艦用變頻調(diào)速裝置傳導(dǎo)干擾的抑制對策*

張志強(qiáng)， 冀路明， 莊亞平， 馬守軍， 吳正國

(1.海軍工程大學(xué)電氣與信息學(xué)院，湖北武漢 430033;2.海軍裝備研究院，北京 100161)

0 引言

隨著電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，電力電子變頻調(diào)速器在艦船電機(jī)控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。該調(diào)速方式具有調(diào)速范圍寬、效率高、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，但是變頻器在進(jìn)行能量變換的同時(shí)也使得輸入和輸出側(cè)的電壓、電流含有豐富的高次諧波。這些高頻的噪聲信號會干擾其他敏感設(shè)備的正常工作。另一方面變頻器大多運(yùn)行在惡劣的電磁環(huán)境中，其內(nèi)部由電子元器件、微處理芯片、控制電路等組成，會受到外界的電磁干擾(Electro Magnetic Interference，EMI)。因此，當(dāng)變頻器運(yùn)行時(shí)，既要防止外界的EMI又要防止變頻器干擾外界其他設(shè)備。EMI的產(chǎn)生需要具備三個條件:第一是干擾源(又稱騷擾源);第二是敏感設(shè)備;第三是干擾傳輸通道或耦合途徑［1］。

變頻調(diào)速裝置的大功率開關(guān)器件在開關(guān)過程中會產(chǎn)生非常高的電流和電壓變化率，通過電路中寄生電感和寄生電容產(chǎn)生強(qiáng)烈的瞬態(tài)噪聲。因此，主電路開關(guān)器件和相關(guān)電路產(chǎn)生的電磁噪聲成為變頻調(diào)速設(shè)備中的主要電磁干擾源。

變頻調(diào)速裝置中電力電子器件開關(guān)頻率遠(yuǎn)低于通信系統(tǒng)的信號頻率，因此其EMI主要還是集中在傳導(dǎo)干擾上。傳導(dǎo)干擾的特點(diǎn)如下:

(1)傳導(dǎo)干擾主要由差模干擾和共模干擾兩部分組成，因此在設(shè)計(jì)電源EMI濾波器時(shí)應(yīng)分清干擾的特性，識別哪些是差模干擾，哪些是共模干擾，從而有針對性地對傳導(dǎo)干擾進(jìn)行抑制。

(2)差模干擾和共模干擾的頻率特點(diǎn)。大部分的差模干擾出現(xiàn)在100 kHz以下的頻段，而共模干擾通常出現(xiàn)在1 MHz以上，也可以相對地說差模干擾為低頻干擾，共模干擾為高頻干擾。而在100 kHz～1 MHz之間既有差模干擾又有共模干擾。因此，在設(shè)計(jì)電源EMI濾波器來控制傳導(dǎo)干擾時(shí)，應(yīng)根據(jù)這一特點(diǎn)來設(shè)計(jì)共模和差模濾波網(wǎng)絡(luò)，使傳導(dǎo)干擾得到有效抑制。

(3)傳導(dǎo)干擾的控制標(biāo)準(zhǔn)。傳導(dǎo)干擾的控制標(biāo)準(zhǔn)主要分為兩大類:一類是軍用標(biāo)準(zhǔn)，如GJB151A/152A等;一類是民用或商用標(biāo)準(zhǔn)，如GB9254等。這兩類標(biāo)準(zhǔn)要求的頻率范圍不同，如GJB151A/152A中CE102是10 kHz～10 MHz，而GB9254中傳導(dǎo)發(fā)射的頻率是150 kHz～30 MHz。兩類標(biāo)準(zhǔn)的限值也不同，軍用標(biāo)準(zhǔn)比民用或商用標(biāo)準(zhǔn)的要求要嚴(yán)格得多。

本文主要討論艦用變頻調(diào)速裝置的傳導(dǎo)干擾問題和相應(yīng)對策。

1 變頻調(diào)速裝置傳導(dǎo)干擾的特點(diǎn)

傳導(dǎo)干擾通過導(dǎo)線傳輸，即通過設(shè)備的信號線、控制線、電源線等直接侵入敏感設(shè)備，其中傳導(dǎo)干擾的傳輸性質(zhì)有電耦合、磁耦合及電磁耦合三種。變頻調(diào)速裝置傳導(dǎo)干擾的特點(diǎn)如下:

(1)由于電力電子裝置的主要電磁干擾源位于功率電路部分，噪聲頻譜范圍非常寬，特別是在低頻范圍內(nèi)能達(dá)到幾赫茲的頻率，這使得采用傳統(tǒng)方法，如屏蔽和濾波來抑制電磁噪聲變得非常困難。

(2)變頻器的控制一般采用脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)控制方式，電力電子器件以確定的開關(guān)頻率進(jìn)行高速切換，輸出高頻PWM電壓脈沖(一般開關(guān)頻率小于20 kHz)，其產(chǎn)生的EMI頻譜會在開關(guān)頻率整數(shù)倍頻率點(diǎn)上出現(xiàn)峰值。圖1是一典型變頻器輸入的頻譜圖，其開關(guān)頻率為 5 kHz，在 10、15、20、25、30 kHz等頻率點(diǎn)上呈現(xiàn)峰值。

(3)電力電子裝置的功率電路部分和控制電路板通常安裝于同一個箱體中，而且有時(shí)應(yīng)現(xiàn)場要求，電力電子裝置通過數(shù)十米長的電纜與其負(fù)載相連，由此引發(fā)的電磁干擾源與電磁噪聲敏感電路之間的電磁噪聲傳播以傳導(dǎo)和近場耦合為主。這種電磁空間與邊界條件的不規(guī)則和多樣性使得電磁兼容(Electro Magnetic Compatibility，EMC)設(shè)計(jì)變得異常復(fù)雜。

(4)電力電子裝置通常要處理很高的功率，導(dǎo)致裝置體積和重量都很大，這給濾波器設(shè)計(jì)和安裝帶來一些實(shí)際的困難。

另外，艦船上均裝備有多種電氣、電子設(shè)備，這些設(shè)備靠艦艇電網(wǎng)供電，空間分布范圍小、輻射頻率范圍近、輻射功率大，設(shè)備間易產(chǎn)生相互干擾，電磁環(huán)境的惡劣程度和復(fù)雜程度遠(yuǎn)超過陸地應(yīng)用場合。艦用變頻調(diào)速裝置工作于這樣的電磁環(huán)境下，對其EMC和可靠性提出了更高要求［2-4］。

圖1 典型變頻器輸入的頻譜圖

2 艦用變頻調(diào)速裝置傳導(dǎo)干擾抑制

抑制EMI的方法需從分析EMI三要素(即干擾源、敏感設(shè)備和傳輸或耦合途徑)入手，采取有效的技術(shù)手段:抑制干擾源，減少不希望的發(fā)射;增加敏感設(shè)備的抗干擾能力，消弱不希望的響應(yīng);消除和減弱干擾耦合。主要的抑制干擾技術(shù)有:接地、搭接、合理的布線、隔離、屏蔽和濾波等技術(shù)，以及這些技術(shù)的組合使用。下文從工程實(shí)踐的不同階段出發(fā)，提出抑制艦用變頻調(diào)速裝置的傳導(dǎo)干擾的方法和對策。

2.1 論證設(shè)計(jì)階段

許多企業(yè)幾乎不對產(chǎn)品進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)，只在發(fā)現(xiàn)EMC問題時(shí)才被動的從防范或補(bǔ)救出發(fā)，對產(chǎn)品進(jìn)行修改，即所謂的“測試修改法”，這必然會帶來許多困難與浪費(fèi)。EMC的一條準(zhǔn)則是“預(yù)防是最有效、最經(jīng)濟(jì)的方案”，因此EMC已成為電氣系統(tǒng)和電氣設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)必須重視的問題之一。該設(shè)計(jì)思路具有一定創(chuàng)意值得提倡、推廣。

2.1.1 采用先進(jìn)的變頻器控制技術(shù)

變頻調(diào)速裝置的核心就是對電力電子器件的控制，通過使用特殊的控制算法消除或減弱變頻器輸出的干擾。如采用消除特定次諧波的PWM控制技術(shù)、隨機(jī)PWM技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)等。

消除特定次諧波的PWM控制技術(shù)就是利用適當(dāng)?shù)倪x擇單脈沖PWM波的起點(diǎn)相位角和終點(diǎn)相位角，消除特定次諧波，以達(dá)到降低頻譜中幅值大的頻率點(diǎn)，減小變頻器對外界的干擾。

