整流—逆變系統(tǒng)共模電磁干擾分析

楊廣德，蘇利捷，魏兆博

（蘭州交通大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，交流傳動技術(shù)在船舶推進系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，船舶電力推進系統(tǒng)以其優(yōu)良的性能成為目前最具發(fā)展前景的船舶推進方式。大量高頻功率器件的投入使用，使得系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)等性能得到了很好的提高，但同時帶來了嚴(yán)重的電磁干擾問題，使船舶電力推進系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用受到了限制［1］。對電力推進系統(tǒng)而言，共模電磁干擾是傳導(dǎo)EMI的主要組成部分，主要來源于系統(tǒng)的變頻驅(qū)動部分，而且還會引起功率器件的輻射干擾［2-3］。因此，很有必要對電力推進系統(tǒng)中的整流—逆變系統(tǒng)共模電磁干擾進行預(yù)測分析，從而為后期消除和抑制干擾提供指導(dǎo)。

現(xiàn)有文獻對變頻驅(qū)動系統(tǒng)共模傳導(dǎo)電磁干擾研究很多［4-6］，但這些文獻僅考慮了整流系統(tǒng)［7］或逆變系統(tǒng)［8-9］的共模干擾，并沒有將這兩者有效結(jié)合起來進行分析。整流—逆變系統(tǒng)包含整流和逆變2 個環(huán)節(jié)，目前對整流—逆變系統(tǒng)中驅(qū)動變頻裝置的EMI 研究還缺少完整性，這對模型以及研究方法的實用性造成了很大的阻礙。

本文對整流—逆變系統(tǒng)中的共模干擾產(chǎn)生機理、干擾源以及干擾傳播途徑進行了分析，在分析單相逆變器的基礎(chǔ)上，得到了用等效電路模型來研究整流—逆變系統(tǒng)共模EMI的方法，并預(yù)測出了共模干擾的頻譜，預(yù)測結(jié)果和實驗結(jié)果驗證了本文結(jié)論的正確性和有效性。

1 系統(tǒng)構(gòu)建與共模EMI測試

整流—逆變系統(tǒng)的共模干擾電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，整流環(huán)節(jié)為不可控整流器，輸出接有一個儲能電容，逆變環(huán)節(jié)為三相逆變器，為電動機供電。整流器與逆變器的開關(guān)器件高頻動作，都會使橋臂中點對參考地形成巨大的dv/dt 以及高頻寄生電容，該跳變電壓不斷對寄生電容進行充放電，從而形成共模電流?？梢钥闯鱿到y(tǒng)中存在2個非線性環(huán)節(jié)，因此存在2個共模干擾源。

圖1 整流—逆變—電動機系統(tǒng)Fig.1 The rectifier inverter and motor system

系統(tǒng)中的共模干擾通過阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）來測量，傳導(dǎo)EMI 測試就是通過測量LISN上50 Ω電阻兩端的噪聲電壓獲得。LISN的電路圖如圖2所示，主要有2個作用：

1）在10 kHz～30 MHz 頻段內(nèi)為相線與地線之間以及中性線與地線之間提供50 Ω的恒定阻抗，為傳導(dǎo)干擾提供通道；

2）阻止來自電源的傳導(dǎo)干擾對待測設(shè)備的影響。

圖2 LISN簡化電路圖Fig.2 The simplified circuit diagram of LISN

2 系統(tǒng)共模EMI建模分析

圖3為單相全橋逆變器單橋臂工作時的共模電流通路，其共模干擾等效電路如圖4a 所示，再根據(jù)戴維南等效定理對電路進行簡化，得到圖4b所示的二階RLC等效電路。

圖3 單相逆變器單橋臂工作時共模電流通路Fig.3 Single phase inverter single bridge arm work common mode current path

圖4 a 中，Lcm為散熱器與穿芯電容接地之間連接線的等效電感，Cn為電解電容之后的直流母線正負極對參考地的等效寄生電容，Lcab和Rin分別為從穿芯電容到直流電容的等效電感和等效電阻，V1為該橋臂上管的端電壓。圖4b 中，C＝Cp+Cn；E＝V1Cp/（Cp+Cn）；L＝Lcab/2+Lcm。

圖4 逆變器單橋臂工作時共模電流等效電路Fig.4 Common mode current equivalent circuit of inverter working in single bridge arm

2.1 整流器產(chǎn)生的共模干擾

基于以上研究結(jié)論，以圖5 所示的三相不可控整流器為例，采用同樣的方法進行分析。

圖5 三相整流器共模干擾源Fig.5 The common mode interference source of three-phase rectifier

由于整流器輸出端接有電容，直流側(cè)存在電流斷續(xù)現(xiàn)象，分析時將直流側(cè)等效中點O作為共模電流側(cè)參考點，用電流源表示整流器的共模干擾源，以a，b相導(dǎo)通為例，得到以下電路方程：

因此可得

此時整流器可以用諾頓等效電路來代替，如圖6所示。電流源icom為整流器交流側(cè)中點與直流側(cè)等效中點之間的短路電流，Zcm為整流器的共模阻抗，Zcm=ZLISN/2+ZL/2，ZLISN是LISN的對地阻抗，ZL是輸入電纜電感Lc1及電源內(nèi)電感Ls的阻抗。

