變頻調(diào)速系統(tǒng)電磁干擾主要影響參數(shù)

曹海洋， 余志洪

（1.中國礦業(yè)大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇徐州 221116；2.江蘇省電力傳動(dòng)與自動(dòng)控制工程技術(shù)研究中心，江蘇徐州 221116）

0 引 言

變頻設(shè)備中的開關(guān)器件均工作在開通和關(guān)斷狀態(tài)下，該特性決定了IGBT等開關(guān)器件在開通關(guān)斷時(shí)會(huì)帶來較大的功率、電壓和電流并且會(huì)在電路里面產(chǎn)生較大電壓跳變以及電流紋波，使電路中電壓，電流包含大量的高次諧波，引起很大的電磁干擾［1-5］。電磁干擾的預(yù)測需要在設(shè)計(jì)階段建立干擾耦合路徑模型，搭建精確的路徑模型需要獲取各個(gè)寄生參數(shù)的值以及系統(tǒng)整體的特性，這樣需要耗費(fèi)大量時(shí)間和精力［6-10］。本文研究的對象是兆瓦級變頻調(diào)速系統(tǒng)，如果全盤考慮系統(tǒng)所有的寄生參數(shù)，由此建立的模型將會(huì)相當(dāng)復(fù)雜，甚至有可能導(dǎo)致建模失敗。本文基于巨變靈敏度的思想對預(yù)測模型進(jìn)行化簡，刪除對電路干擾影響程度較小的寄生參數(shù)支路，極大地簡化了變頻器調(diào)速系統(tǒng)預(yù)測模型。本文通過實(shí)驗(yàn)，將簡化模型計(jì)算出的傳導(dǎo)電磁干擾與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了理論分析和預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。

1 基于高壓探頭三電平變頻器傳導(dǎo)EMI路徑分析

電磁干擾路徑是指噪聲從干擾源到敏感設(shè)備之間的流通路徑，傳導(dǎo)干擾分為共模干擾和差模干擾［11-14］，以電壓或電流形式在干擾路徑中流通，由于測試是基于電壓探頭的，故分析干擾路徑時(shí)也是基于電壓探頭進(jìn)行分析，雙三電平調(diào)速系統(tǒng)干擾流通路徑如圖1所示，其中功率開關(guān)器件產(chǎn)生的d u／d t會(huì)在耦合電容中產(chǎn)生共模干擾電流，如圖1中紅色虛線所示，主要在相線／中線-地線之間流動(dòng)；差模干擾主要由功率開關(guān)器件開通關(guān)斷過程中產(chǎn)生的d i／d t在系統(tǒng)線路中的寄生電感上感應(yīng)出很大的差模電壓，形成噪聲發(fā)射，在相線間流通，如圖1中藍(lán)色虛線所示。

圖1 變頻調(diào)速系統(tǒng)傳導(dǎo)電磁干擾路徑

2 基于高壓探頭三電平變頻器傳導(dǎo)EMI模型建立

根據(jù)第1節(jié)中對傳導(dǎo)電磁干擾路徑的分析，可以得到基于電壓探頭傳導(dǎo)EMI模型如圖2所示。

圖2中的干擾源為載波同相層疊時(shí)三電平空間矢量脈寬（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）調(diào)制策略下的干擾源模型，載波的頻率設(shè)置為2 kHz，調(diào)制波的頻率設(shè)置為50 Hz，調(diào)制度為1。其中：U1為整流側(cè)的干擾源；U2為逆變側(cè)的干擾源；Lc1、Rc1、Lc2、Rc2分別為變頻器長度為1 m的輸入電纜和長度為10 m的輸出電纜的等效電感和等效電阻；L、Ri、Ci分別為電抗器、其等效損耗電阻和匝間寄生電容；Ls1、Rs1、Ls2、Rs2分別為直流母排的等效寄生電感和電阻；Cig、Cip、Cs、Cc、Cg分別為電抗器、變頻器開關(guān)器件IGBT、直流母排、輸出電纜和異步電動(dòng)機(jī)單相繞組的對地寄生電容；Zm1為定子單相繞組的阻抗，Zm1＝(Rω＋jωLω－j/ωCω)//Re//jωLd；C、R、Rb用來模擬電壓探頭測試電路。

圖2 基于高壓探頭的變頻調(diào)速系統(tǒng)EMI高頻模型

3 基于巨變靈敏度分析的傳導(dǎo)干擾模型簡化

靈敏度的概念源于電子電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，經(jīng)典電路理論給出的參數(shù)y對參數(shù)x的靈敏度為：

式中：y為電路系統(tǒng)的某項(xiàng)性能指標(biāo)，比如電路的電壓或電流；x為電路中某個(gè)組成元件的參數(shù)［15］，如阻抗。由此可見，靈敏度的思想是用偏導(dǎo)數(shù)來反映控制對象某個(gè)參數(shù)改變對系統(tǒng)某項(xiàng)性能參數(shù)的影響，這一思路也是適用于傳導(dǎo)EMI研究的。

