整流—逆变系统共模电磁干扰分析
2015-06-10杨广德苏利捷魏兆博
杨广德，苏利捷，魏兆博
（兰州交通大学 自动化与电气工程学院，甘肃 兰州730070）
随着电力电子技术的迅速发展，交流传动技术在船舶推进系统中得到了广泛的应用，船舶电力推进系统以其优良的性能成为目前最具发展前景的船舶推进方式。大量高频功率器件的投入使用，使得系统的动态响应等性能得到了很好的提高，但同时带来了严重的电磁干扰问题，使船舶电力推进系统的发展和应用受到了限制［1］。对电力推进系统而言，共模电磁干扰是传导EMI的主要组成部分，主要来源于系统的变频驱动部分，而且还会引起功率器件的辐射干扰［2-3］。因此，很有必要对电力推进系统中的整流—逆变系统共模电磁干扰进行预测分析，从而为后期消除和抑制干扰提供指导。
现有文献对变频驱动系统共模传导电磁干扰研究很多［4-6］，但这些文献仅考虑了整流系统［7］或逆变系统［8-9］的共模干扰，并没有将这两者有效结合起来进行分析。整流—逆变系统包含整流和逆变2 个环节，目前对整流—逆变系统中驱动变频装置的EMI 研究还缺少完整性，这对模型以及研究方法的实用性造成了很大的阻碍。
本文对整流—逆变系统中的共模干扰产生机理、干扰源以及干扰传播途径进行了分析，在分析单相逆变器的基础上，得到了用等效电路模型来研究整流—逆变系统共模EMI的方法，并预测出了共模干扰的频谱，预测结果和实验结果验证了本文结论的正确性和有效性。
1 系统构建与共模EMI测试
整流—逆变系统的共模干扰电路结构如图1所示，整流环节为不可控整流器，输出接有一个储能电容，逆变环节为三相逆变器，为电动机供电。整流器与逆变器的开关器件高频动作，都会使桥臂中点对参考地形成巨大的dv/dt 以及高频寄生电容，该跳变电压不断对寄生电容进行充放电，从而形成共模电流。可以看出系统中存在2个非线性环节，因此存在2个共模干扰源。
图1 整流—逆变—电动机系统Fig.1 The rectifier inverter and motor system
系统中的共模干扰通过阻抗稳定网络（LISN）来测量，传导EMI 测试就是通过测量LISN上50 Ω电阻两端的噪声电压获得。LISN的电路图如图2所示，主要有2个作用：
1）在10 kHz～30 MHz 频段内为相线与地线之间以及中性线与地线之间提供50 Ω的恒定阻抗，为传导干扰提供通道；
2）阻止来自电源的传导干扰对待测设备的影响。
图2 LISN简化电路图Fig.2 The simplified circuit diagram of LISN
2 系统共模EMI建模分析
图3为单相全桥逆变器单桥臂工作时的共模电流通路，其共模干扰等效电路如图4a 所示，再根据戴维南等效定理对电路进行简化，得到图4b所示的二阶RLC等效电路。
图3 单相逆变器单桥臂工作时共模电流通路Fig.3 Single phase inverter single bridge arm work common mode current path
图4 a 中，Lcm为散热器与穿芯电容接地之间连接线的等效电感，Cn为电解电容之后的直流母线正负极对参考地的等效寄生电容，Lcab和Rin分别为从穿芯电容到直流电容的等效电感和等效电阻，V1为该桥臂上管的端电压。图4b 中，C＝Cp+Cn；E＝V1Cp/（Cp+Cn）；L＝Lcab/2+Lcm。
图4 逆变器单桥臂工作时共模电流等效电路Fig.4 Common mode current equivalent circuit of inverter working in single bridge arm
2.1 整流器产生的共模干扰
基于以上研究结论，以图5 所示的三相不可控整流器为例，采用同样的方法进行分析。
图5 三相整流器共模干扰源Fig.5 The common mode interference source of three-phase rectifier
由于整流器输出端接有电容，直流侧存在电流断续现象，分析时将直流侧等效中点O作为共模电流侧参考点，用电流源表示整流器的共模干扰源，以a，b相导通为例，得到以下电路方程：
因此可得
此时整流器可以用诺顿等效电路来代替，如图6所示。电流源icom为整流器交流侧中点与直流侧等效中点之间的短路电流，Zcm为整流器的共模阻抗，Zcm=ZLISN/2+ZL/2，ZLISN是LISN的对地阻抗，ZL是输入电缆电感Lc1及电源内电感Ls的阻抗。
图6 整流器产生的共模干扰Fig.6 Common mode interference generated by the rectifier
由图6可得整流器产生的共模干扰为
式中：Zcm2为逆变器侧的阻抗。
2.2 逆变器产生的共模干扰
用共模干扰源代替逆变器，可以得到如图7所示的干扰等效电路。
图7 逆变器产生的共模干扰Fig.7 Common mode interference generated by the inverter
由图7可得逆变器产生的共模干扰为
其中
2.3 系统的共模干扰
用等效干扰源取代系统中的非线性环节，得到系统的等效干扰电路如图8 所示。图8 中Ucom1代表整流器，Ucom2代表逆变器，Lc1代表逆变器输入电缆的寄生电感，Lc2代表逆变器输出侧电缆的寄生电感，Le1，Le2代表地线电感，Cs代表逆变器散热片寄生电容，Cm代表电机绕组对机壳的寄生电容，O点为等效中点。
图8 系统等效共模干扰电路Fig.8 Equivalent common mode interference circuit of the system
在计算出整流器和逆变器产生的共模电流之后，通过简单的叠加就可以得到系统的总干扰电流。
3 仿真与实验验证
为了进一步验证等效电路模型和理论计算的正确性，对以上共模干扰等效电路进行了仿真和实验。实验系统参数为：输入线电压210 V/50 Hz，输出电压248 V/50 Hz，输出电流4 A，逆变器开关频率为10 kHz，采用LCR 电桥测量得到Cp=300 pF，Cm=1 200 pF。
利用Matlab 软件对其产生的共模电流进行了时域仿真，再对其进行FFT 分析，得到共模电流的仿真频谱，如图9 ～图11中虚线所示，实测频谱如图9 ～图11中实线所示。
图9 整流器的共模电流频谱Fig.9 The common mode current spectrum of the rectifier
由仿真和实验频谱可见，在10 kHz～30 MHz频段，预测和实测频谱在低于3 MHz 比较吻合，这主要是因为电路中存在较多的寄生参数，同时仿真中开关器件都采用了理想化模型，并没有考虑到开关器件的暂态特性，也会引起一定误差。
图10 逆变器的共模电流频谱Fig.10 The common mode current spectrum of the inverter
图11 系统的共模电流频谱Fig.11 The common mode current spectrum of the system
4 结论
本文对整流—逆变系统中共模电磁干扰进行了分析，通过与单相逆变器相比较，得到了整流、逆变及系统总的共模干扰等效电路，并进行了理论计算。对于文中提出的等效电路模型和分析方法，进行了仿真和实验验证，进一步说明了本文研究方法的有效性，同时得出，在整流—逆变系统中，逆变器是主要的共模干扰源，是系统共模干扰抑制的主要对象。
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