隨機(jī)PWM技術(shù)簡稱RPWM技術(shù)，其核心思想就是將確定式的開關(guān)規(guī)律進(jìn)行隨機(jī)化，如采用隨機(jī)三角波代替固定式三角波作為載波，這樣做的好處是將集中在某些頻率點(diǎn)的能量分配到整個頻譜，以達(dá)到減小EMI的目的。

軟開關(guān)技術(shù)的主要目的是為了降低開關(guān)損耗，減小開關(guān)應(yīng)力。理論上由于開關(guān)器件是在零電壓/零電流條件下實(shí)現(xiàn)開通/關(guān)斷的，因此采用軟開關(guān)技術(shù)可使電壓或電流上升、下降沿變緩，比硬開關(guān)變流器具有更低的EMI水平［5］。

2.1.2 采取EMI更低的硬件設(shè)計(jì)

使用多脈波整流技術(shù)或高頻PWM整流技術(shù)，不僅可以減小諧波注入，還可以降低變頻器輸入端EMI強(qiáng)度，特別是低頻段傳導(dǎo)干擾。

進(jìn)線電抗器用于降低由變頻器產(chǎn)生的諧波，同時(shí)也可用于增加電源阻抗，并幫助吸收附近設(shè)備投入工作時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓和主電源的電壓尖峰。進(jìn)線電抗器串接在電源和變頻器功率輸入端之間。當(dāng)電網(wǎng)的短路阻抗小于1%時(shí)，建議增加進(jìn)線電抗器來抑制低頻干擾。

采用低寄生參數(shù)的母線設(shè)計(jì)。把電力電子裝置主回路中所有不同電位的聯(lián)接導(dǎo)線以又薄又寬的銅排形式迭放在一起，各層之間用很薄的高絕緣強(qiáng)度的材料粘合成一體，形成一種“三明治”結(jié)構(gòu)，這就是所謂的疊層母線。圖2為某變頻調(diào)速裝置主回路疊層母線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。該結(jié)構(gòu)具有最低的寄生電感、均勻的分布電容、降低瞬態(tài)電壓尖峰、減少EMI、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 某變頻調(diào)速裝置主回路疊層母線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

此外，傳導(dǎo)干擾反相抵消技術(shù)及低共模干擾變流器對傳導(dǎo)EMI具有非常大的作用。文獻(xiàn)［5］中提到了多種共模反相抵消技術(shù)并應(yīng)用于Buck、Boost、Flyback、Forward、Buck-Boost等基本變流器中共模干擾的部分抵消。其核心思想就是在系統(tǒng)中人為地構(gòu)造兩個電位變化幅度相同、相位相反的動態(tài)節(jié)點(diǎn)，從而使共模干擾得到極大的抑制。

2.2 樣機(jī)生產(chǎn)階段

在論證和設(shè)計(jì)階段，按EMC原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，但不能保證生產(chǎn)出來的產(chǎn)品EMC指標(biāo)都能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。因此，在樣機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)安裝時(shí)還要注意EMC問題，在滿足功能的同時(shí)還要采取相應(yīng)的EMC措施。

2.2.1 整體布局和走線

(1)設(shè)計(jì)控制柜體時(shí)要注意EMC的區(qū)域原則，把不同的設(shè)備規(guī)劃在不同的區(qū)域中，如主功率區(qū)域、控制區(qū)域、傳感器區(qū)域等。每個區(qū)域?qū)υ肼暤陌l(fā)射和抗擾度有不同的要求。區(qū)域在空間上最好用金屬殼或在柜體內(nèi)用接地隔板隔離。變頻器的安裝板使用無漆鍍鋅鋼板，以確保變頻器的散熱器和安裝板之間有良好的電氣連接。

(2)配線無論是系統(tǒng)內(nèi)還是系統(tǒng)外都要遵循一個原則:避免線與線之間的相互竄擾。因此，在配線前應(yīng)對各種線和電纜進(jìn)行分類，如大功率電力線、低壓電力線、控制線、高電平模擬信號線、低電平模擬信號線、高電平數(shù)字信號線、低電平數(shù)字信號線等，各種不同類型的導(dǎo)線應(yīng)區(qū)分開來，分別走線，分層布置，避免將導(dǎo)線在控制箱中布置成環(huán)狀，特別忌諱用一束多股電纜連接不同類型的線路。

