大功率防爆变频器EMI滤波器设计.pdf

第 4 3卷 第 4期 2 O1 7年 4月 V 【 ． {4 3 NO ． 4 A【 r ． 2 0 l 7 文章 编号 1 6 7 卜 2 5 1 X 2 0 1 7 0 4 0 0 6 4 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 卜2 5 1 x ． 2 0 1 7 ． 0 4 ． 0 1 5 刘向昕 ， 谭 圈俊， 胡子豪 ， 等． 大功率防爆变频器 E MI 滤波器设计E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 4 6 4 6 7 大功率防爆变频器E MI滤波器设计 刘 向昕 ， 谭 国俊 ， 胡子 豪 ， 张 玉成。 ， 封 安 波。 ， 马 亮。 ， 王凯。 1 ． 中 国矿业 大 学 信息 与 电气工 程学 院 ， 江 苏 徐 州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 江 苏省 电力传 动 与 自动控 制工 程技 术研 究 中心 ， 江 苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 分析 了大功 率防爆 变频 器 E MI 产 生的机 理 ， 并提 出 了一种 大功 率 防爆 变频 器 E MI 滤 波 器设 计 方 法 。该 E MI 滤 波器采 用单级 I C滤 波 器“ P ” 型 匹配 网络 结 构 ， 可在 防爆 变频 器 阻抗 不 匹配的 情 况 下 实现 阻抗 匹配 ， 进 而改善 E MI 滤波 效果 。 以 1 MW／ 1 1 4 0 V 防爆 变频 器 为实验 对 象 ， 验证 了该 E MI 滤 波 器的有 效 性 。 关键 词 防爆 变频 器 ；EMI滤 波器 ；“ P” 型 匹配 网络 ；阻抗 匹配 中图分类 号 TD6 1 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 7 0 3 2 8 1 7 3 2 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 7 0 3 2 8 ． 1 7 3 2 ． 0 1 5 ． h t ml De s i g n o f EM I f i l t e r f o r hi g h po we r e x pl o s i o n p r o o f i n v e r t e r I AU Xi a n g x i n ， TAN Gu o j u n ， HU Z i h a o ， Z HANG Yu c h e n g ， FENG A n ho ． M A Li a n g。 ． W ANG Ka i 。 1． Sc ho o l o f I nf o r ma t i on a n d El e c t r i c a l Eng i ne e r i ng，Chi na Uni v e r s i t y o f M i n i ng a nd Te c hn o l og y， Xu z h o u 2 2 1 0 0 8，Ch i n a；2 ． J i a n g s u El e c t r i c a l Dr i v e a n d Co n t r o l E n g i n e e r i n g F e c h n o l o g y Re s e a r c h Ce nt e r，Xu z h ou 2 21 00 8，Chi n a Abs t r a c t Ge ne r a t i on me c ha ni s m o f EM I i n hi gh p owe r e xp l os i o n pr o o f i n ve r t e r wa s a na l yz e d， a nd d e s i gn me t ho d o f a n EM I f i l t e r f o r h i g h p o w e r e xp l os i o n p r o of i nv e r t e r wa s pr o po s e d．