圖6 整流器產(chǎn)生的共模干擾Fig.6 Common mode interference generated by the rectifier

由圖6可得整流器產(chǎn)生的共模干擾為

式中：Zcm2為逆變器側(cè)的阻抗。

2.2 逆變器產(chǎn)生的共模干擾

用共模干擾源代替逆變器，可以得到如圖7所示的干擾等效電路。

圖7 逆變器產(chǎn)生的共模干擾Fig.7 Common mode interference generated by the inverter

由圖7可得逆變器產(chǎn)生的共模干擾為

其中

2.3 系統(tǒng)的共模干擾

用等效干擾源取代系統(tǒng)中的非線性環(huán)節(jié)，得到系統(tǒng)的等效干擾電路如圖8 所示。圖8 中Ucom1代表整流器，Ucom2代表逆變器，Lc1代表逆變器輸入電纜的寄生電感，Lc2代表逆變器輸出側(cè)電纜的寄生電感，Le1，Le2代表地線電感，Cs代表逆變器散熱片寄生電容，Cm代表電機繞組對機殼的寄生電容，O點為等效中點。

圖8 系統(tǒng)等效共模干擾電路Fig.8 Equivalent common mode interference circuit of the system

在計算出整流器和逆變器產(chǎn)生的共模電流之后，通過簡單的疊加就可以得到系統(tǒng)的總干擾電流。

3 仿真與實驗驗證

為了進一步驗證等效電路模型和理論計算的正確性，對以上共模干擾等效電路進行了仿真和實驗。實驗系統(tǒng)參數(shù)為：輸入線電壓210 V/50 Hz，輸出電壓248 V/50 Hz，輸出電流4 A，逆變器開關(guān)頻率為10 kHz，采用LCR 電橋測量得到Cp=300 pF，Cm=1 200 pF。

利用Matlab 軟件對其產(chǎn)生的共模電流進行了時域仿真，再對其進行FFT 分析，得到共模電流的仿真頻譜，如圖9 ～圖11中虛線所示，實測頻譜如圖9 ～圖11中實線所示。

圖9 整流器的共模電流頻譜Fig.9 The common mode current spectrum of the rectifier

由仿真和實驗頻譜可見，在10 kHz～30 MHz頻段，預(yù)測和實測頻譜在低于3 MHz 比較吻合，這主要是因為電路中存在較多的寄生參數(shù)，同時仿真中開關(guān)器件都采用了理想化模型，并沒有考慮到開關(guān)器件的暫態(tài)特性，也會引起一定誤差。

圖10 逆變器的共模電流頻譜Fig.10 The common mode current spectrum of the inverter

圖11 系統(tǒng)的共模電流頻譜Fig.11 The common mode current spectrum of the system

4 結(jié)論

本文對整流—逆變系統(tǒng)中共模電磁干擾進行了分析，通過與單相逆變器相比較，得到了整流、逆變及系統(tǒng)總的共模干擾等效電路，并進行了理論計算。對于文中提出的等效電路模型和分析方法，進行了仿真和實驗驗證，進一步說明了本文研究方法的有效性，同時得出，在整流—逆變系統(tǒng)中，逆變器是主要的共模干擾源，是系統(tǒng)共模干擾抑制的主要對象。

［1］ 劉勝，張玉廷，李冰.船舶電力推進系統(tǒng)傳導(dǎo)電磁干擾預(yù)測分析［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2012，31（2）：37-42.

［2］ Lee Hyeoun，Dong Sul，Seung Ki.A Common Mode Voltage Reduction in Boost Rectifier/Inverter System by Shifting Active Voltage Vector in a Control Period［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2000，15（6）：1094-1101.

［3］ 黃華高，陳瑋，陳恒林，等.構(gòu)造穩(wěn)定節(jié)點的功率變流器共模干擾抑制技術(shù)［J］.電工電能新技術(shù)，2011，30（2）：18-20.

［4］ Gupta A K，Khambadkone A M.A Space Vector PWM Scheme to Reduce Common Mode Voltage for a Cascaded Multilevel Inverter［C］//IEEE 36th Power Electronics Specialists Conference，2005：1797-1803.

［5］ Julian A L，Oriti G，Lipo T A.Elimination of Common-mode Voltage in Three Phase Sinusoidal Power Converters［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2006，14（5）：982-989.

［6］ 姜艷姝，劉宇，徐殿國.PWM變頻器輸出共模電壓及其抑制技術(shù)研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2005，25（9）：47-53.

［7］ 張磊，馬偉明.三相可控整流橋系統(tǒng)共模干擾研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2005，25（2）：40-43.

［8］ 陳名，孫旭東，黃立培.三相逆變器共模傳導(dǎo)電磁干擾的建模與分析［J］.電工電能新技術(shù)，2012，31（1）：18-21.

［9］ 裴學(xué)軍，康勇，熊健，等.PWM 逆變器共模傳導(dǎo)電磁干擾的預(yù)測［J］.中國電機工程學(xué)報，2004，24（8）：83-88.