高压变频器功率单元电磁兼容性能改进

摘要：针对多电平单元串联电压源型高压变频器的功率单元处于多电平，高电磁的工作环境，其中的电磁骚扰严重威胁装置的稳定运行。通过提高功率单元的EMC性能，增加装置运行的稳定性。

通过六次对功率单元的电磁兼容性能的测试，并根据问题对功率单元进行五次改进。将功率单元在通过电快速瞬变脉冲群性能从2.0KV，24s等级提高到3.0KV，300s等级。

在功率单元更改完毕后，在整机上进行连续运行测试，原功率单元在整机连续运行测试经常误报故障的缺陷消除。

关键词：高压变频器  EMC  电快速瞬变脉冲群

1、  引言

随着现代电力电子技术的快速发展，新型的电力电子器件开发，制造，生产的更新速度的加快，使电气传动的技术领域中的功率元件与控制元件的变化日新月异，以大功率高压变频调速技术的发展为代表，器件从MOSFET 、GTR、GTO、IGBT、IGCT发展，结构形式从周波变流，三电平，矩阵变换，高-低-高，功率器件分压串联型，功率器件串联电流源型，多电平单元串联电压源型等主回路拓扑结构。控制器件从最初的模拟电路，发展至数字电路，再发展至单片机（AVR）、现场可编程门阵列（FPGA）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）、可擦除可编程逻辑器件（EPLD）、数字信号处理器（DSP）等。其产品的技术已经成熟，器件加工精度水准，性能已能完全满足工业运行要求，价格已达到用户接受的水平。高压电动机利用高压变频器可以实现无级调速，在满足生产过程对电机输出转速的要求，又可大幅度节约能源，降低生产成本，延长设备使用寿命。我国有大量大功率传动机械，如大功率风机、泵类的拖动电动机等广泛地应用于煤矿、冶金、石油、给排水等行业，由于多采用直接定速拖动，浪费大量的能源。利用高压大功率变频调速装置的应用前景十分广阔。

在国内高压变频器中拓扑结构中最先进行就是多电平单元串联电压源型变频器，其由一台移相变压器与十八个相同的功率单元组成。在每只功率单元中，主回路由二极管整流桥，可控硅，IGBT等功率器件组成。控制器采用CPLD，AVR，光纤接收器，光纤发射器等组成，其对电磁干扰的敏感度较大，而功率单元内部电压从600V至5V不等，频率从1M至1K不等，其电磁空间环境极其恶劣，提高功率单元的EMC性能是保证高压变频器的稳定运行的关键因素之一。

2、  电磁兼容技术的发展及术语

（1）    国外电磁兼容技术的发展：
电磁兼容是从过去的“电磁干扰”发展起来的。电磁干扰几乎跟电磁效应现象同时被发现，1823年安培（Ampere）提出了电流产生磁力的基本定律，1831年法拉第(Michael Faraday)发现了电磁感应现象，1840年美国人亨利(Henry Joseph)成功获得了高频电磁振荡，1864年麦克斯韦(James Clerk Maxwel)综合了电磁感应定律和安培全电流定律，总结出麦克斯韦方程。麦克斯韦的电磁场理论为认识和研究电磁干扰现象奠定了理论基础。1881年英国科学家希维赛德（Heavislde）发表了“论干扰”文章。1888年德国物理学家赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）首创了天线，开始了对电磁干扰问题的实验研究。

20世纪以来，由于电气电子技术的发展，工业发达国家成立了国际电工委员会（IEC），国际无线电干扰特别委员会（CISPR）等，开始对电磁干扰问题进行了世界性的有组织研究。40年代，较为系统地进行电磁兼容（IEC）的技术研究，从单纯排除干扰逐步发展成为理论上，技术上全面控制用电设备在其电磁环境中正常工作能力保证的系统工程。

70年代，较大规模的国际性电磁兼容学术会议，每年召开一次，美国最有影响的电子电气工程师协会（IEEE）的权威杂志，专门设有IEC分册。B·E·凯瑟撰写了系统论著《电磁兼容原理》，国防部编辑出版了各种电磁性兼容性手册，广泛应用于工程设计。