The EM I f i l t e r us e s ” P” m a t c hi ng ne t wo r k s t r u c t u r e ba s e d o n a s i ngl e LC f i l t e r ， a nd r e a l i z e s i mpe da nc e m a t c hi ng o f t he e x pl os i o n pr o o f i nv e r t e r i n t h e c a s e o f i mpe da n c e m i s ma t c h i ng， S O a s t o i mpr o v e EM I f i l t e r i n g e f f e c t ．A 1 M W ／ 1 1 4 O V e x p l o s i on pr oo f i n ve r t e r wa s t e s t e d t o ve r i f y v a l i d i t y of t h e EM I f i l t e r． Ke y wo r d s e xp l os i o n pr o of i nve r t e r；EM I f i l t e r ；” P”ma t c hi n g n e t wor k；i m p e d a nc e ma t c h i ng 0 引言 大功 率 防爆变 频器 以其 优越 的调 速性 能在 煤矿 井下 得 到 了 广 泛 应 用 ， 其 功 率 开 关 器 件 大 多 采 用 I GBT I n s u l a t e d Ga t e Bi p o l a r Tr a n s i s t o r ， 绝缘 栅 双 极 型 晶体 管 。I G B T 的应 用 使 变频 器 具 有 低谐 波 、 高 功 率 因 数 ， 大 大 提 高 了 电 能 质 量 及 电 能 利 用 率 j ， 但 也对 自身 系统 和周 围电 网产生 了较 为 严重 的 高 频 电 磁 干 扰 E l e c t r o ma g n e t i c I n t e r f e r e n c e ， E MI 。。现 有 E MI 滤波 器 大多 用 于 开关 电源 【 ] ， 或功 率等 级较 小 的两 电平整 流逆 变装 置 ， 有 的则 侧重 于对 逆 变 侧 电 动 机 进 行 保 护 。 ， 而 对 于 大 功 率 防 爆 变 频 器E MI抑 制 的 研 究 较 少 。本 文 在 I G B T暂 态 变 化 的 基 础 上 “ ] ， 研 究 了 防 爆 变 频 器 E MI 产 生 的机理 ， 考虑 到 阻抗 不 匹 配对 滤 波 器 插 入 损耗 的影 响 。 } ， 提 出 了一 种 适 用 于 大 功 率 防爆 变 频器 的 E MI 滤 波 器设 计 方 法 。该 滤 波 器基 于单 级 【 C滤 波器 ， 在 系 统 阻 抗 不 匹 配 时 ， 通 过 “ P ” 型 网络 匹配 阻抗 来 抑制 E MI信 号， 且 具有 较 高 的低 通 特性 。 收 稿 日期 2 0 l 6 O 9 2 8 ； 修 回 日期 2 0 1 7 - -0 2 2 0 ； 责 任 编 辑 李 明 。 基金项 目 江苏省科技成果转化项 目 B A2 0 1 6 0 1 7 。 作者简介 刘 向昕 1 9 5 5 ～ ， 男 ， 河北唐山人， 博士研究生 ， 研究方 向为大功率交流调速 、 电力 电子与电力传动 ， E il i a o 化 m 动 舢 自 d 矿 工 d h 2 0 1 7年 第 4期 刘向 昕等 大功率 防爆 变频 器 E MI 滤波 器设 计 6 5 1 防爆 变频器 E M1 产生 的机理 I GB T 在 开关 暂 态 产 生 的 高 d u ／ d t 为 I G B T 电压 ， t 为 时间 和 d i ／ d t i 为 I GB T 电流 是 电力 电 子设备 的 主要 高频 噪声 源 ， 其 与 I GB T 中 的寄 生 电 容及母排 、 引线的寄生电感作用 ， 形成阻尼振荡而出 现振荡 波 。