讓EMC工程師頭大的問題:電機變頻驅動中的EMC問題

嵌入式linux 發佈 2022-11-28T05:22:19.359112+00:00

說起電機變頻驅動中的EMC問題,很多人都會覺得這是一個「老大難」的問題,要注意的細節太多了,稍有不注意,調試起來就會相當麻煩。

說起電機變頻驅動中的EMC問題,很多人都會覺得這是一個「老大難」的問題,要注意的細節太多了,稍有不注意,調試起來就會相當麻煩。產品開發出來後,首先最擔心的就是EMI傳導和輻射干擾了,實際設備一測,在限值以下,萬幸;如果超了,那就調調共模電感吧,再看看開關電源,調調X電容、Y電容等等;左調調,右調調,好不容易「試」出一套參數滿足要求,就這樣順利過關吧,也就不要去仔細追究是什麼原因了。至於為什麼不要去細究了,因為想究也究不清楚,硬體的問題實際上比軟體更加複雜,因為沒法模擬,沒法仿真,沒法計算,就好像一個黑匣子似的。現在市場上能夠從理論高度在產品設計階段就提出預防出現EMC問題的人還是很少的,大多人還是事後諸葛亮,在產品出來後再進行整改。

今天筆者就以自己有限的能力,嘗試著打開這個黑匣子的小小的一部分,讓它透出一道光,照亮我們變頻驅動前行的路。

EMC(Electro-Magnetic Compatibility)是指設備或系統在其電磁環境中符合要求運行並不對其環境中的任何設備產生無法忍受的電磁干擾的能力,它包括EMI和EMS兩部分。EMI(Electro-Magnetic Interference)是電子電器產品工作時對周邊外界環境的電磁干擾,EMI包括空間輻射無線干擾和傳導有線干擾。EMS (Electro-Magnetic Susceptibility) ,是電子電器產品在一定的電磁環境中工作時其本身對電磁干擾的敏感度。 總結起來EMI就是讓產品工作時對外干擾少,EMS是讓產品工作時少受外界的干擾。

變頻驅動為什麼為有EMC問題呢?

目前的變頻系統大多都採用脈衝寬度調製(PWM)技術,該技術可以簡化逆變器結構、提高調速系統的動態響應性能、降低電動機的諧波損耗、提高電能的利用效率,但它固定的脈衝特性造成了逆變器輸出很高的的dv/dt和不平衡的瞬時電壓,產生很大的共模電壓,從而產生共模電流,並在電動機上耦合出很高的軸電壓和軸電流,這不僅威脅到電機系統本身的安全可行性,縮短其使用壽命,還會產生很強的電壓干擾(EMI),危及周圍設備的可靠運行。其產生原因概括起來如下圖1所示。

圖1

產生的共模電流主要可以分為兩部分:(1) 散熱器和地之間感生出來的漏電流 (2) 電機端產生的漏電流

在PWM沒有開關動作時,系統處於電氣平衡狀態,散熱器接地良好,那麼此時散熱器和地之間感生出來的漏電流 ih =0, 電機端產生的漏電流 in =0,如下圖2所示:

圖2

PWM發生開關動作時,先分析散熱器和地之間感生出來的漏電流;

電力電子器件與散熱器間存在著類似平行板電容器的寄生電容,如下圖3所示。雖然此寄生電容非常微小,但對於電力電子器件動作時產生的幾百MHz甚至上GHz的諧波電壓與電流來說,此寄生電容的阻抗相對較小,諧波電流可以順利通過,因此兩者之間的寄生電容在高頻時就不能被忽略。也就是說,電力電子器件與散熱器之間的寄生電容可以將高頻諧波電壓、電流耦合至金屬散熱器的表面,最張在以傳導或輻射的形成形成EMI。

圖3

以下圖4中的O點為參考點,當上管打開,互補下管關閉時,產生的電壓是 :

VAO=Vbus/2;

當上管關閉,互補下管打開時,產生的電壓是:

VAO=-Vbus/2;

這兩個時刻變化的電壓就會產生共模電壓,並作用在漏電容上產生漏電流ih;

圖4

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再分析電機端產生的漏電流;

電動機的耦合電容包括三部分(1)轉子與定子以及轉子與機殼間也存在寄生電容(2)定子與機殼間的電容 (3)軸電容,如下圖5所示:

圖5

以下圖6中的O點為參考點,當上管打開,互補下管關閉時,產生的電壓是:

VNO=−Vbus/6
當上管關閉,互補下管打開時,產生的電壓是:

VNO=−Vbus/2

這兩個時刻變化的電壓就會產生共模電壓,並作用在電機的耦合電容上產生漏電流in;

圖6

這個漏電流造成的結果就會使軸承發生電氣損壞,如下圖7所示:

圖7

總結起來共模電流產生的路徑就可以圖8中來表示:

圖8

問題又來了,怎麼避免上面所提到的EMI問題呢?PWM電壓調製方法輕易實現了電機控制中夢寐以求的調壓和變頻功能,但高頻高壓的共模干擾信號是PWM變頻器不可避免的缺陷,EMI問題很嚴重,如何揚長避短呢?

方法一:降低母線電壓

從上面的分析可以看出共模電壓的大小與母線電壓高度相關,因此在某些場合可以儘量使用低壓變頻器,如24V、48V、75V等。

方法二:使用多電平變頻器

在一些要求很苛刻的場合可考慮使用多電平變頻器,如下圖9中所示的三電平變頻器和五電平變頻器,降低每次開關動作帶來的電壓階躍量

圖9

方法三:無零矢量PWM調製

前面兩大措施均改動量太大,傷筋動骨。這裡的無零矢量技術倒比較容易實現,純做軟體上的修改即可實現。零矢量時共模電壓幅值達Vdc/2,而非零矢量只有Vdc/6,顯然本法效果明顯,但是它也有缺陷,會導致差模電壓變大,顯著後果就是使電流的PWM諧波電波變大。

原先SVPWM調製會插入適當零矢量(111)和(000),現在不使用零矢量,而是使用互補的一組矢量來代替零矢量,這並不影響最終輸出的占空比大小;下圖10中以輸出的(110)矢量為為例,上圖是使用零矢量的結果,下圖是使用一組互補的(010)和(110)來代替零矢量:

圖10

方法四:增加開關管導通/關斷時間

更改Gate驅動電阻值,增加開關管導通/關斷時間;也就是增加dt時間,最終能夠減小dv/dt

方法五:增加外置濾波器

從圖11和圖12上下兩張圖可以看出增加外置濾波器的效果。

圖11 無外置濾波器EMI

圖12 帶外置濾波器EMI

總之,電機變頻驅動中產生EMC問題包羅萬象,絕對不是一篇文章就能夠講清楚的,本文就當是個拋磚引玉,大家就當做參考了吧。


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轉載自:玩轉嵌入式

文章來源:知乎-旋轉的世界

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