PWM變頻驅動系統差模干擾分布研究

摘要：PWM變頻器在提高系統性能的同時，其產生的強烈差模干擾也來帶了諸多問題。目前較為常用的干擾抑制措施是加裝電磁干擾(EMI)濾波器。而要較好地設計EMI濾波器，就必須先準確掌握系統的干擾分布規律。為此，利用傳導干擾分離網絡對PWM變頻驅動系統的差模干擾分布進行研究，分析其干擾分布規律、主要影響因素以及抑制方式，為EMI濾波器設計提供較準確的理論指導。

關鍵詞：變頻器；差模干擾；分布規律；分離網絡

1 引言

PWM變頻驅動系統通過功率變換器對電能進行變化和控制，使得系統的性能指標得到了較大提高，例如能得到較好的輸出電壓和電流波形，同時還能提高功率因數和調速性能。但其產生的EMI也十分嚴重，如電機鐵心中形成的渦流效應引起熱損耗，可能引起趨膚效應，產生更大的熱量，從而使電機的絕緣性能過早損耗；產生的高頻共模電壓會在電機轉軸上感應出較高的軸電壓并形成軸電流，使電機的軸承在短期內損壞，縮短電機使用壽命；同時強烈的EMI也會使得變頻器自身的控制系統可靠性降低，故障增加。為解決這些問題，國內外很多學者進行了分析研究。這里采用傳導干擾分離網絡，對變頻驅動系統的差模干擾影響因素和分布情況進行了研究，最后根據差模干擾基本模型，對差模干擾抑制方法進行了初步研究。

2 研究對象

研究對象如圖1所示，三相電網通過LSN給變頻器供電，變頻器后接三相異步電動機。變頻器前端為不控整流橋，整流輸出接有儲能電容，其后是PWM三相逆變橋。G1，G，G2分別為LISN、變頻器和電機的接地點，N為變頻器機殼。整個驅動系統包括兩個電能變換環節：AC／DC三相不控整流橋和DC／AC三相PWM逆變橋。因此，系統同時存在兩個干擾源，即整流橋干擾源和逆變橋干擾源。

3 實驗測試

由文獻可知，影響差模干擾分布的因素有調制比M、輸出電壓和負載電流等參數。為研究影響系統差模干擾分布的主要因素，首先設計了不同負載工況下的實驗，其中空載狀態為接在電動機后的發電機無額定勵磁電流，帶載狀態為發電機有額定勵磁電流。由實驗可知，網側差模干擾在頻段10～100 kHz，1～10 MHz時是以-20 dB／dec減小的，在100 kHz～1 MHz之間未出現此斜率是由于250 kHz處更換測試帶寬所引起的。從整體來看，網側差模干擾在整個測試頻段上均以-20 dB／dec斜率下降，也與前文理論分析吻合。

由實驗結果可得：盡管帶載比空載時差模干擾略微大，但從整個測試頻段來看，變頻器輸出電流和電壓以及電動機工作狀態的改變，對差模干擾的影響不大，并非主要因素，所以差模實驗結論可推廣至其他工況。

為了解系統電網側和負載側的差模干擾主導源，在工況為輸入電壓380 V，變頻器輸出電壓100％，變頻器輸出電流12．8 A，電動機工作狀態為空載，以及測試位置為電網側和整流橋單獨工作的條件下，對電網側和負載側的差模干擾進行了測試，分別得到如圖2所示的實驗結果。

圖2a為電網側的差模干擾比較。可見，在10～50 kHz，整流橋與變頻器產生的差模干擾基本一致，這可以說明此頻段內整流橋差模干擾占主導地位。由文獻分析可知，逆變橋差模干擾源要比整流橋差模干擾源大，說明中間直流電容對差模干擾有隔離抑制作用。在50～100 kHz，兩者之間的差值開始逐漸增大到6 dB左右，此時可認為是整流橋和逆變橋共同作用的結果。隨著頻率的上升，在100 kHz～10 MHz，兩者之間的差值繼續增大，最大達到了40 dB，此時可認為逆變橋的差模干擾占主導地位。通過圖2a的對比，可得系統電網側差模干擾分布結論：低頻段由整流橋主導，中間頻段由整流橋和逆變橋共同主導，高頻由逆變橋主導。

圖2b是負載側的差模干擾比較，可十分明顯地看出在整個測試頻段上，變頻器產生的差模干擾遠大于整流橋的，兩者差值在50 dB以上，所以系統負載側的差模干擾主要由逆變橋產生。為驗證中間直流電容對差模干擾的隔離抑制作用，在上述工況條件下，測試了整流橋單獨工作時電網側與負載側的差模干擾，實驗結果如圖3所示。

圖中直觀地展示了整流橋差模干擾分布情況，其差模干擾主要集中在電網側；相比而言，負載側的干擾要小得多。這說明了直流電容對差模干擾的隔離抑制作用。