大型防爆變頻設備電磁傳導干擾預警分析

任 杰，潘 碩，盧禮兵，劉士全

（中國電子科技集團公司第58 研究所，江蘇 無錫）

引言

井下提升機、煤運傳輸機、挖煤機等大型變頻調速設備，在煤礦挖掘生產現場大量運用，電磁閘開關器件在電源的開啟及關斷過程產生的毛刺分量，并由此傳導的高幅度電磁干擾信號，會引發瓦斯例子的電流激發，成為瓦斯爆炸的罪魁原因。另外，電磁干擾的傳導嚴重影響井下正常通訊設備的運行，嚴重影響人員的通訊及其他作業，導致生產難以進行。因此，對井下設備的電磁干擾研究及預警，然后給出處理措施，對日益增長的煤炭生產運行十分必要。

目前，對變頻驅動系統進行EMI 預測的分析辦法，主要分成污染源信號搜集、污染源傳播方式的驗證以及其他各雜散參數的計算方法上，很少有結合工業現場設備驅動系統的實際運行，利用仿真模型加以分析的做法。除了有高性能的傳導系統的基礎電磁干擾驗證平臺外，兆萬級變頻傳導控制系統EMC 測試平臺還缺少性能優越的信號屏障室、功率采集分析器、濾波器和相應的實驗設備，實驗成本和可以實驗的環境要求很高。因此，由于運行條件的不滿足，在煤礦生產的作業現場中，很少研究高質量阻斷調速設備的引導電磁干擾。

1 電磁干擾機理分析

1.1 大型防爆變頻調速設備電磁干擾機理

本文研究的防爆逆變器的組成部分，包括了整流器和逆變器。三相高壓逆變器的電源供應是由電網拉入，而在整流器柜向逆變器柜，輸出三路直流電纜，包括了上流母線、下流母線和地線。逆變器柜的輸出連接到電機負載。同時，逆變器使用了背靠背電壓雙三級擴展組織，可以應用于高電壓等級、大功率容量的單機系統；這種系統架構具有低諧波分量、高功率因數的性能。

1.2 電壓型變頻器調速系統傳導EMI 原理

電磁干擾從類型上來分，可分為差模干擾和共模干擾。DC 總線和地之間形成回路，這主要是由切換開關與地之間的寄生電容在這期間產生的變化引起了快速充放電，這種效應引起共模干擾。寄生電容存在于直流母線和散熱片等區域[1]。傳導途徑見圖1。

由圖1 可知，傳導途徑有兩條，一種是在變頻器設備的輸入端，干擾傳導通過殼體到地，再由線纜與大地之間的大電容耦合到供電輸入端。另一種是干擾傳導至輸出端，由線纜到電機繞組的電容產生共模干擾。

圖1 變頻器調速設備傳導共模途徑

在電源閘刀的開關過程中，由寄生效應產生差模干擾電流。由于線路中的寄生電感和寄生電容的存在，迅速的電流交換率形成噪聲發射[2]。變頻器速度控制系統的差模干擾路徑見圖2。

圖2 變頻器調速設備差模傳導途徑

2 設備的高頻模型

2.1 閘刀開關模型

現場干擾來源主要有3 部分：高頻PWM電路、整形逆變回路和整形整流回路。主要原因是工業現場快速切換的IGBT 高速開關產生瞬變的電壓和電流，且幅度很大，這些超大的瞬變電壓和電流是EMI 電磁干擾形成的罪魁禍首。在建立設備的EMI 仿真模型時，重點是分析速度控制系統在高頻段的特性。因此，應采用高頻段的模型分析來代替理想型組件，對分析有正確的指引，形成正確的電磁干擾分析[3]。

閘刀開關的閉合和打開的瞬間過程，其工作電路如圖3（a）、（b）所示，Ls為現場的分布電感的集中參數，Rg為現場的等效電阻，Cge是閘刀的寄生電容。

圖3 IGBT 開通暫態及關斷暫態過程

2.2 電纜和異步電機工作模型

現場的設備可以看成是電阻電容電感的組合[4]。下面分別給出電纜和異步電機的高頻模型，圖4 中的R 代表真實電阻阻值，Lpar 代表了電阻的漏感，它與R 是串聯關系，Cpar 代表了寄生電容，它與R 是并聯關系，繞線線圈的匝間及多層繞線之間的總寄生電容等效為Cpar，與電感是并聯關系，它包含等效串聯電阻R 和引出端子的電感Llead。

