PWM变频驱动系统共模干扰研究

王 坤， 李玉生， 王志刚

(海军驻大连426厂军事代表室，辽宁大连 116005)

0 引言

PWM变频驱动系统在广泛应用于工业、农业和军事等各个领域的同时，能通过功率变换器件对电能进行较好的控制，能输出可变的电压、电流波形;同时通过改变电机的定子频率实现可控调速，在提高调速性能的同时，也节约能源。但与之共存的电磁干扰(Electro Magnetic Interference，EMI)问题也日益严重、备受关注，如不能得到较好的解决，就会严重降低系统、设备的运行性能，增加故障，甚至酿成惨剧［1-2］。

为解决这些问题，国内外很多学者进行了分析研究。如英国诺丁汉大学的Ran在Saber软件中建立了时域仿真系统模型，并据此得到了三种主导模式下的简化电路模型［3-4］。以A.L Julian为首的学者从干扰抑制方面入手，根据“电路平衡”原理提出了一种用于消除三相功率变换器输出共模电压的三相四桥臂方案［5］。A Takahashi等人提出一种能完全消除共模电流的有源滤波器，以此来消除PWM电机驱动系统中传导EMI中的共模分量［6］。海军工程大学孟进等人通过对PWM变频驱动系统建立传导干扰的高频模型，以此来分析系统传导干扰［7］。本文采用传导干扰分离网络［8-9］，对变频驱动系统的共模干扰分布规律、影响因素进行了研究，最后根据改进后的干扰基本模型，对共模干扰抑制方法进行了初步探索。

1 研究对象

本文研究对象如图1所示，三相电网通过LISN给变频器供电，变频器后接三相异步电机。G1、G、G2分别为LISN、变频器和电机的接地点，N为变频器机壳接地点。整个驱动系统包括两个电能变换环节:AC-DC三相不控整流桥，DC-AC三相PWM逆变桥。因此，系统同时存在两个干扰源，即整流桥干扰源和逆变桥干扰源。

图1 PWM变频驱动系统

2 干扰分布研究

为研究影响系统共模干扰分布主要因素，首先设计了不同负载工况下的试验，试验工况如表1所示，其中空载是指负载发电机无励磁电流，带载则指发电机有额定励磁电流。测试结果如图2所示。试验数据如表2所示。

表1 试验工况

图2 不同工作状态下，电网侧的共模干扰

表2 部分试验数据

对比表2中数据发现，CM1和CM2在整个频段上都较为接近，同样CM3和CM4也有类似现象，这说明工作状态对共模干扰无明显影响，但从CM1和CM3以及CM2和CM4对比来看，仅在个别点有细微的影响，在整个频段上基本保持一致。这说明工况对共模干扰分布基本无影响。

由于工况不是影响共模干扰的主要因素，故后文的共模试验结论可推广到其他工况。

为了解系统共模干扰主导源，分别在工况1和整流桥单独工作时，对电网侧和负载侧的共模干扰进行了测试，得到如图3～图5所示的试验结果。

图3 变频器和整流桥在电网侧共模干扰

图4 变频器和整流桥在负载侧共模干扰

通过图3可看出，在整个测试频段上，变频器产生的共模干扰比整流器产生的共模干扰大30 dB。这说明相对于逆变器而言，整流器产生的共模干扰可忽略不计，电网侧共模干扰主要由逆变器主导。同样，从图4可看出，负载侧的共模干扰也主要由逆变器主导。图5则直观地展示了电网侧与负载侧的共模干扰，可以看出在整个测试频段上，两侧的共模干扰基本保持一致。

图5 变频器在电网侧与负载侧共模干扰

3 干扰抑制研究

上文通过试验比对，得出了共模干扰分布的结论规律。下面将根据干扰模型，分析共模干扰的主要影响因素。图6是文献［7］提出的共模干扰模型。其中，V3为整流器共模干扰源，V4为逆变桥共模干扰源;L1、L2为直流母排寄生电感;R5、L5为变频器出线电感和电阻;R6、L6为变频器进线电阻和电感;Crp、Cip为变频器对地寄生电容。

图6 共模干扰等效电路

首先来验证模型的正确性:从模型中可看出，若要抑制逆变桥产生的共模干扰，则只需切断负载侧的共模干扰路径，即将图中G2点断开，则电网侧就不会有逆变桥产生的共模干扰了，而只有整流桥产生的共模干扰。对此，将图1中地线GG2断开，分别测试整流桥单独工作和变频器工作时电网侧共模干扰，得到图7的试验结果。

由图7很明显可看出，变频器工作时电网侧的共模干扰明显包含逆变桥的干扰点，且除个别频点外，在整个测试频段上比整流桥的大20 dB以上。这充分说明在地线G-G2断开的情况下，逆变桥的共模干扰还是传导到了电网侧。故，模型不能较好地解释这种特殊情况下的共模干扰路径，为此需要对模型进行改进。

