任 杰，潘 碩，盧禮兵，劉士全

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58 研究所，江蘇 無(wú)錫）

引言

井下提升機(jī)、煤運(yùn)傳輸機(jī)、挖煤機(jī)等大型變頻調(diào)速設(shè)備，在煤礦挖掘生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)大量運(yùn)用，電磁閘開(kāi)關(guān)器件在電源的開(kāi)啟及關(guān)斷過(guò)程產(chǎn)生的毛刺分量，并由此傳導(dǎo)的高幅度電磁干擾信號(hào)，會(huì)引發(fā)瓦斯例子的電流激發(fā)，成為瓦斯爆炸的罪魁原因。另外，電磁干擾的傳導(dǎo)嚴(yán)重影響井下正常通訊設(shè)備的運(yùn)行，嚴(yán)重影響人員的通訊及其他作業(yè)，導(dǎo)致生產(chǎn)難以進(jìn)行。因此，對(duì)井下設(shè)備的電磁干擾研究及預(yù)警，然后給出處理措施，對(duì)日益增長(zhǎng)的煤炭生產(chǎn)運(yùn)行十分必要。

目前，對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行EMI 預(yù)測(cè)的分析辦法，主要分成污染源信號(hào)搜集、污染源傳播方式的驗(yàn)證以及其他各雜散參數(shù)的計(jì)算方法上，很少有結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行，利用仿真模型加以分析的做法。除了有高性能的傳導(dǎo)系統(tǒng)的基礎(chǔ)電磁干擾驗(yàn)證平臺(tái)外，兆萬(wàn)級(jí)變頻傳導(dǎo)控制系統(tǒng)EMC 測(cè)試平臺(tái)還缺少性能優(yōu)越的信號(hào)屏障室、功率采集分析器、濾波器和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)成本和可以實(shí)驗(yàn)的環(huán)境要求很高。因此，由于運(yùn)行條件的不滿足，在煤礦生產(chǎn)的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，很少研究高質(zhì)量阻斷調(diào)速設(shè)備的引導(dǎo)電磁干擾。

1 電磁干擾機(jī)理分析

1.1 大型防爆變頻調(diào)速設(shè)備電磁干擾機(jī)理

本文研究的防爆逆變器的組成部分，包括了整流器和逆變器。三相高壓逆變器的電源供應(yīng)是由電網(wǎng)拉入，而在整流器柜向逆變器柜，輸出三路直流電纜，包括了上流母線、下流母線和地線。逆變器柜的輸出連接到電機(jī)負(fù)載。同時(shí)，逆變器使用了背靠背電壓雙三級(jí)擴(kuò)展組織，可以應(yīng)用于高電壓等級(jí)、大功率容量的單機(jī)系統(tǒng)；這種系統(tǒng)架構(gòu)具有低諧波分量、高功率因數(shù)的性能。

1.2 電壓型變頻器調(diào)速系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI 原理

電磁干擾從類型上來(lái)分，可分為差模干擾和共模干擾。DC 總線和地之間形成回路，這主要是由切換開(kāi)關(guān)與地之間的寄生電容在這期間產(chǎn)生的變化引起了快速充放電，這種效應(yīng)引起共模干擾。寄生電容存在于直流母線和散熱片等區(qū)域[1]。傳導(dǎo)途徑見(jiàn)圖1。

由圖1 可知，傳導(dǎo)途徑有兩條，一種是在變頻器設(shè)備的輸入端，干擾傳導(dǎo)通過(guò)殼體到地，再由線纜與大地之間的大電容耦合到供電輸入端。另一種是干擾傳導(dǎo)至輸出端，由線纜到電機(jī)繞組的電容產(chǎn)生共模干擾。

圖1 變頻器調(diào)速設(shè)備傳導(dǎo)共模途徑

在電源閘刀的開(kāi)關(guān)過(guò)程中，由寄生效應(yīng)產(chǎn)生差模干擾電流。由于線路中的寄生電感和寄生電容的存在，迅速的電流交換率形成噪聲發(fā)射[2]。變頻器速度控制系統(tǒng)的差模干擾路徑見(jiàn)圖2。

圖2 變頻器調(diào)速設(shè)備差模傳導(dǎo)途徑

2 設(shè)備的高頻模型

2.1 閘刀開(kāi)關(guān)模型

現(xiàn)場(chǎng)干擾來(lái)源主要有3 部分：高頻PWM電路、整形逆變回路和整形整流回路。主要原因是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)快速切換的IGBT 高速開(kāi)關(guān)產(chǎn)生瞬變的電壓和電流，且幅度很大，這些超大的瞬變電壓和電流是EMI 電磁干擾形成的罪魁禍?zhǔn)?。在建立設(shè)備的EMI 仿真模型時(shí)，重點(diǎn)是分析速度控制系統(tǒng)在高頻段的特性。因此，應(yīng)采用高頻段的模型分析來(lái)代替理想型組件，對(duì)分析有正確的指引，形成正確的電磁干擾分析[3]。

閘刀開(kāi)關(guān)的閉合和打開(kāi)的瞬間過(guò)程，其工作電路如圖3（a）、（b）所示，Ls為現(xiàn)場(chǎng)的分布電感的集中參數(shù)，Rg為現(xiàn)場(chǎng)的等效電阻，Cge是閘刀的寄生電容。