圖4 電纜的工作架構是由分布電阻Ro與分布電感Lo串聯，電纜對地的寄生電容C0與絕緣電阻Go并聯后，再與電感形成串聯關系。異步電機連接關系較復雜，不再贅述，圖4 中Ld為單相繞組本身的電感，Rt為繞組的材料損耗[5]。

圖4 電纜和單相異步電機工作架構

3 電磁兼容預警模型

LISN 方式的三相電壓變頻器仿真架構：

在電源側添加三相LISN 電路作為傳導干擾測試的設備，通過LISN 電路可以很方便的得到共模干擾電壓和差模干擾電壓，然后通過傅里葉分析就可得到干擾頻譜圖[6]。

PORT 1 連接到電源的正極，PORT 2 連接到要測試的設備，即變頻器，PORT 3 外部連接到溫漂靈敏，誤差最小的50Ω 電阻[7]。

在工業現場中，有很多整流器側閉合電路是由雙解耦來進行控制；逆變器側是由電機的運行速度和電機的電流兩方面控制[8]。理想狀態模擬參數如下：變流器前端的各個參數為R=0.2 Ω，L=8 ml，中間容量C1=C2=8000uf，運用了SVPWM調制模式。在此模型中，電壓設計為1 150 V，直流母線電壓為2 000 V，采樣頻率為3KHZ，電機極對數為2，電機轉速為1 600 r/min[9]。

4 試驗結論及原理

如果額定工作電壓大于1 000 V，或工作電流高于400 A，隔離地或者高阻地的產生，且此時濾波本身性能無法工作。在此種情景當中兩因素受限制，LISN 基礎電路則處于不工作的狀態。此時可選用高耐壓的探頭來替代之前的方案設計。

試驗的待測裝置是一臺2 MW 1 240 V 的兩級防爆防阻燃逆變器。運用到的儀器有：、限流電路裝置、兩組高耐壓探頭、功率放大器、信號屏蔽房間、頻譜分析儀、高壓防護供電設備和高功率電機驅動平臺。IGBT 模塊使用了DD1400E234，控制電路的組織架構是由DSP+FPGA 組成，主控CPU 采用常用的TMS320F28335 DSP。

試驗中運用了Agilent4234A 阻抗分析儀，可以進一步修改去除掉其他頻段分量，保留該頻段分量。通過獲得到的計算方法取得高頻參數：其中主要有電纜上的電阻參數R=0.0223Ω，電感51.5uH，寄生電感28.5uH。電容器的等效電感1.234nH，等效串電阻0.002Ω，單相電機負載等效電阻1.2Ω，等效電感32nH，等效電容23nF，寄生電阻122Ω；采購到的IGBT 型號為DDR1400R234IP6。根據IGBT 相應的說明書，輸出端的容量大小為Cout=0.6nF，Ld=0.23mH，Cg=63nF。

5 結論

準確地對變頻調速系統進行EMI 預測分析是相當困難的工作，預測干擾頻譜的準確度依賴于有效的變頻調速系統、干擾源模型和傳播途徑模型的精確度。大部分文獻主要集中于干擾源的提取和討論傳播路徑的驗證和寄生參數的計算方法，而很少有模擬實際變頻調速系統控制方法結合起來進行分析的。本文所采用的方法對于變頻調速系統的EMI 干擾預測精度的提高有較好的參考意義。

十分準時的預警并清晰得到變頻設備系統的電磁干擾產生的源頭以及電磁干擾帶來的損傷是非常難以實現的。但是本文所提出的模型架構，得到的干擾信號頻譜預測的精度，很好的解決了工業現場的實際遇到問題，能夠很精確的得到現場電磁干擾的來源以及大致判斷出干擾源，并給出預警和合理的解決方案，避免了未知情的干擾給煤炭生產帶來的困阻。因此本文提到的預警模型及其架構具有很好的參考實用價值，可以推廣至現實場景解決很多生產問題。