PWM逆變器-感應電機驅動系統中接地電流EMI問題的分析

2017-04-12 10:51:11 大云網　點擊量：評論 (0)

核心提示：　　PWM逆變器一感應電機驅動系統中，當IGBT開關高速動作時會產生接地電流通過寄生電路流入接地網。這種尖脈沖電流有著很寬的頻帶和不小的峰值，它可通過接地網絡給系統中的其它設備帶來嚴重的EMI問題

核心提示：　　PWM逆變器一感應電機驅動系統中，當IGBT開關高速動作時會產生接地電流通過寄生電路流入接地網。這種尖脈沖電流有著很寬的頻帶和不小的峰值，它可通過接地網絡給系統中的其它設備帶來嚴重的EMI問題。更

　　PWM逆變器一感應電機驅動系統中，當IGBT開關高速動作時會產生接地電流通過寄生電路流入接地網。這種尖脈沖電流有著很寬的頻帶和不小的峰值，它可通過接地網絡給系統中的其它設備帶來嚴重的EMI問題。更嚴重的是三相橋的兩個橋臂可能幾乎同時動作，這時干擾脈沖的峰值可以是單橋臂動作時的2倍左右。

　　為了更好的抑制EMI，有文章研究了這種噪聲的產生和傳播機理，但大多數的分析是基于利用寄生電路的集中參數電路，所研究的頻率范圍不超過幾MHz.一些改進的方法能夠在高達數十MHz的頻率得到比較滿意的EMI預測，但是都包括復雜的以經驗為主測量的參數和SABER中的器件模型，需要冗長的計算時間。

　　從EMI故障診斷W的角度來看，只研究干擾的頻譜不足以解決全部問題，單個干擾脈沖的強度和寬度等因素都影響干擾的效果，而這些是頻譜圖不能清楚反映出的，所以在電磁兼容問題中還需要具體研究干擾的時域波形。多數文章集中于討論裝置對電網側的EMI發射，很少提及接地電流通過接地面對其他裝置的EMI問題。而且隨著開關元件的動作，主電路的拓撲結構是變化的，這對EMI問題的影響有多大也很少有人研究。本文采用了一種便捷的系統函數法，通過幾次簡單的測試就可比較全面地分析PWM調速系統中接地電流的EMI特性。主要的傳播通道。部分接地電流經過C，2從電機側流出并由Csl返回逆變器，其余的則流入電網側。電機側的接地電流可以用一個如所示的電流探頭測量。

　　逆變器感應電機系統EMI測試示意。2IGBT的開通/關斷波形與接地電流的聯系IGBT的開關特性（這里只關注dv/dO由許多因素決定，如直流母線電壓、負載電流、門極驅動阻抗、結溫、以及電路的寄生阻抗等。

　　本文詳細研究了IGBT開關動作時電壓上升/下降速率（ldv/dd）和負載電流之間的聯系。所示逆變器一個橋臂上的器件電壓和負載電流/的波形如所示，。為了測量方便，逆變器通過一根很短的粗銅線連接到接地面。圖中曲線3所示電壓波形是一個逆變器橋臂的輸出，這是由上管開關動作產生的，曲線1所示電流波形是電機側的接地電流，曲線2所示電流波形是流回逆變器側的接地電流。

　　很明顯，接地電流在IGBT開關動作時產生，Idv/dfl越大，接地電流也越大；絕大部分接地電流從電機側流出并從逆變器側返回，其余部分則流入電網側，接地電流能通過接地網絡耦合對其他裝置產生嚴重干擾。

　　圖中縱坐標電壓為250V/：洛：電流為2A/格：橫坐標時間為500ns/格。

　　IGBT上管開通/關斷動作所弓丨起的接地電流Fig.4Groundingcurrentdueto多，由接地電流所引起的EMI問題主要由IGBT的開通動作決定，因而可以主要考慮IGBT開通時的EMI問題。

　　為了更清楚地認識這一點，兩個同樣工作條件下由IGBT開通（紅線）和關斷（藍線）引起的接地電流波形以及幅頻譜被重新繪制在）中，可以看出IGBT開通時所引起的接地電流EMI問題要嚴重得多。

　?。╞）接地電流頻譜圖S接地電流EMI 2.3EMI傳播通道特性描述中EMI問題的方法，對系統的等效噪聲源以及它的耦合路徑分開來研究，IGBT的電壓、電流被看作是噪聲源，傳播通道被看作是一個線性網絡。本文中，逆變器每個橋臂的電壓被看作是噪聲源，傳播通道被等效為一個兩端口網絡，接地電流是輸出響應。G（幼是二端口網絡系統函數。它的各個分量和頻率關。

　　通過測試某一工況下的和/s波形數據并使用傅立葉變換就能夠得到G（fi））。用相似的方法可以得到接地電流在其它工況的各個頻率分量，再通過傅立葉反變換就可以得到它的時域波形。

