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，以實現電機的變速運行的設備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉矩計算的CPU以及一些相應的電路。變頻調速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調速的目的。在現代工業中，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。

　　目前，國內外對電磁兼容問題非常重視。pwm變頻電機驅動系統所產生的電磁干擾也越來越受到人們的重視。為了達到電磁兼容標準的要求，正確的設計、合理的運用抑制手段，使系統emi發射強度減小到emc標準限值以下，使電氣設備和系統實現電磁兼容。

　　2 pwm變頻器的傳導干擾機理

　　所謂傳導耦合是指電磁噪聲的能量在電路中以電壓或電流的形式，通過金屬導線或其他元器件耦合至被騷擾設備。傳導耦合又可以分為直接傳導耦合和公共阻抗傳導耦合。直接傳導耦合是指噪聲直接通過導線、金屬體、電阻、電容、電感和變壓器等實際元器件耦合到被騷擾設備。公共阻抗傳導耦合是指噪聲通過印制板電路和機殼接地線、設備的公共安全接地線以及接地網絡中的共地阻抗產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，產生公共電源阻抗耦合。

　　功率開關器件的開關運行狀態引起系統中各組件間復雜的相互耦合作用就會形成傳導干擾。傳導干擾考慮的最高頻率為30mhz，在真空中相應的電磁波波長λ為10m，因而對于尺寸小于λ/2π的電力電子裝置來講，屬于近場范圍，可用集總參數電路進行電磁干擾分析。可以根據傳導干擾傳播耦合通道的不同將系統輸入/輸出導線上的騷擾區分為共模干擾和差模干擾兩部分，一般認為共模干擾主要是由于系統變流器中的功率半導體開關器件開關動作引起的dv/dt經系統對地雜散電容耦合而傳播，一個極的電壓變化都會通過容性耦合到另一個極產生位移電流。通過寄生電容產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備之間的等效耦合電容。

　　差模干擾則主要是由于功率半導體開關器件開關引起的di/dt經輸入輸出線間的導體傳播。當然，這些只是傳導干擾產生的最本質原因，而不同的電機系統其傳導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化的，并不是絕對分開的。比如圖1所示為共模電流傳輸通道的不平衡造成非本質差模噪聲的電路圖。

　　圖1 非本質差模噪聲產生機理

　　如圖2為pwm變頻驅動電機系統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，為保證開關管工作時不會因過熱而失效，都要對其安裝散熱器，并且為防止短路，開關管的金屬外殼與散熱器之間是通過導熱絕緣介質相隔離的，同時散熱器又是通過機箱接地的，于是，在變頻器與散熱器之間就形成了一個較大的寄生電容。當逆變器正常工作時，隨著每相橋臂上、下開關管的輪流開通，橋臂中點電位會隨之發生準階躍變化。如果從emi角度看該現象，那么三個橋臂所輸出的電壓就是三個emi干擾源，而且每個開關動作時都會對功率開關器件與散熱片之間寄生電容進行充、放電，形成共模emi電流。

　　圖2 pwm變頻驅動電機系統的電磁干擾電流流通路徑圖