風洞變頻調速系統電磁兼容仿真研究

李剛，蓋文，韓杰

（中國空氣動力研究與發展中心設備設計及測試技術研究所，四川 綿陽 621000）

隨著微電子學、電力電子技術、計算機技術、自動控制理論等的不斷發展，變頻調速系統在交通運輸、石油、家用電器、軍事等領域得到廣泛的應用[1]。變頻調速系統具有功率因數高、啟動平穩、調速范圍寬等優點[2-6]。因此，越來越多的連續式風洞采用變頻調速系統驅動風扇或壓縮機，從而實現風洞風速的精確控制。

但是，變頻器調速系統在工作時會對周圍的電磁環境造成一定影響，嚴重時甚至可能造成系統不能正常穩定工作，因此對由變頻調速系統的電磁兼容（electromagnetic compatibility，EMC）研究變得尤為重要［7-9］。風洞中存在大量壓力、溫度、天平等傳感器和高精度測量設備，測量精度高，但是風洞現場傳感器信號弱，壓力和溫度傳感器信號為4～20 mA，而天平傳感器測量信號為mV級，因此傳感器信號容易受到現場的干擾而影響其測量精度。

現在變頻調速系統的EMC問題受到越來越多的關注和研究。文獻[10]通過Matlab和Simplorer聯合仿真，研究了三電平變頻器傳導干擾的仿真和預測。文獻[11]研究了電纜對共模干擾的影響。文獻[12]研究了PMW逆變器共模干擾和抑制方法。目前對三電平變頻器傳導干擾和諧波分析的較多，但是對線纜間串擾、輻射場的研究卻很少，尤其是H橋級聯變頻器的電磁干擾研究則更少。而隨著風洞等大型設備對變頻器功率的需求越來越大，越來越多的特大功率變頻器采用H橋級聯形式。

本文以結冰風洞變頻器調速系統為研究對象，針對風洞靜壓測試中出現的干擾問題，利用ANSYS公司的Electronics Desktop仿真平臺，對結冰風洞變頻調速系統進行電磁兼容仿真，查找影響靜壓測量的干擾因素，為解決風洞靜壓測量干擾問題提供數據和解決措施。

1 系統組成

結冰風洞變頻調速系統由高壓開關柜、大功率變頻器、異步電機、增量編碼器、核心控制PLC、軟啟動器、溫度傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、遠程I/O、伺服驅動器、伺服電機和絕對值編碼器等設備組成。具體組成如圖1所示。

圖1 動力系統組成圖Fig.1 The composition diagram of variable frequency speed control system

變頻器選用西門子羅賓康完美無諧波系列高壓變頻器，型號為PH-10-6.9-6000，采用6個單元串聯，10.0 kV輸入和6.9 kV輸出，額定電流660 A，功率單元開關頻率為600 Hz，輸出相電壓等效開關頻率為7.2 kHz。電機選用東方電機廠型號為BPY6000-12的變頻調速異步電動機，主要技術參數為：12極，額定功率6 000 kW，額定電流625 A，額定電壓6 900 V，額定頻率47.8 Hz，額定轉速475 r/min，功率因數0.83。變頻器和電機進線電纜均選擇兩根并聯的YJV22型3×185 mm2銅芯交聯聚乙烯絕緣鋼帶鎧裝聚氯乙烯護套電力電纜。傳感器信號電纜均選擇2×0.75 mm2雙絞屏蔽電纜。

2 電磁兼容仿真

2.1 仿真原理

仿真原理是：利用ANSYS的電力電子系統仿真工具Simplorer建立移相變壓器和變頻器的電路模型，利用Q3D提取電纜的寄生參數，并代入到Simplorer的電路模型中，開展變頻器傳導干擾仿真。將變頻器輸出接地噪聲作為激勵源，利用Designer軟件實現電纜間串擾的仿真。同時，將變頻器輸出諧波信號作為激勵源，利用HFSS軟件實現空間電磁場的仿真。仿真原理如圖2所示。

圖2 仿真原理圖Fig.2 The principle diagram of simulation

2.2 變頻調速系統諧波仿真

大功率變頻調速系統的動力電纜較長，在高頻情況下電纜的模型比較復雜，通常采用分布電阻R，分布電感L以及分布電容C來建立電纜的高頻模型，并且一般情況下可以認為這些參數沿線路均勻分布[13-14]。在變頻驅動系統傳導干擾建模中，由于IGBT產生的干擾頻率較高，且線纜長度與傳輸信號的波長在同一數量級，此時電機線纜已無法再作為理想傳輸線考慮，需要建立電機線繩的分布參數模型。電機電纜單位長度高頻等效模型如圖3所示。

圖3 電機單位長度電纜高頻等效模型Fig.3 The unit length high-frequency model of motor cable

由于風洞已經投入運行，且從變頻器到電機的電纜距離超過50 m，無法進行對電纜的高頻寄生參數進行精確測試，因此根據風洞地溝動力電纜和信號電纜的布置方式，采用Q3D建立動力電纜和信號電纜模型和網格剖分，電纜模型如圖4所示，網格剖分如圖5所示。

圖4 變頻器調速系統電纜模型Fig.4 The cable model of variable frequency speed control system

圖5 電纜模型網格剖分Fig.5 The mesh of cable model

由于變頻調速系統現場干擾以低頻為主，頻率主要在0.15～30 MHz，因此仿真時，取1 m為單位長度，仿真頻率設置為30 MHz，仿真計算結果如圖6所示。變頻調速系統諧波仿真模型如圖7所示。

圖6 電機線纜的高頻參數仿真結果Fig.6 The high-frequency parameter simulation result of motor cable

