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变频器驱动中的EMC设计-散热器&电机端产生共模回路路径

时间:2018-04-12   访问量:23

变频器驱动中的EMC设计


变频器系统的EMC共模干扰路径


以上,两个等效的共模干扰回路往往是大家最容易忽略的问题,但,同样的变频器的干扰的主要的两个来源。大家必须深刻认识!!!


EMC(Electro-Magnetic Compatibility)是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力,它包括EMI和EMS两部分。EMI(Electro-Magnetic Interference)是电子电器产品工作时对周边外界环境的电磁干扰,EMI包括空间辐射无线干扰和传导有线干扰。EMS (Electro-Magnetic Susceptibility) ,是电子电器产品在一定的电磁环境中工作时其本身对电磁干扰的敏感度。 总结起来EMI就是让产品工作时对外干扰少,EMS是让产品工作时少受外界的干扰。

说起电机变频驱动中的EMC问题,很多人都会觉得这是一个“老大难”的问题,要注意的细节太多了,稍有不注意,调试起来就会相当麻烦。产品开发出来后,首先最担心的就是EMI传导和辐射干扰了,实际设备一测,在限值以下,万幸;如果超了,那就调调共模电感吧,再看看开关电源,调调X电容、Y电容等等;左调调,右调调,好不容易“试”出一套参数满足要求,就这样顺利过关吧,也就不要去仔细追究是什么原因了。至于为什么不要去细究了,因为想究也究不清楚,硬件的问题实际上比软件更加复杂,因为没法模拟,没法仿真,没法计算,就好像一个黑匣子似的。现在市场上能够从理论高度在产品设计阶段就提出预防出现EMC问题的人还是很少的,大多人还是事后诸葛亮,在产品出来后再进行整改。


变频驱动为什么为有EMC问题呢?

产生的共模电流主要可以分为两部分:
(1) 散热器和地之间感生出来的漏电流
(2) 电机端产生的漏电流

目前的变频系统大多都采用脉冲宽度调制(PWM)技术,该技术可以简化逆变器结构、提高调速系统的动态响应性能、降低电动机的谐波损耗、提高电能的利用效率,但它固定的脉冲特性造成了逆变器输出很高的的dv/dt和不平衡的瞬时电压,产生很大的共模电压,从而产生共模电流,并在电动机上耦合出很高的轴电压和轴电流,这不仅威胁到电机系统本身的安全可行性,缩短其使用寿命,还会产生很强的电压干扰(EMI),危及周围设备的可靠运行。其产生原因概括起来如上图所示。

在PWM没有开关动作时,系统处于电气平衡状态,散热器接地良好,那么此时散热器和地之间感生出来的漏电流ih =0, 电机端产生的漏电流in=0,如下图所示:

变频器骚扰源头

一、PWM发生开关动作时,分析散热器和地之间感生出来的漏电流
电力电子器件与散热器间存在着类似平行板电容器的寄生电容,如下图所示。虽然此寄生电容非常微小,但对于电力电子器件动作时产生的几百MHz甚至上GHz的谐波电压与电流来说,此寄生电容的阻抗相对较小,谐波电流可以顺利通过,因此两者之间的寄生电容在高频时就不能被忽略。也就是说,电力电子器件与散热器之间的寄生电容可以将高频谐波电压、电流耦合至金属散热器的表面,最张在以传导或辐射的形成形成EMI。


EMC散热器共模干扰回路


开关器件与散热器间寄生电容示意图

二、再分析电机端与PE地产生共模干扰回路路径
电动机的耦合电容包括三部分
  • 转子与定子以及转子与机壳间也存在寄生电容

  • 定子与机壳间的电容

  • 轴电容

这个共模干扰的漏电流如果过大,可能这个漏电流造成的结果就会使轴承发生电气损坏。



那么,问题又来了,怎么避免上面所提到的EMI问题呢?PWM电压调制方法轻易实现了电机控制中梦寐以求的调压和变频功能,但高频高压的共模干扰信号是PWM变频器不可避免的缺陷,EMI问题很严重,如何解决呢,或者怎么样能最大程度的抑制呢?

方法一:降低母线电压
从上面的分析可以看出共模电压的大小与母线电压高度相关,因此在某些场合可以尽量使用低压变频器,如24V、48V、75V等。

方法二:使用多电平变频器
在一些要求很苛刻的场合可考虑使用多电平变频器,例如,三电平变频器和五电平变频器,降低每次开关动作带来的电压阶跃量。更多可以参阅 变频器多电平比如三电平名称的含义? - EMC.wiki 致力于电磁兼容技术!

方法三:无零矢量PWM调制
前面两大措施均改动量太大,伤筋动骨。这里的无零矢量技术倒比较容易实现,纯做软件上的修改即可实现。零矢量时共模电压幅值达Vdc/2,而非零矢量只有Vdc/6,显然本法效果明显,但是它也有缺陷,会导致差模电压变大,显著后果就是使电流的PWM谐波电波变大。

原先SVPWM调制会插入适当零矢量(111)和(000),现在不使用零矢量,而是使用互补的一组矢量来代替零矢量,这并不影响最终输出的占空比大小;下图中以输出的(110)矢量为为例,上图是使用零矢量的结果,下图是使用一组互补的(010)和(110)来代替零矢量:


方法四:增加开关管导通/关断时间
更改Gate驱动电阻值,增加开关管导通/关断时间;也就是增加dt时间,最终能够减小dv/dt

方法五:增加外置滤波器
增加外置滤波器

方法六:增大共模回路阻抗
本文开头就提到了关于散热器、电机本体对GND的共模干扰回路,可以从这一方面进行重点处理,具体操作方式,可以联系曾工。

总之,电机变频驱动中产生EMC问题包罗万象,绝对不是一篇文章就能够讲清楚的,本文就当是个抛砖引玉,大家就当做参考了吧。更多关于变频器的EMC设计、以及EMC整改、EMC检测过程中遇到问题需要解决,可以来联系曾工 139 2899 3907(微信同号),将为您提供专业的服务。

电力电子变换器的 电力电子变换器的EMC方案论文下载
下载论文方案,可以参阅 https://www.emc.wiki/thread-5348-1-1.html

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