此外 ， 还 存 在 I GB T高 开 关 频 率 产 生 的 谐波和电网干扰等。E MI 信号按照传 播路径可分 为差模和共模信号 。双三电平防爆变频器 E MI 信 号传播 路径 如 图 1 所示 。 图 1 防爆变频器 E MI 信号传播路径 1 I GB T 开 关 暂 态 过 程 中的 d i ／ d t 与 变 频 器 中的母排 和滤 波 电容 的寄生 电感 形 成 差模 噪声 ， 如 图 1中路 径 1所示 。 2 I G B T 开 关 暂 态 过 程 中 的 d u ／ d t与 I GB T 自身的米勒电容及散热器中寄生 电容共 同作用 ， 形 成 共模 噪声 ， 如 图 1中路 径 2 所 示 。 3 电网其 他用 电设备 工作 时 产生 的 噪声 通过 变压器耦合到变频器 ， 或 电网遭雷电干扰等 ， 均导致 电 网内部 产 生 共 模 和 差 模 噪 声 ， 如 图 1中 曲 线 3 所 示 。 2大功 率 防爆变 频器 E MI 滤波器 防爆 变 频 器 产 生 的E MI信 号 一 般 比 GB 1 2 6 6 8 ． 3 2 O 1 2 调 速 电气 传 动 系统 第 3部 分 电磁兼 容性要 求及其特 定 的试 验方法 规 定值 高 3 0 4 0 d B， 在 0 ． 1 5 ～3 0 MHz 频段 ， 差模 、 共模信号 共 存 。 由于大功率 防爆 变频 器 电压 、 电流较 大时 ， 一 般采用高压探头的方法测量 E MI ， 很难分离差模和 共模信 号 ， 加 上阻 抗不 匹配 等不 良因素 的影 响 ， 使 得 滤波器 的设计 具有 一定 难度 。本文 设计 了一 种大 功 率 防爆 变 频 器 E MI 滤 波 器 ， 其 基 于 单 级 L C 滤 波 器 ， 且 在变 频 器 阻抗 不 匹配 时采 用 “ P ” 型 匹 配 网 络 来抑制 E MI 信号。 2 ． 1 基 于单级 L C滤波 器的 E MI 滤波 器 设 计 E MI 滤波 器 时 ， 将 电 网侧 作 为 负 载 ， 变 频 器作 为干 扰源。设 【 ， 为 干扰源 电压 ， 己 ， 为未 经 E MI 滤波器衰减 的噪声 电压 ， U 为返 回电网的噪 声 电压 ， Z 为源 阻抗 ， Z L为 负载 阻 抗 。若 Z 一Z ， 得 到基 于 单 级 L C 滤 波 器 的 E MI 滤 波 器 结 构 ， 如 图 2所示 。 单级L C滤波器 ． 电 ， ． y 、 L m l ≥ 奖 J c 丰 J 图 2 基于单级 L C滤波器的 E MI 滤 波器 结构 首先确定单级 L C滤波器在滤波频段需提供的 插人损耗 。根据文献[ 6 ] 中的工程参考图， 确定单级 L C滤 波器 的 转 折 频 率 ， 由 f c 一 1 ／ 2 n 4 Z - c m L 为 串联 等效 电感 ， C 为并 联 等效 电容 计 算 L C m 值 。不考 虑 阻 抗 变 化 对 滤 波 器 的影 响 ， 可 近 似计算出单级 L C滤波器随频率 ，变化可提供的插 入损耗 K -厂 一2 n f L C m 。为 了保证 足够的裕量， 单级 L C滤波器提供的插入损耗需高于理论值 。 然 后对 滤波 元 件 进行 选 型 。在 不 同 的频 率 下 ， E MI 信号中共模和差模信号共存 ， 采用高压探头测 量 E MI 信号时 ， 很难分离出共模和差模信号。可采 用接入 单个 滤波 元件 的方法 估算 共模 和差 模信 号所 处 的主要频 段 。选 取 共 模 电感 L M和共 模 电容 C 时， 由于 C 受 接地漏 电流 限制 ， 所 以其值 不能太 大 ， 应 优 先考 虑 C ； 选 取差 模 电感 L 。 M和差 模 电容 C 时 ， 应优 先 考 虑 L 。 M ， 使 其 满 足 滤 波 器 两 端 电压 要求 ， 然后选择 C 。 为 了消除滤波元件高频特性 的影响 ， 可通过并 联不 同等 级的 电容 来增 强 滤 波 频 段 ， 利 用 电容 的 引 线来改 变 电容 的 自谐 振点 。