圖7 變頻調速系統諧波仿真模型Fig.7 The harmonic simulation model of variable frequency speed control system

通過圖6可以得出各相電芯與屏蔽地之間單位長度的寄生電容值約為51 PF。

如圖7所示，根據變頻調速系統組成，利用Simplorer建立變頻調速系統電路模型，包括移相整流變壓器模型、變頻器整流電路模型、變頻逆變電路模型、電機模型、電纜高頻參數等。

電機的仿真三相負載波形如圖8所示，通過波形可以看出，雖然三相負載接近于正弦，但是波形中存在相當的諧波分量。

圖8 變頻調速系統三相輸出電流仿真波形Fig.8 The output three-phase current simulation waveforms of variable frequency speed control system

為了研究變頻調速系統輸出諧波以及對現場的其他測量設備傳導干擾，對變頻調速系統輸出對地干擾信號的時域和頻域波形進行了仿真，仿真結果如圖9和圖10所示。

圖9 變頻調速系統對地干擾時域波形Fig.9 The time domain waveform of earthing noise from variable frequency speed control system

圖10 變頻調速系統對地干擾頻域波形Fig.10 The spectrum waveform of earthing noise from variable frequency speed control system

通過圖9和圖10的仿真結果可以看出，變頻器調速系統系統對地干擾主要集中在1 kHz～1 MHz之間。

2.3 信號線串擾仿真

將變頻器調速系統輸出相電壓上的諧波作為動力電纜上的噪聲源，利用Designer軟件建立線纜串擾仿真模型，分別對變頻器輸出動力電纜單端接地和兩端接地時，信號電纜上感應的干擾信號進行仿真，仿真模型如圖11所示。

圖11 線纜接地串擾仿真模型Fig.11 Simulation model of cables grounding crosstalk

信號線串擾仿真結果如圖12、圖13所示。通過仿真結果可以看出，變頻器輸出動力電纜雙端接地時，信號線上耦合的干擾信號要遠遠小于動力電纜單端接地時的情況，因此變頻器輸出動力電纜兩端接地能夠有效降低動力電纜對于信號線的干擾。

圖12 動力電纜單端接地時的仿真結果Fig.12 Simulation result of single-end earthed power cable

圖13 動力電纜兩端接地時的仿真結果Fig.13 Simulation result of two-end earthed power cable

2.4 空間輻射仿真

變頻調速系統頻率較低，來自控制柜縫隙的電磁泄露幾乎可以不計，因此系統中輻射的主要載體為線纜，一定長度的線纜在某些頻段可以表現出高強度天線效應，輻射出電磁能量，所以建模主要對象為線纜模型，另外包含線纜溝槽地板模型等關鍵結構。采用三維電磁場仿真工具HFSS建立3D模型，如圖14所示，設置噪聲端口輻射邊界等，采用高精度有限元算法求解變頻調速系統電纜輻射三維空間電磁場特性，仿真結果如圖15所示。

圖14 動力電纜三維空間電磁場仿真模型Fig.14 The three-dimensional electromagnetic field simulation model of power cables

圖15 動力電纜三維空間電磁場仿真結果Fig.15 The three-dimensional electromagnetic field simulation result of power cables

通過仿真結果可以看出，在動力電纜的附近，其30 MHz的電場峰值達到了55.9 dB（μV/m），超過了GB 4824-2013《工業科學和醫療（ISM）射頻設備騷擾特性限值和測量方法》中限值要求，如表1所示。

表1 工業設備輻射發射場強限值Tab.1 Radiation field strength limit of industrial plant

通過對比仿真結果和國家標準可以看出，動力電纜的電磁場輻射強度已經超過了國家標準要求的限值。

3 解決措施及效果

結冰風洞變頻器采用6個功率單元H橋級聯的形式，移相整流變壓器實現36脈整流，因此其電源輸入側諧波很小，且風洞靜壓測量系統與變頻調速系統的采用不同的供電，因此電源側的諧波干擾對靜壓測量的影響很小。

而通過分析仿真數據可以看出，影響靜壓測量系統的電磁干擾耦合途徑可能有：接地、空間輻射以及近場耦合。因此根據仿真結果，對現場進行了電磁兼容整改，主要措施包括：

1）單獨設置現場靜壓測量接地，與變頻器調速系統接地分開；

2）將變頻調速系統的動力電纜采用兩端接地；

3）增加測量系統電纜線槽，線槽可靠接地，將靜壓測量電纜放入線槽，以降低動力電纜的空間輻射對測量電纜的影響。

整改前后的測量結果如圖16所示。通過對比可以看出，整改前靜壓測量受變頻調速系統電磁干擾的影響，其靜壓波動范圍為93.4～95.9 kPa，測量平均值為94.6 kPa，因此可以計算出，整改前靜壓最大測量誤差為1.3%，遠超過靜壓測量0.1%的精度要求；而整改后的靜壓波動范圍為94.65～94.68 kPa，根據計算其測量精度達到了0.08%，滿足靜壓測量精度要求。

圖16 電磁兼容整改前后靜壓測量結果對比Fig.16 The static pressure measurement comparison between the rectified and un-rectified EMC solution

4 結論

針對風洞現場測量系統容易受到變頻調速系統電磁干擾的問題，利用ANSYS Electronics Desktop軟件，通過采用電磁兼容“場-路”協同仿真的方法，對H橋級聯型大功率變頻調速系統的EMI發射、信號線串擾以及空間輻射等電磁兼容問題進行了仿真，為解決靜壓測量電磁干擾問題提供了數據和解決措施，并為風洞大功率變頻調速系統電磁兼容設計提供了數據依據。