从1996年1月1日开始，欧洲共同体12个国家和欧洲自由贸易联盟的北欧6国共同宣布实行电磁兼容许可证制度，使电磁兼容认证与电工电子产品安全认证处于同等重要的地位。
（2）、我国电磁干扰技术的发展
我国开展EMC工作较晚，标准化工作起始于20世纪60年代，1986年成立了全国无线电干扰标准化委员会，1987年召开第一届电磁兼容性学术会议，1990年在北京成功举办了第一次国际电磁兼容性学术会议。
自从1986年成立了全国无线电干扰标准化委员会后，我国才开始有组织有系统地对应CISPR/IEC开展国内EMC标准化工作。目前全国无线电干扰标准化委员会已成立了八个分技术委员会，其中七个分会与CISPR/A.B.C…F.G分会相对应，S分会是根据我国国情而成立的，它主要涉及无线电系统与非无线电系统之间的电磁兼容问题。目前我国已制定了六十多项EMC国家标准，其中基础标准为GB4365-1995电磁兼容术语；GB/T6113-1995无线电干扰和抗扰度测量设备规范。
（3）、高压变频器的国家电磁兼容标准
中华人民共和国国家标准   GB 12668.3 – 2003/ IEC 61800 – 3 : 1996
 (4)电磁干扰的术语
● EMC：(Electromagnetic compatibility)电磁兼容性
● EMI： (Electromagnetic interference) 电磁干扰
● EMS：(Electromagnetic Susceptibility) 电磁敏感度
● RE：（Radiated emission）辐射骚扰（俗称：电磁辐射）
● CE：（Conducted emission）传导骚扰
● CS：（Conducted Susceptibility）传导骚扰抗扰度
● RS：（Radiated Susceptibility）射频电磁场辐射抗扰度
● ESD： (Electrostatic discharge) 静电放电
● EFT/B： (Electrical fast transient burst) 电快速瞬变脉冲群
● Surge ：浪涌
● EUT：（Equipment under test）受试设备

3、电磁干扰对高压变频器功率单元的危害及控制技术

（1）、变频器功率单元的电磁环境：
●高压变频器是一个具有复杂的机械、电气、电子结构的混合系统。分别由电源输入旁路子系统，输入变压隔离子系统，变频输出控制子系统，功率回路频率转换子系统，外部回路映射控制子系统组成，其电磁环境最恶劣的是功率回路频率转换子系统中的功率单元模块。
●功率单元模块中的电压等级分为：直流5V，+15V，-15V，-220V，1200V，交流8V，80V，600V，外部PWM叠加波动电平4800V。
●内部布线分为63A（主回路输入线，直流输入线，交流PWM输出线），5A（控制电源输入线，隔离变压输出线），20mA（电容回路检测线，输出回路检测线，温度信号采集线），低压脉冲列（预充电切除可控硅驱动，旁路投入可控硅驱动），低压控制电平（IGBT驱动线）。
（2）电磁干扰对硬件的危害：
●CPLD，AVR等大规模集成电路上的线条很窄，间距很小，对相对串扰相当敏感。
●运算芯片，采集芯片，转换芯片，IGBT驱动极，可控硅驱动极工作电压低，耐压强度小，在高压脉冲下会产生不可逆转的损害。
●高频高磁场在变隔离变压器，回路走线中产生附加电压，增加了稳压回路中元件的负担，降低了使用寿命。
●在CPLD，AVR的程序编辑输入口的高电压干扰，会造成内部程序无序重写，造成芯片无序运行。
●短时的控制干扰，会造成主回路出现瞬时不定的短路电流，降低主回路中功率器件的寿命。
（3）电磁干扰对运行的危害：
●电机数字控制系统容易出现误保护动作， PWM 信号受干扰导致系统发脉冲错误以及  接口芯片不能正常工作。
●整流同步信号、位置同步信号以及故障信号这些关系到控制系统能否正常运行的量测信号的误报，导致控控制系统飞车或崩溃。
●电机工作时会产生大量的电磁辐射，包括电机的起动、换向、继电器的吸合等，都会在周围产生大量的电磁辐射。电磁辐射作用于模似信号会使信号产生畸变．使变频器偏离设定的工作范围运行，给电机及运行设备带来重大的安全隐患。
（4）、电磁兼容性的控制技术：
●传输通道抑制：具体方法有滤波、屏蔽、搭接、接地、合理布线。
●空间分隔：地点位置控制、自然地形隔离、方位角控制、电场矢量方向控制。
●时间分隔：时间共用准则、雷达脉冲同步、主动时间分隔、被动时间分隔。
●频谱管理：频谱规划/划分，制定标准规范、频率管制。
●电气隔离：变压器隔离、光电隔离、继电器隔离、DC/DC变换。