(3)電機(jī)電纜應(yīng)獨(dú)立于其他電纜走線，其最小距離為500 mm;同時(shí)，應(yīng)避免電機(jī)電纜與其他電纜長距離平行走線，這樣才能減少變頻器輸出電壓快速變化而產(chǎn)生的EMI。如果控制電纜和電源電纜交叉，應(yīng)盡可能使它們按90°角交叉。

(4)避免各類導(dǎo)線長距離的平行走線，可以用雙絞線代替平行導(dǎo)線，如果有多對雙絞線則應(yīng)注意各對雙絞線之間的相對位置錯開，各對雙絞線最好采用不同的絞距。

2.2.2 隔離與屏蔽

(1)通過隔離電路將干擾源和敏感設(shè)備進(jìn)行隔離。如采用隔離變壓器將控制電源與主電源進(jìn)行隔離;對于電力電子器件的驅(qū)動信號這類重要信號可以使用光纖代替普通導(dǎo)線。

(2)控制電纜最好使用屏蔽電纜。一般來說，控制電纜的屏蔽層應(yīng)直接在變頻器的內(nèi)部接地，另一側(cè)通過高頻小電容(如3.3 μF/3 000 V)接地。當(dāng)屏蔽層兩端的差模電壓不高和連接到同一地線上時(shí)，也可以將屏蔽層的兩端直接接地。

(3)變頻器的電機(jī)電纜必須采用屏蔽電纜，屏蔽層的電導(dǎo)至少為每相導(dǎo)線心電導(dǎo)的1/10。

(4)模擬信號線和低壓數(shù)字信號線應(yīng)使用雙屏蔽的雙絞線。不同的模擬信號線應(yīng)該獨(dú)立走線，有各自的屏蔽層，以減少線間的耦合，不要把不同的模擬信號置于同一個公共返回線上。

(5)屏蔽電纜進(jìn)行連接時(shí)屏蔽層必須整圈連接，可以用合適的夾子將屏蔽層固定到安裝板上。

2.2.3 接地與搭接

地線是信號電流流回信號源的地阻抗路徑。該定義突出了地線中電流的流動，按照這個定義很容易理解地線中電位差產(chǎn)生的原因，這就是地線干擾的實(shí)質(zhì)。根據(jù)地線的不同用處可將其分為安全地、工作地、信號地、參考地、屏蔽地等。接地方式主要有:單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地、混合接地、浮地等。

搭接是指兩個金屬物體之間通過機(jī)械、化學(xué)或物理方法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)連接，以建立一條穩(wěn)定的低阻抗電氣通路的工藝過程。搭接方法可以分為:鉚接、焊接、螺栓壓接等。

(1)低頻電路應(yīng)采用樹杈型放射式的單點(diǎn)接地，高頻電路應(yīng)采用平面式的多點(diǎn)接地。各種電路例如模擬電路、數(shù)字電路、功率電路、噪聲電路等都設(shè)置了各自獨(dú)立的地線，最后匯總到一個總的接地點(diǎn)或接地母線上。

(2)對于屏蔽電纜，如果連接低頻電路則屏蔽層單端接地，如果連接高頻電路則雙端接地。

(3)接地導(dǎo)體應(yīng)選用短和粗的接地線，最好采用扁平導(dǎo)體(例如金屬編織網(wǎng))，因其在高頻時(shí)阻抗較低。

(4)變頻器電機(jī)電纜的屏蔽層必須連接到變頻器外殼和電機(jī)外殼上。這樣變頻器的高頻噪聲電流經(jīng)屏蔽層流回變頻器，減少了通過接地公共阻抗對其他設(shè)備的干擾。

2.2.4 濾波器

除了上述對變頻調(diào)速裝置內(nèi)部采取抑制干擾源的措施外，還有一種有效的方法就是使用濾波器切斷干擾源的傳播路徑。所采用的濾波器可分為無源濾波器和有源濾波器兩大類。

在功率變流器中，通常采用交流側(cè)電源 EMI無源濾波器來抑制傳導(dǎo)干擾，它實(shí)際上是一種低通濾波器。電源 EMI濾波器既可以大大衰減經(jīng)電源傳入的干擾信號，保護(hù)設(shè)備免受其害，又可以大大抑制設(shè)備本身產(chǎn)生的干擾信號，防止其進(jìn)入電源，危害其他設(shè)備。由于變頻器的開關(guān)頻率較低，電源輸入線電流較大，電源EMI濾波器設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮共模扼流圈的磁心飽和效應(yīng)和溫升效應(yīng)，濾波器整體體積、重量等問題。

