PWM变频驱动系统差模干扰分布研究

摘要：PWM变频器在提高系统性能的同时，其产生的强烈差模干扰也来带了诸多问题。目前较为常用的干扰抑制措施是加装电磁干扰(EMI)滤波器。而要较好地设计EMI滤波器，就必须先准确掌握系统的干扰分布规律。为此，利用传导干扰分离网络对PWM变频驱动系统的差模干扰分布进行研究，分析其干扰分布规律、主要影响因素以及抑制方式，为EMI滤波器设计提供较准确的理论指导。

关键词：变频器；差模干扰；分布规律；分离网络

1 引言

PWM变频驱动系统通过功率变换器对电能进行变化和控制，使得系统的性能指标得到了较大提高，例如能得到较好的输出电压和电流波形，同时还能提高功率因数和调速性能。但其产生的EMI也十分严重，如电机铁心中形成的涡流效应引起热损耗，可能引起趋肤效应，产生更大的热量，从而使电机的绝缘性能过早损耗；产生的高频共模电压会在电机转轴上感应出较高的轴电压并形成轴电流，使电机的轴承在短期内损坏，缩短电机使用寿命；同时强烈的EMI也会使得变频器自身的控制系统可靠性降低，故障增加。为解决这些问题，国内外很多学者进行了分析研究。这里采用传导干扰分离网络，对变频驱动系统的差模干扰影响因素和分布情况进行了研究，最后根据差模干扰基本模型，对差模干扰抑制方法进行了初步研究。

2 研究对象

研究对象如图1所示，三相电网通过LSN给变频器供电，变频器后接三相异步电动机。变频器前端为不控整流桥，整流输出接有储能电容，其后是PWM三相逆变桥。G1，G，G2分别为LISN、变频器和电机的接地点，N为变频器机壳。整个驱动系统包括两个电能变换环节：AC／DC三相不控整流桥和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。

3 实验测试

由文献可知，影响差模干扰分布的因素有调制比M、输出电压和负载电流等参数。为研究影响系统差模干扰分布的主要因素，首先设计了不同负载工况下的实验，其中空载状态为接在电动机后的发电机无额定励磁电流，带载状态为发电机有额定励磁电流。由实验可知，网侧差模干扰在频段10～100 kHz，1～10 MHz时是以-20 dB／dec减小的，在100 kHz～1 MHz之间未出现此斜率是由于250 kHz处更换测试带宽所引起的。从整体来看，网侧差模干扰在整个测试频段上均以-20 dB／dec斜率下降，也与前文理论分析吻合。

由实验结果可得：尽管带载比空载时差模干扰略微大，但从整个测试频段来看，变频器输出电流和电压以及电动机工作状态的改变，对差模干扰的影响不大，并非主要因素，所以差模实验结论可推广至其他工况。

为了解系统电网侧和负载侧的差模干扰主导源，在工况为输入电压380 V，变频器输出电压100％，变频器输出电流12．8 A，电动机工作状态为空载，以及测试位置为电网侧和整流桥单独工作的条件下，对电网侧和负载侧的差模干扰进行了测试，分别得到如图2所示的实验结果。

图2a为电网侧的差模干扰比较。可见，在10～50 kHz，整流桥与变频器产生的差模干扰基本一致，这可以说明此频段内整流桥差模干扰占主导地位。由文献分析可知，逆变桥差模干扰源要比整流桥差模干扰源大，说明中间直流电容对差模干扰有隔离抑制作用。在50～100 kHz，两者之间的差值开始逐渐增大到6 dB左右，此时可认为是整流桥和逆变桥共同作用的结果。随着频率的上升，在100 kHz～10 MHz，两者之间的差值继续增大，最大达到了40 dB，此时可认为逆变桥的差模干扰占主导地位。通过图2a的对比，可得系统电网侧差模干扰分布结论：低频段由整流桥主导，中间频段由整流桥和逆变桥共同主导，高频由逆变桥主导。