图7 断开G-G2后，电网侧的共模干扰

考虑到变频器对地寄生电容的分散性，结合前面分析，提出图8所示共模干扰模型。其中Z3为电网侧共模干扰等效阻抗，其包含输入线高频电感和电阻，以及LISN共模阻抗。Z4为电网侧共模干扰等效阻抗，其包含输出线上的高频电感和电阻，以及负载电机绕组的共模阻抗。C1为整流桥对地电容，C2为中间直流母线对地电容，C3均逆变桥对地电容。当断开G-G2时，此时逆变桥产生的共模电流就会通过电容C3回到电网侧，能较好的解释图7中的现象。

图8 共模干扰模型

由电路理论可知:

式中:IZ3、IZ4——分别为流过Z3、Z4的共模电流;

ZC1、ZC2、ZC3——电容C1、C2、C3的阻抗;

Z(C1+C2)、Z(C2+C3)——电容C1+C2和C2+C3的阻抗。

故只要知道公式中的各项参数，就可以分析出系统的共模干扰分布。

图9、图10是经过测量计算后，得到的Z4，ZC1阻抗特性曲线。可以看到，低频段ZC1远大于Z3、Z4。由于C1、C2、C3为同一量级，其阻抗可近似相等。故式(1)、式(2)可简化为

图9 寄生电容C1阻抗ZC1

图10 负载阻抗Z4

从式(3)可看出，电网侧与负载侧共模电流相等，即与图6中的现象相吻合。同时，还可看到，Z3、Z4应该是影响共模干扰的主要因素。因此，直接测试负载地线断开的极端情况，即Z4=∞时电网侧的共模干扰电流，测试结果如图11中CM7所示，CM1为系统在工况1下，电网侧的共模干扰电流。

可以很明显地发现，在10 kHz～2 MHz，CM7都要比CM1小，在10 kHz时差值为-20 dB，随着频率的升高，差值逐渐减小，这说明低频时Z4是共模干扰的主要影响因素，但这种影响作用随着频率的升高而逐渐减小。在3.7 MHz后发生了重叠，这说明此时Z4已经对共模干扰无影响了。对于影响范围频段的界定，主要由Z4与ZC1、ZC2、ZC3之间的相对大小决定。

图11 电网侧共模干扰CM1、CM7

同样可用类似的方法验证Z3在低频也是影响共模干扰的主要因素。通过上述模型分析，可以得出在低频段，影响共模干扰分布的主要因素是阻抗Z3、Z4。

Z3、Z4是影响共模干扰分布的主要因素，则分别比较在电网侧和负载侧加共模电感和共模电容，对干扰抑制的效果。同样，假设在电网侧串联电感，使Z3增大为Z3+20 dB;并联电容使Z3为Z3-20 dB;负载侧串联电感，使Z4增为Z4+20 dB，并联电容使Z4为Z4-20 dB。图12、图13是通过式(1)、式(2)计算得出Z3、Z4变化时的共模干扰变化曲线。

图12 改变阻抗Z3后，U3、U4在电网侧共模干扰

图13 改变阻抗Z4，U3、U4在负载侧共模干扰

从图12可看出，在1.5～6 MHz上加共模电感比加电容的抑制效果要好，而在其他频段加电容的效果要比加电感的效果好;通过图13可知，尽管在10～50 kHz上，并联电容对U3的抑制效果要好于串联电感，结合U4远大于U3的实际情况，从整体来看，在负载侧加电感的效果要比加电容的效果好。

4 结语

对于PWM变频驱动系统中的EMI研究，是一个十分重要的课题。但目前的大多数研究局限于仿真分析，考虑因素不够全面，条件不够实际。本文通过对实际系统进行试验对比分析，并结合干扰模型，对干扰抑制措施进行理论分析研究，得到如下结论:(1)系统电网侧与负载侧的共模干扰均主要由逆变器产生，且两侧的共模干扰基本一致;(2)对于电网侧的共模干扰抑制，在低频段并联共模电容要比串联共模电感效果要好一些;对于负载侧的共模干扰抑制，则串联共模电感的效果要好。

［1］肖芳，孙力，孙亚秀.PWM电机驱动系统中共模电压和轴电压的抑制［J］.电机与控制学报，2009，13(3):402-407.

［2］徐德鸿，马皓.电力电子技术［M］.北京:科学出版社，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］孙力，肖芳.变频器的电磁兼容与电磁干扰抑制［J］.电力电子，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］孟进，马伟明，张磊，等.PWM变频驱动系统传导干扰的高频模型［J］.中国电机工程学报，2008，28(15):141-146.

［8］王坤，张磊，张向明，等.基于传输线变压器的传导干扰分离网络［J］.电测与仪表，2010，47(11):63-67.

［9］王坤，张磊，胡安琪，等.传导电磁干扰三相 CM/DM 分离网络研究［J］.电力电子技术，2011，45(3):76-78.