PWM變頻驅動系統共模干擾研究

王 坤， 李玉生， 王志剛

(海軍駐大連426廠軍事代表室，遼寧大連 116005)

0 引言

PWM變頻驅動系統在廣泛應用于工業、農業和軍事等各個領域的同時，能通過功率變換器件對電能進行較好的控制，能輸出可變的電壓、電流波形;同時通過改變電機的定子頻率實現可控調速，在提高調速性能的同時，也節約能源。但與之共存的電磁干擾(Electro Magnetic Interference，EMI)問題也日益嚴重、備受關注，如不能得到較好的解決，就會嚴重降低系統、設備的運行性能，增加故障，甚至釀成慘劇［1-2］。

為解決這些問題，國內外很多學者進行了分析研究。如英國諾丁漢大學的Ran在Saber軟件中建立了時域仿真系統模型，并據此得到了三種主導模式下的簡化電路模型［3-4］。以A.L Julian為首的學者從干擾抑制方面入手，根據“電路平衡”原理提出了一種用于消除三相功率變換器輸出共模電壓的三相四橋臂方案［5］。A Takahashi等人提出一種能完全消除共模電流的有源濾波器，以此來消除PWM電機驅動系統中傳導EMI中的共模分量［6］。海軍工程大學孟進等人通過對PWM變頻驅動系統建立傳導干擾的高頻模型，以此來分析系統傳導干擾［7］。本文采用傳導干擾分離網絡［8-9］，對變頻驅動系統的共模干擾分布規律、影響因素進行了研究，最后根據改進后的干擾基本模型，對共模干擾抑制方法進行了初步探索。

1 研究對象

本文研究對象如圖1所示，三相電網通過LISN給變頻器供電，變頻器后接三相異步電機。G1、G、G2分別為LISN、變頻器和電機的接地點，N為變頻器機殼接地點。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，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。

圖1 PWM變頻驅動系統

2 干擾分布研究

為研究影響系統共模干擾分布主要因素，首先設計了不同負載工況下的試驗，試驗工況如表1所示，其中空載是指負載發電機無勵磁電流，帶載則指發電機有額定勵磁電流。測試結果如圖2所示。試驗數據如表2所示。

表1 試驗工況

圖2 不同工作狀態下，電網側的共模干擾

表2 部分試驗數據

對比表2中數據發現，CM1和CM2在整個頻段上都較為接近，同樣CM3和CM4也有類似現象，這說明工作狀態對共模干擾無明顯影響，但從CM1和CM3以及CM2和CM4對比來看，僅在個別點有細微的影響，在整個頻段上基本保持一致。這說明工況對共模干擾分布基本無影響。

由于工況不是影響共模干擾的主要因素，故后文的共模試驗結論可推廣到其他工況。

為了解系統共模干擾主導源，分別在工況1和整流橋單獨工作時，對電網側和負載側的共模干擾進行了測試，得到如圖3～圖5所示的試驗結果。

圖3 變頻器和整流橋在電網側共模干擾

圖4 變頻器和整流橋在負載側共模干擾

通過圖3可看出，在整個測試頻段上，變頻器產生的共模干擾比整流器產生的共模干擾大30 dB。這說明相對于逆變器而言，整流器產生的共模干擾可忽略不計，電網側共模干擾主要由逆變器主導。同樣，從圖4可看出，負載側的共模干擾也主要由逆變器主導。圖5則直觀地展示了電網側與負載側的共模干擾，可以看出在整個測試頻段上，兩側的共模干擾基本保持一致。

圖5 變頻器在電網側與負載側共模干擾

3 干擾抑制研究

上文通過試驗比對，得出了共模干擾分布的結論規律。下面將根據干擾模型，分析共模干擾的主要影響因素。圖6是文獻［7］提出的共模干擾模型。其中，V3為整流器共模干擾源，V4為逆變橋共模干擾源;L1、L2為直流母排寄生電感;R5、L5為變頻器出線電感和電阻;R6、L6為變頻器進線電阻和電感;Crp、Cip為變頻器對地寄生電容。

圖6 共模干擾等效電路

首先來驗證模型的正確性:從模型中可看出，若要抑制逆變橋產生的共模干擾，則只需切斷負載側的共模干擾路徑，即將圖中G2點斷開，則電網側就不會有逆變橋產生的共模干擾了，而只有整流橋產生的共模干擾。對此，將圖1中地線GG2斷開，分別測試整流橋單獨工作和變頻器工作時電網側共模干擾，得到圖7的試驗結果。

由圖7很明顯可看出，變頻器工作時電網側的共模干擾明顯包含逆變橋的干擾點，且除個別頻點外，在整個測試頻段上比整流橋的大20 dB以上。這充分說明在地線G-G2斷開的情況下，逆變橋的共模干擾還是傳導到了電網側。故，模型不能較好地解釋這種特殊情況下的共模干擾路徑，為此需要對模型進行改進。

圖7 斷開G-G2后，電網側的共模干擾

考慮到變頻器對地寄生電容的分散性，結合前面分析，提出圖8所示共模干擾模型。其中Z3為電網側共模干擾等效阻抗，其包含輸入線高頻電感和電阻，以及LISN共模阻抗。Z4為電網側共模干擾等效阻抗，其包含輸出線上的高頻電感和電阻，以及負載電機繞組的共模阻抗。C1為整流橋對地電容，C2為中間直流母線對地電容，C3均逆變橋對地電容。當斷開G-G2時，此時逆變橋產生的共模電流就會通過電容C3回到電網側，能較好的解釋圖7中的現象。