為方便對寄生參數(shù)進(jìn)行巨變靈敏度分析，對于圖2中元件做適當(dāng)?shù)男薷模瑢⒏蓴_源模型由電壓源U1、U2變?yōu)殡娏髟碔1、I2與電阻并聯(lián)的形式，其中與電流源I1、I2并聯(lián)的電阻分別為：R5＝R8＝1Ω。其余元件的對應(yīng)關(guān)系以及仿真參數(shù)為：L1＝Lc1＝0.38μH、L2＝L＝0.7 mH、L3＝Ls1＝22.5 nH、L4＝Ls2＝22.5 nH、L5＝Lc2＝3.8μH、R1＝R＝1.45 kΩ、R2＝Rb＝50Ω、R3＝Rc1＝80 mΩ、R4＝Ri＝0.39Ω、R6＝Rs1＝1.7 mΩ、R7＝Rs2＝1.7 mΩ、R9＝Rc2＝0.8 mΩ、C1＝C＝1.25 nF、C2＝Ci＝181 pF、C3＝Cig＝53.85 pF、C4＝Cip＝2.5 nF、C5＝3Cs＝15 nF、C6＝3Cip＝7.5 pF、C7＝Cc＝8 nF、Z0＝Zm1＝ (Rω＋jωLω－j/ωCω)//Re//jωLd、Rw＝10.3Ω、C8＝Cg＝195.8 nF、Lw＝1.66μH、Cw＝8.61 nF、Re＝145Ω、Ld＝0.185 mH、C8＝195.8 nF。修改后得到的傳導(dǎo)干擾預(yù)測模型如圖3所示。

圖3 用于靈敏度分析的干擾模型

對圖3所示節(jié)點(diǎn)列寫方程為：

將節(jié)點(diǎn)電壓方程表示成矩陣形式Y(jié)0X0＝W0。其中：

根據(jù)圖3可知，干擾電壓即為高壓探頭在電阻R2上的分壓，所以干擾電壓為：

式中，

由式（2）可以看出，系統(tǒng)是7×7階，以寄生電容C3、C4、C5為例，進(jìn)行靈敏度分析，由節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣可以得到接入矩陣P和QT，且Q＝PT，

設(shè)C3、C4、C5的變化量為ΔC3、ΔC4、ΔC5。設(shè)對角陣為：

則新的系統(tǒng)方程可以表達(dá)為：

在式（4）中引入y＝QTX，z＝δQTX可以得到X的表達(dá)式。由此得到此時(shí)的差模電壓表達(dá)式為：

由式（6）可以得到任意元件的靈敏度數(shù)值，依據(jù)化簡原則進(jìn)行電路簡化。下面以電容C3為例，分析其對系統(tǒng)產(chǎn)生傳導(dǎo)EMI的影響大小，其靈敏度仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 電容C3的巨變靈敏度曲線

圖4（a）中，紅色、藍(lán)色、黑色曲線分別為電容C3減小至×10－3、×10－2和10－1倍時(shí)的靈敏度曲線，在100～10 MHz之間的靈敏度幅值均沒有超過1 dB。圖4（b）中，紅色、藍(lán)色、黑色曲線分別為電容C3增加至103、102和10倍時(shí)的靈敏度曲線，可以發(fā)現(xiàn)電容C3增大至102倍時(shí)，其靈敏度的幅值在1 MHz附近就已經(jīng)接近5 dB，根據(jù)巨變靈敏度簡化原則，可以對電容C3進(jìn)行開路處理。其余高頻參數(shù)的巨變靈敏度曲線可以通過同樣的方法得到，具體情況見表1。

通過以上分析可以得到基于巨變靈敏度分析后的共模干擾簡化電路，如圖5所示。

圖6為當(dāng)模型中所有參數(shù)化簡后的靈敏度曲線，可見，簡化電路的靈敏度絕對值均小于1 dB，說明對模型按上述方法進(jìn)行簡化沒有較大的影響模型的精度。

圖5 干擾簡化等效電路

表1 干擾模型參數(shù)簡化表

圖6 最終簡化電路的靈敏度

4 實(shí) 驗(yàn)

本文的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由10／1.14 kV變壓器、電源濾波器、電抗器、兆瓦級雙三電平變頻器、2 MW對托平臺(tái)及相關(guān)傳導(dǎo)EMI測試設(shè)備組成，其中傳導(dǎo)EMI測試設(shè)備包括電壓探頭、限幅器和EMI接收機(jī)，具體傳導(dǎo)EMI測試的電氣連接如圖7所示。在對傳導(dǎo)干擾進(jìn)行測量時(shí)利用10 kV高壓探頭，并依據(jù)國標(biāo)GB12668.3。其具體放置位置如圖8所示。

實(shí)際測得的干擾電壓頻譜與利用基于巨變靈敏度方法得到的最簡模型仿真得到的干擾電壓頻譜如圖9所示。由圖9分析可知，150 kHz～10 MHz內(nèi)兩者吻合得較好，誤差在5 dB左右；10～30 MHz兩者雖然存在一定誤差，其原因是由近場耦合以及雙重傅里葉理論本身的局限性造成，由此可以說明巨變靈敏度方法可以簡化干擾模型并同時(shí)可以保證預(yù)測結(jié)果的精度。

圖7 傳導(dǎo)EMI測試的電氣連接圖

圖8 高壓探頭測試干擾電壓位置

圖9 預(yù)測與實(shí)測結(jié)果對比

5 結(jié) 語

本文通過對兆瓦級雙三電平變頻器進(jìn)行巨變靈敏度分析可知，濾波器電感、IGBT與散熱器間寄生電容、母排以及出線電纜對地寄生電容等元件對整體電磁干擾有很大影響，而各個(gè)元件的寄生電阻對整體電磁干擾影響很小，可以忽略，最終得到頻域簡化模型，該模型在反應(yīng)干擾耦合路徑上更加直觀，并且通過與實(shí)驗(yàn)對比，驗(yàn)證了簡化電路的正確性。研究結(jié)果對產(chǎn)品電磁兼容特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了較好的指導(dǎo)。