可采 用 高磁导 率 的超微 晶磁环制作电感器 ， 采用铜排就近接地 ， 以减少滤波 器接地 电阻对滤波特性的影响。 2 ． 2 阻抗 匹配 EMI滤波 器 受 阻 抗 不 匹 配 影 响 ， 基 于 单 级 L C 滤 波 器 的 E MI 滤波 器可 能 达 不 到 理 想 的插 入 损 耗 ， 因此 ， 采 用“ P ” 型 网络进 行 阻抗 匹配 。 设置 z 参考值 为 5 O Q， 此时可将 Z 看成无穷 小 。为 了减少 阻抗 不 匹 配带 来 的干 扰 ， 在 源 阻 抗侧 匹配 一个 由电阻 R 和 电容 C 串联 的“ P ” 型 匹配 网 络 ， 使源阻抗和负载阻抗几乎相等 ， 如图 3所示。 “ P ” 型匹 配 网络 中的衰减 因数 为 k f f I I l U i I l I是 。 c 式中 k 。 为单级 L C滤波器的衰减量 。 6 6 工矿 自动 化 2 0 1 7年 第 4 3卷 变 器 ⋯ P’ 型匹配网络 口 ≥ 。 曲 单 级 LC cP手 滤 波 器 图 3 阻 抗 匹 配 EMI滤 波 器 南于 匹 配 电 阻 R 会 引 起 _丁频 损 耗 ， 为 了减 少 工 频损 耗 ， 要求 匹配 电容 C 的工 频 阻 抗远 大 于 R 值 ， 且 在滤 波频 率 下 限 f 。 一 般 为 1 5 0 k Hz ， C r阻 抗 远 小 于 R 值 。设 为 “ P ” 型 匹配 网络 的 匹 配效 果 ， 一U ／ u ， 恒 大 于 1 ， 且 越 小 ， 匹 配 效 果 越 好 ， 则 匹 配 电阻取值 范 围为 RP i 兽 逛 【 i 号 皿 坦 【 实测E MI 信号 ⋯⋯ 实测E MI 信号平均值 ⋯ GB 1 2 6 6 8 ．3 2 0 1 2 规定的E MI 信号峰值限值 ⋯一 GB 1 2 6 6 8 ．3 2 0 1 2 规定的E MI 信号平均值限值 0 频率／ MH z 1 0 1 0 0 a Rp一 1 0 n 实测 E MI 信号 ⋯⋯ 实测E MI 信号平均值 ⋯ G B 1 2 6 6 8 _3 2 O l 2 规定 的 E MI 信 号峰值 限值 ⋯一 G B 1 2 6 6 8 ． 3 2 O l 2 规定的E MI 信号平均值限值 0 1 l 0 1 0 0 频率／ MH z b Rp一 3 0 Q 图 7 匹配 电阻不 同时阻抗匹配 E MI 滤波器滤波效果 4 结语 通过分析大功率防爆变频器 E MI 产生 的机理， 提 出了一 种基 于“ P ” 型 匹配 网络 的 E MI 滤 波 器 ， 并 验证 了该 滤波器 可 以很好 地抑 制 防爆变 频器 产生 的 E MI 信号。 参 考 文 献 [1 ] 曹海洋 ， 沈建辉 ， 王宏震 ， 等． 基 于 E MI 滤波器的防爆 变频调速系统 E MI 抑制 [ J ] ． 电气传动 ， 2 0 1 5 ， 4 5 5 5 1 - 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2 0 ． [ 1 2 ] 姜保 军 ， 孙力 ， 赵 克． E MI 滤 波器阻 抗失 配与 E MI 信 号的有 效 抑 制 [ J ] ． 电 机 与 控 制学 报 ， 2 0 0 6 ， 1 0 3 252 25 5 ． [ 1 3 3 王 培康 ， 郑峰 ， 杨小瑜 ， 等． 一种 调整共 模 噪声源 阻抗 并优化 E MI 滤波器性能 的方 法[ J ] ． 中国电机工 程学 报 ， 2 0 1 4 ， 3 4 6 9 9 3 1 0 0 0 ． [ 1 4 ] 宋峥 ， 王世 山． E MI 滤波器 网络最 佳工作 状态设 计及 其平 面 化 实 现 [ J ] ．电 工 技 术 学 报 ， 2 0 1 6 ， 3 1 7 1 79 1 87 ． E 1 5 3 吕明珠 ， 刘世勋． 大功率变频 调速系统 的 E MI 等效测 试 装置的设 计研 究E J ] ． 自动化与仪器仪 表 ， 2 0 1 5 7 1 77 1 8O ． m∞ ∞∞ ∞如∞ 如 m ∞∞ ∞ ∞ 如∞∞ 加 ∞∞∞ ∞∞ ∞如