圖8 共模干擾模型

由電路理論可知:

式中:IZ3、IZ4——分別為流過Z3、Z4的共模電流;

ZC1、ZC2、ZC3——電容C1、C2、C3的阻抗;

Z(C1+C2)、Z(C2+C3)——電容C1+C2和C2+C3的阻抗。

故只要知道公式中的各項參數，就可以分析出系統的共模干擾分布。

圖9、圖10是經過測量計算后，得到的Z4，ZC1阻抗特性曲線。可以看到，低頻段ZC1遠大于Z3、Z4。由于C1、C2、C3為同一量級，其阻抗可近似相等。故式(1)、式(2)可簡化為

圖9 寄生電容C1阻抗ZC1

圖10 負載阻抗Z4

從式(3)可看出，電網側與負載側共模電流相等，即與圖6中的現象相吻合。同時，還可看到，Z3、Z4應該是影響共模干擾的主要因素。因此，直接測試負載地線斷開的極端情況，即Z4=∞時電網側的共模干擾電流，測試結果如圖11中CM7所示，CM1為系統在工況1下，電網側的共模干擾電流。

可以很明顯地發現，在10 kHz～2 MHz，CM7都要比CM1小，在10 kHz時差值為-20 dB，隨著頻率的升高，差值逐漸減小，這說明低頻時Z4是共模干擾的主要影響因素，但這種影響作用隨著頻率的升高而逐漸減小。在3.7 MHz后發生了重疊，這說明此時Z4已經對共模干擾無影響了。對于影響范圍頻段的界定，主要由Z4與ZC1、ZC2、ZC3之間的相對大小決定。

圖11 電網側共模干擾CM1、CM7

同樣可用類似的方法驗證Z3在低頻也是影響共模干擾的主要因素。通過上述模型分析，可以得出在低頻段，影響共模干擾分布的主要因素是阻抗Z3、Z4。

Z3、Z4是影響共模干擾分布的主要因素，則分別比較在電網側和負載側加共模電感和共模電容，對干擾抑制的效果。同樣，假設在電網側串聯電感，使Z3增大為Z3+20 dB;并聯電容使Z3為Z3-20 dB;負載側串聯電感，使Z4增為Z4+20 dB，并聯電容使Z4為Z4-20 dB。圖12、圖13是通過式(1)、式(2)計算得出Z3、Z4變化時的共模干擾變化曲線。

圖12 改變阻抗Z3后，U3、U4在電網側共模干擾

圖13 改變阻抗Z4，U3、U4在負載側共模干擾

從圖12可看出，在1.5～6 MHz上加共模電感比加電容的抑制效果要好，而在其他頻段加電容的效果要比加電感的效果好;通過圖13可知，盡管在10～50 kHz上，并聯電容對U3的抑制效果要好于串聯電感，結合U4遠大于U3的實際情況，從整體來看，在負載側加電感的效果要比加電容的效果好。

4 結語

對于PWM變頻驅動系統中的EMI研究，是一個十分重要的課題。但目前的大多數研究局限于仿真分析，考慮因素不夠全面，條件不夠實際。本文通過對實際系統進行試驗對比分析，并結合干擾模型，對干擾抑制措施進行理論分析研究，得到如下結論:(1)系統電網側與負載側的共模干擾均主要由逆變器產生，且兩側的共模干擾基本一致;(2)對于電網側的共模干擾抑制，在低頻段并聯共模電容要比串聯共模電感效果要好一些;對于負載側的共模干擾抑制，則串聯共模電感的效果要好。

［1］肖芳，孫力，孫亞秀.PWM電機驅動系統中共模電壓和軸電壓的抑制［J］.電機與控制學報，2009，13(3):402-407.

［2］徐德鴻，馬皓.電力電子技術［M］.北京:科學出版社，2006.

［3］RAN L，CLARE J C，BRADLEY K J，et al.Conducted electromagnetic emissions in induction motor drive systems part 2:frequency domain models［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，1998，13(4):768-776.

［4］孫力，肖芳.變頻器的電磁兼容與電磁干擾抑制［J］.電力電子，2010(1):63-68.

［5］JULIAN A L，LIPO T A，ORBIT G，et al.Elimination of common-mode voltage in three phase sinusoidal power converters［J］.IEEE Transactions on Power E-lectronics，1999，4(15):982-989.

［6］TAKAHSHI A O，KANAZAWA H，HIRUMA A.Active EMI filter for switching noise of high frequency inverters［C］∥Power Conversion Conference-Nagaoka 1997:331-334.

［7］孟進，馬偉明，張磊，等.PWM變頻驅動系統傳導干擾的高頻模型［J］.中國電機工程學報，2008，28(15):141-146.

［8］王坤，張磊，張向明，等.基于傳輸線變壓器的傳導干擾分離網絡［J］.電測與儀表，2010，47(11):63-67.

［9］王坤，張磊，胡安琪，等.傳導電磁干擾三相 CM/DM 分離網絡研究［J］.電力電子技術，2011，45(3):76-78.