電源EMI濾波器的安裝對濾波器抑制作用的正常發(fā)揮起到十分重要的作用，安裝時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(1)濾波器一般安裝在機(jī)柜底部交流電源線入口處，不能讓輸入交流電源線在機(jī)柜內(nèi)繞行很長距離再接濾波器，以免該線在機(jī)柜內(nèi)輻射噪聲。如果該線必須經(jīng)過熔斷器和電源開關(guān)等器件后才能接到濾波器上，則該段線路應(yīng)施加屏蔽措施。

(2)濾波器金屬機(jī)殼最好直接安裝在金屬機(jī)柜上，而且應(yīng)與機(jī)柜的接地端子靠得越近越好。濾波器抑制共模噪聲的濾波電容接濾波器金屬機(jī)殼，高頻共模噪聲將通過濾波器接地端和機(jī)柜接地端之間的連接線入地，所以該連接線的電感越小越好。

(3)濾波器的輸入、輸出線要分開布置，不能平行走線，更不應(yīng)該捆扎在一起，否則輸入線中的噪聲將不經(jīng)濾波器直接耦合到輸出線上。輸出線最好用雙絞線，加強(qiáng)抗磁場干擾能力。

有源濾波技術(shù)為濾除EMI噪聲提供了一個可選擇的方案，相比無源濾波器，有源濾波器體積更小，并且其性能受噪聲源阻抗的影響也更小。抑制差模傳導(dǎo)干擾的有源濾波原理為實(shí)時(shí)檢測調(diào)速裝置的畸變電流，并利用逆變器補(bǔ)償電路產(chǎn)生反畸變電流，使電源電流保持為正弦或接近正弦的狀態(tài)，以保證電源不受調(diào)速裝置的影響，運(yùn)行在低諧波、高功率因數(shù)狀態(tài)，達(dá)到動態(tài)EMI濾波的作用。抑制共模傳導(dǎo)干擾的有源濾波原理為:利用Y型電容檢測到變流器產(chǎn)生的共模干擾電壓，經(jīng)過有源推動電路得到反向補(bǔ)償電壓Uc，通過互感變壓器使三相輸出線上的共模干擾電壓得到補(bǔ)償，如圖 3 所示［8］。

圖3 有源共模噪聲補(bǔ)償電路

3 結(jié)語

目前海軍艦船上各種電子、電氣設(shè)備之間的EMI已成為影響艦船安全的一個重要因素，對艦船的EMC要求越來越嚴(yán)格。艦用變頻調(diào)速裝置是一個強(qiáng)電磁干擾源，必須采取措施消除或減小其對自身控制電路和外界設(shè)備的干擾，同時(shí)也要防止外界干擾傳導(dǎo)到變頻調(diào)速裝置內(nèi)部，影響其正常工作。本文著重對艦用變頻調(diào)速裝置的傳導(dǎo)干擾提出了確實(shí)可行的抑制對策，并成功應(yīng)用于實(shí)際裝備的生產(chǎn)中。

［1］大衛(wèi)韋斯頓.電磁兼容原理與應(yīng)用［M］.楊自佑，王守三 譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］駱毅敏.船電設(shè)備的電磁兼容技術(shù)研究［J］.江蘇船舶，2007，24(3):14-16.

［3］金海，于華洲.船用控制裝置的結(jié)構(gòu)電磁兼容設(shè)計(jì)［J］.船電技術(shù)，2007，27(2):86-88.

［4］熊艷曄，錢祖平，葛莉華.船舶綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)電磁兼容性能研究［J］.船舶工程，2008，30(4):54-56.

［5］錢照明，陳恒林.電力電子裝置電磁兼容研究最新進(jìn)展［J］. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22(7):1-11.

［6］馬偉明.電力電子系統(tǒng)的電磁兼容［M］.武漢:武漢水利電力大學(xué)出版社，2000.

［7］蘭華，艾濤.變頻調(diào)速系統(tǒng)電磁兼容技術(shù)的研究現(xiàn)狀和展望［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2008，35(8):16-19.

［8］Ogasawara S，Ayano H，Akagi H.An active circuit for cancellation of common-mode voltage generated by a PWM inverter［J］.IEEE Trans on Power Electro，1998(13):835-841.