图2b是负载侧的差模干扰比较，可十分明显地看出在整个测试频段上，变频器产生的差模干扰远大于整流桥的，两者差值在50 dB以上，所以系统负载侧的差模干扰主要由逆变桥产生。为验证中间直流电容对差模干扰的隔离抑制作用，在上述工况条件下，测试了整流桥单独工作时电网侧与负载侧的差模干扰，实验结果如图3所示。

图中直观地展示了整流桥差模干扰分布情况，其差模干扰主要集中在电网侧；相比而言，负载侧的干扰要小得多。这说明了直流电容对差模干扰的隔离抑制作用。

为了验证直流储能电容对差模干扰的抑制作用和效果，根据系统工况，制作了分压网络(R=1 kΩ，C=2 nF)，并结合单相干扰分离网络，对直流电容两侧的差模干扰进行了测试，实验布置如图4所示，其中1，2为直流电容前端接线点，3，4为后端接线点。

图5示出实验测试结果。

其中iDM5，iDM6分别为逆变桥输入端和整流桥输出端的差模电流。可知，在1～4 MHz频段上，直流电容前端的差模干扰明显比后端小，f=3 MHz处，iDM5为63．5 dBμA，iDM6为52．4 dBμA，两者差值达到了-11．1 dBμA。这说明直流电容对差模干扰确实有一定的抑制作用。根据以上实验结果，在PWM系统中的差模干扰分布可总结如下：①电网侧差模干扰：低频段由整流桥主导，中间频段由整流桥和逆变桥共同主导，高频段由逆变桥主导；②负载侧差模干扰主要由逆变桥产生。

4 模型研究

通过上述实验现象对比，得出了差模干扰分布的结论。下面根据实验，对差模干扰分布主要影响因素进行了简要研究。图6为系统差模干扰基本模型，其中u1，u2为整流桥和逆变桥的差模干扰源；Z1为电网侧差模阻抗，包含输入线上的高频电感和电阻以及LISN差模阻抗；Z2为负载侧的差模等效阻抗，包含输出线上的高频电感和电阻，以及电机绕组的差模等效阻抗；Cd为整流桥和逆变桥中间的直流储能电解电容。

在EMI分析中，可只考虑其干扰最大的情况，故此处分析不考虑相位信息。由电路原理可得：

式中：iZ1，iZ2为流过电网、负载侧的差模电流；ZCd为Cd阻抗。

由系统各项参数和式(1)可得系统差模干扰及其分布情况。但在实际系统中，ZCd已经很小了，很难改变。故只有从Z1，Z2入手，来抑制差模干扰。目前对差模干扰的抑制，一般是加差模电容或差模电感。下面对比分析在电网侧、负载侧加差模电感和差模电容的效果。

假设加在LISN侧串联电感使得Z1增大为Z1+20 dB，并联电容使得Z1减小为Z1-20 dB。图7为改变Z1后，对整流桥和逆变桥在电网侧差模干扰的影响(Z1不变时电网侧差模干扰为0dB)。

由图7a可知，加电感后u1在电网侧的差模干扰减小了20 dB，而加电容虽然也可以抑制差模干扰，但其效果明显要比加电感时差很多。由图7b可知，在网侧加电容后，反而会增大u2在电网侧的差模干扰，而加电感则会很好地抑制u2在电网侧的差模干扰。综合分析，对于网侧差模干扰的抑制，串联电感比并联电容的效果好，这是因为直流电容阻抗ZCd很小的缘故。

同样在负载侧串联差模电感或并联电容，比较差模干扰变化，结果如图8所示。可知，无论是对整流桥的干扰抑制还是对逆变桥的干扰抑制，串联电感要比并联电容的效果好得多。故对于负载侧的差模干扰抑制，采用串联电感效果比较好。

由上述分析可以得出结论：对于系统的差模干扰抑制，串联差模电感比并联差模电容效果好。但在实际情况中还必须综合考虑电感带来的功率损耗、谐振以及经济效益等因素。

5 结论

根据以上试验结果，在PWM系统中的差模干扰分布可以总结如下：①电网侧差模干扰：低频段由整流桥主导，中间频段由整流桥和逆变桥共同主导，高频段由逆变桥主导；②负载侧差模干扰主要由逆变桥产生。