圖3 IGBT 開(kāi)通暫態(tài)及關(guān)斷暫態(tài)過(guò)程

2.2 電纜和異步電機(jī)工作模型

現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備可以看成是電阻電容電感的組合[4]。下面分別給出電纜和異步電機(jī)的高頻模型，圖4 中的R 代表真實(shí)電阻阻值，Lpar 代表了電阻的漏感，它與R 是串聯(lián)關(guān)系，Cpar 代表了寄生電容，它與R 是并聯(lián)關(guān)系，繞線線圈的匝間及多層繞線之間的總寄生電容等效為Cpar，與電感是并聯(lián)關(guān)系，它包含等效串聯(lián)電阻R 和引出端子的電感Llead。

圖4 電纜的工作架構(gòu)是由分布電阻Ro與分布電感Lo串聯(lián)，電纜對(duì)地的寄生電容C0與絕緣電阻Go并聯(lián)后，再與電感形成串聯(lián)關(guān)系。異步電機(jī)連接關(guān)系較復(fù)雜，不再贅述，圖4 中Ld為單相繞組本身的電感，Rt為繞組的材料損耗[5]。

圖4 電纜和單相異步電機(jī)工作架構(gòu)

3 電磁兼容預(yù)警模型

LISN 方式的三相電壓變頻器仿真架構(gòu)：

在電源側(cè)添加三相LISN 電路作為傳導(dǎo)干擾測(cè)試的設(shè)備，通過(guò)LISN 電路可以很方便的得到共模干擾電壓和差模干擾電壓，然后通過(guò)傅里葉分析就可得到干擾頻譜圖[6]。

PORT 1 連接到電源的正極，PORT 2 連接到要測(cè)試的設(shè)備，即變頻器，PORT 3 外部連接到溫漂靈敏，誤差最小的50Ω 電阻[7]。

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，有很多整流器側(cè)閉合電路是由雙解耦來(lái)進(jìn)行控制；逆變器側(cè)是由電機(jī)的運(yùn)行速度和電機(jī)的電流兩方面控制[8]。理想狀態(tài)模擬參數(shù)如下：變流器前端的各個(gè)參數(shù)為R=0.2 Ω，L=8 ml，中間容量C1=C2=8000uf，運(yùn)用了SVPWM調(diào)制模式。在此模型中，電壓設(shè)計(jì)為1 150 V，直流母線電壓為2 000 V，采樣頻率為3KHZ，電機(jī)極對(duì)數(shù)為2，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min[9]。

4 試驗(yàn)結(jié)論及原理

如果額定工作電壓大于1 000 V，或工作電流高于400 A，隔離地或者高阻地的產(chǎn)生，且此時(shí)濾波本身性能無(wú)法工作。在此種情景當(dāng)中兩因素受限制，LISN 基礎(chǔ)電路則處于不工作的狀態(tài)。此時(shí)可選用高耐壓的探頭來(lái)替代之前的方案設(shè)計(jì)。

試驗(yàn)的待測(cè)裝置是一臺(tái)2 MW 1 240 V 的兩級(jí)防爆防阻燃逆變器。運(yùn)用到的儀器有：、限流電路裝置、兩組高耐壓探頭、功率放大器、信號(hào)屏蔽房間、頻譜分析儀、高壓防護(hù)供電設(shè)備和高功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)。IGBT 模塊使用了DD1400E234，控制電路的組織架構(gòu)是由DSP+FPGA 組成，主控CPU 采用常用的TMS320F28335 DSP。

試驗(yàn)中運(yùn)用了Agilent4234A 阻抗分析儀，可以進(jìn)一步修改去除掉其他頻段分量，保留該頻段分量。通過(guò)獲得到的計(jì)算方法取得高頻參數(shù)：其中主要有電纜上的電阻參數(shù)R=0.0223Ω，電感51.5uH，寄生電感28.5uH。電容器的等效電感1.234nH，等效串電阻0.002Ω，單相電機(jī)負(fù)載等效電阻1.2Ω，等效電感32nH，等效電容23nF，寄生電阻122Ω；采購(gòu)到的IGBT 型號(hào)為DDR1400R234IP6。根據(jù)IGBT 相應(yīng)的說(shuō)明書，輸出端的容量大小為Cout=0.6nF，Ld=0.23mH，Cg=63nF。

5 結(jié)論

準(zhǔn)確地對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行EMI 預(yù)測(cè)分析是相當(dāng)困難的工作，預(yù)測(cè)干擾頻譜的準(zhǔn)確度依賴于有效的變頻調(diào)速系統(tǒng)、干擾源模型和傳播途徑模型的精確度。大部分文獻(xiàn)主要集中于干擾源的提取和討論傳播路徑的驗(yàn)證和寄生參數(shù)的計(jì)算方法，而很少有模擬實(shí)際變頻調(diào)速系統(tǒng)控制方法結(jié)合起來(lái)進(jìn)行分析的。本文所采用的方法對(duì)于變頻調(diào)速系統(tǒng)的EMI 干擾預(yù)測(cè)精度的提高有較好的參考意義。

十分準(zhǔn)時(shí)的預(yù)警并清晰得到變頻設(shè)備系統(tǒng)的電磁干擾產(chǎn)生的源頭以及電磁干擾帶來(lái)的損傷是非常難以實(shí)現(xiàn)的。但是本文所提出的模型架構(gòu)，得到的干擾信號(hào)頻譜預(yù)測(cè)的精度，很好的解決了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際遇到問(wèn)題，能夠很精確的得到現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾的來(lái)源以及大致判斷出干擾源，并給出預(yù)警和合理的解決方案，避免了未知情的干擾給煤炭生產(chǎn)帶來(lái)的困阻。因此本文提到的預(yù)警模型及其架構(gòu)具有很好的參考實(shí)用價(jià)值，可以推廣至現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景解決很多生產(chǎn)問(wèn)題。