾影響很小，可以忽略，最終得到頻域簡化模型，該模型在反應干擾耦合路徑上更加直觀，并且通過與實驗對比，驗證了簡化電路的正確性。研究結果對產品電磁兼容特性的優化設計提供了較好的指導。