艦用變頻調(diào)速裝置傳導(dǎo)干擾的抑制對策
張志強(qiáng)1，2， 冀路明2， 莊亞平2， 馬守軍2， 吳正國1
(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)
摘要：結(jié)合艦用變頻調(diào)速裝置傳導(dǎo)干擾的特點(diǎn)，從設(shè)備論證設(shè)計和樣機(jī)牛產(chǎn)的不同階段著重分析了變頻調(diào)速裝置傳導(dǎo)干擾的各種抑制對策，并將其成功應(yīng)用于實(shí)際裝備的生產(chǎn)中。
關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；電磁兼容；傳導(dǎo)干擾；電磁干擾
中圖分類號：TM 921 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：16734-540(2010)06-059-05
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于擾其他敏感設(shè)備的正工作。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(E]ectru Mag-netic Interference，EMI)。因此，當(dāng)變頻器運(yùn)行時，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‘電源EMI濾波器時應(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I：，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)計電源EMI濾波器來控制傳導(dǎo)干擾時，應(yīng)根據(jù)這一特點(diǎn)來設(shè)計共模和差模濾波網(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)下擾的控制標(biāo)準(zhǔn)主要分為兩大類：一類是軍用標(biāo)準(zhǔn)，如
GJBl51A／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GJBl51A／152A巾cEl02是10 kHz～10 MHz，而Gfl9254中傳導(dǎo)發(fā)射的頻率是150 kHz～30 MHz。兩類標(biāo)準(zhǔn)的限值電不同，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)于擾通過導(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)到兒赫茲的頻率，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(Pulsewldth 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電鹺脈沖(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)L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，而且有時應(yīng)現(xiàn)場要求，電力電了裝置通過數(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)則和多樣使得電磁兼容(Hectr0 Ma印etic compat出mtv，EMc)設(shè)計變得異常復(fù)雜。
(4)電力電子裝置通常要處理很高的功率，導(dǎo)致裝罱體積和重量都很大，這給濾波器沒計和安裝帶來一些實(shí)際的困難。
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