　　4拓撲結構變化對傳播通道特性的影響隨著開關元件的動作，三相逆變器主電路的拓撲結構是變化的，當某一相橋臂的上管或下管開關動作時，因為另外兩相橋臂開關管導通和截止，有著3種不同的拓撲結構：2個橋臂上管或者2個橋臂下管或者一個橋臂上管和另一個橋臂下管為導通狀態。再考慮這一相橋臂是上管或者下管的開關動作，一共是6種不同的拓撲結構。

　　以其中一相為例，通過測試與計算，得出一相橋臂上管動作時從一相開關動作引起的電壓到接地電流心的傳播通道系統函數的幅頻特性如所示，下管動作時的傳遞函數與其相同。由圖可見，這幾個函數是基本一致的，這說明這種主電路拓撲結構的改變對本文中所研究的EMI傳播通道特性的影響可以忽略不計。

　　兩上管通兩下管通-…，上下管各傳播通道的幅頻譜特性2.5多個噪聲源共同作用的影響誤動作不僅取決于干擾脈沖的幅度，也取決于它的寬度。但通過頻譜儀測試的干擾強度不能完全反映這些時域信息，這樣往往掩蓋了實際的干擾水平。

　　在1臺三相逆變器中，3個橋臂的輸出電壓可以看作是3個噪聲源，根據三相逆變器的控制策略，IGBT按照一定的規律開通與關斷，在它們的開關動作時激勵接地電流的產生。在某些時候2個不同橋臂的開關動作在時間上會很接近，這時的接地電流就是2個橋臂開關共同作用的結果。

　　雖然用頻譜儀測得的頻譜未見得有太大的差別，但是從時域上來看，產生的干擾電流峰值卻可能顯著變大，極端的情況是2個開關幾乎同時動作，干擾的強度可以接近單橋臂動作的2倍，這時更容易出現電路的誤動作等EMI問題。

　　實際測試的結果如所示，圖中曲線1~曲線3分別是逆變器3個橋臂輸出電壓，曲線4是電機側接地電流。兩個橋臂開關同時動作時，由于疊加，接地電流峰值變大，振蕩時間變長，如（b）中接地電流的峰值幾乎是（a）中峰值的2倍。

　?。╞）兩個橋臂開關同時動作圖中曲線1、2、3縱坐標電壓為250V/格；曲線4縱坐標電流為2.0A/格；橫坐標時間為5叫格兩個噪聲源作用下的接地電流3研究實例在電磁屏蔽室設置了一套5.5kW的驅動系統，輸入端的三相LISN、逆變器和一臺異步電動機都固定在一塊5mm厚的鋁板上，逆變器到電機之間是3條200cm長的連接電纜。

　　通過對各個橋臂IGBT動作時的橋臂電壓和接地電流的測試及利用式（1）計算，可以得到三相傳播通道的系統函數的幅頻特性如所示，其特性類似于帶通，因為三相電路（包括逆變器和感應電動機）是對稱的，三個函數基本一致。

　　三相傳播通道的幅頻譜特性在知道了接地電流EMI傳播通道的特性后，可以很容易地預測不同工作電壓電流條件下的接地電流大小。通過式（1）可以求出接地電流的各個頻率分量，然后通過傅立葉反變換就可以得到它的時域波形。

　　輸入交流電壓為460V負載電流為3A時的接地電流幅頻特性如，時域波形如0所示，測量值和預測值吻合得很好。

　　IGBT開通時的接地電流頻譜4結論地電流可以通過接地網絡的阻抗對外形成千擾。接地電流呈振蕩尖脈沖形狀，它的出現時刻與IGBT開關管電壓跳變的時間對應，電壓跳變越快，接地電流峰值越高。就同一個IGBT而言，開通時Idv/dfl基本與負載電流無關，且比關斷時Idv/drl要大得多，而且關斷時電壓跳變時間隨負載電流的增加而減少。接地電流的最大幅值主要由IGBT的開通決三相PWM逆變器工作時，其主電路的拓撲結構是變化的，但是這種變化對本文中討論的EMI傳播通道的特性基本沒有影響。描述各相傳播通道的系統函數的幅頻特性類似于帶通，而且其取值基本一致。當兩個橋臂的開關同時動作時，各橋臂對外干擾脈沖可能疊加，幅度可能接近單個橋臂開關動作時干擾脈沖的2倍。

　　采用線性的系統函數方法描述三相逆變器主電路各開關元件到接地面之間耦合路徑特性，實踐表明這種方法是有效的，在分析和預測PWM逆變器一感應電機驅動系統對外的千擾問題時，所產生的誤差是可以接受的。

　　以上的分析中，系統的實際非線性被忽略帶來了一定的誤差，而且由于忽略了di/df的作用，在Idv/dfl比較小的時候，預測會帶來比較大的誤差，尤其是分析兩個開關同時動作的情況，進一步的研究還需要考慮山‘/出對接地電流的影響。