變頻器的電磁兼容與電磁干擾抑制
1 引言
隨著變頻器的小型化、多功能化和高性能化,尤其是控制手段的全數字化,變頻器的靈活性和適應性在不斷增強。因此CONTROL ENGINEERING China版權所有,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(pulse width modulation,pwm脈寬調制技術)控制技術。
采用pwm變頻驅動的電機系統通過功率變換器對電能進行變換和控制,電機系統的性能指標得到較大提高。但是由于變頻器中的功率開關器件工作在開關狀態,器件的高速開關動作使得電壓和電流在短時間內發生跳變,這使得電壓、電流均含有豐富的高次諧波,這些諧波的電磁噪聲能量會通過電路連接或電磁波空間耦合形成電磁干擾(electromagnetic interference emi),對電機系統自身和周圍環境產生較大的影響[1-4]。在產生的傳導干擾中,噪聲信號頻率從幾khz到數十mhz,干擾強度可能遠遠超出電磁兼容標準規定的極限值。
于是對變頻器等現代電子、電氣系統的設計者就面臨著一個“如何確保電子、電氣系統在所處的電磁環境中既能達到設計目的,同時又不干擾周邊其它電氣系統正常工作”的新問題,即電子、電氣系統的電磁兼容(electrom
agnetic compatibility,emc)問題。
目前,國際社會對電磁兼容問題非常重視,相繼成立多個組織來制定電磁兼容標準,如國際無線電特別委員會的cispr標準,iec系列標準,歐盟的en系列標準等。在國內,全國無線電干擾委員會、中國電源學會電磁兼容委員會、ieee北京分部電磁兼容分會等許多組織也在從事有關emc方面的工作。我國的國家emc標準也已經制定并開始實施,如國標(gb)、軍標(gjb),所有這些都促進了我國電磁兼容的研究和發展。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
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,通過金屬導線或其他元器件(如電容、電感和變壓器等)耦合至被騷擾設備(電路)。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(電路)。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。為便于分析
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,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[5]。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
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