变频器驱动之共模杂讯分析及其抑制技术研究

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1、變頻器驅動之共模雜訊分析及其抑制技術研究謝宏周財團法人車輛研究測試中心、副工程師505彰化縣鹿港鎮鹿工南七路六號angus609@artc.org.tw摘要：變頻器將產生大量的電磁干擾，為減少變頻器對導通而短路燒毀，由式(1)可知，共模電壓為3相相周邊敏感設備影響，其電磁相容性設計變得十分重要，電壓的平均值是不會為零的，因此，若利用變頻器本文先針對變頻器所產生的電磁干擾進行分析，然後提來驅動馬達時，共模電壓的產生是不可避免的。出相對應的防治對策，且本論文另建立共模雜訊等效電路，可幫助EMC工程師，在執行變頻器電磁干擾

2、改良時RS的初步預測。QQQ135關鍵詞：變頻器、共模雜訊、電磁干擾LSVceW一、前言VV+db-V--an+e+U變頻器使用功率電晶體作為電子開關元件，在eVLS應用上具備廣泛調控速度範圍、高效率及可供多組Q4Q6Q2LSRSR馬達並聯使用等的優點。而電力電子元件的迅速發S展除了提高切換頻率外，開關元件的導通及截止時間也降低許多，此技術發展使得開關轉態時的電壓及電流變化率亦隨之提高，因而引起許多不利的影圖一、變頻器驅動馬達的基本結構響。綜合國內外相關文獻研究，變頻器會引起的問題包含有:(1)變頻器輸出電壓會在馬達

3、線圈中性點表一、變頻器的八種輸出狀態產生很大的共模雜訊，使得對周邊設備產生嚴重之電磁干擾;(2)變頻器輸出端之高電壓/電流變化率會對機電系統的雜散電容產生較大的接地雜訊電流因而影響到附近之敏感設備，而長導線的馬達驅動系統問題更是嚴重;(3)產生的共模雜訊電流經地平面，將產生浮動電壓而影響控制器的邏輯判斷。本研究將針對變頻器驅動產生之電磁干擾問題提出相關的抑制技術，在傳統共模濾波器外使用等效電路觀念預測共模雜訊的影響，綜合提出之對策手法幫助降低共模雜訊。二、共模雜訊的產生與影響1)變頻器輸出電壓會在馬達線圈中性點產生很

4、大的共模雜訊電壓，使得對周邊設備產生嚴重之電磁干擾[1-2]:2)變頻器輸出端之高電壓/電流變化率會對機電如圖一所示，為變頻器驅動馬達的基本結構，基於系統的雜散電容產生較大的接地雜訊電流因而影安全上的考量，通常會將馬達的外殼作接地處理，響到附近之敏感設備，而長導線的馬達驅動系統問Va(t)、Vb(t)與Vc(t)為變頻器提供給馬達的3相相題更是嚴重:電壓，將共模電壓定義為馬達線圈的虛擬中性點對變頻器之高電流變化率，如圖二所示，使得雜散電變頻器的地存在一高的共模電壓，此共模電壓依據容形成共模電流，因為共模電流所流經的路

5、徑存有變頻器的六個功率電晶體的切換位置而有不同的雜散電感及電阻，所以共模電流將會造成高壓的突值。波(spikes)及高頻寬的頻譜，如圖三所示，由於變頻器透過3相導線與馬達做連結，當導線愈長時，導VtVtVt()++()()線本身的電感及電容效應會愈明顯，以致於共模電abCVtcom-----()=(1)流對附近設備的影響更加嚴重。3依照變頻器的八種輸出狀態下的共模電壓值整理成如表一所示，在這八種輸出狀態，要避免V7、V8輸出狀態，這兩種狀態將使變頻器上下臂同時1i(vis)消除共模電壓，如圖六所示[5]。3.00D2

6、.001.00RPlot1Dsi(vis)inamperes01G-1.00C1.26m1.28m1.30m1.32m1.34mtimeinsecondsS圖二、變頻器之高電流變化率圖四、緩振(snubber)電路1mag(fft(temp))900m700m+Vdc/2-500mPlot1_f+Vdc/2mag(fft(temp))inamperes300m-100m1500k1.50Meg2.50Meg3.50Meg4.50Megfrequencyinhertz圖五、四臂變頻器控制圖三、共模電流產生的高頻寬頻譜主

7、動共模電壓消除器3)產生的共模雜訊電流流經地平面，將產生浮動電壓而影響控制器的邏輯判斷:+控制器需要良好的雜訊免除力(noiseimmunity)，雜Vdc/2-訊免除力代表著電路對於不希望得到的雜訊抵抗能力，當共模雜訊電流經地平面，將改變地平面的+Vdc/2參考準位，使得邏輯電路的雜訊邊限(noisemargin)-降低。共模雜訊電流除了產生電磁干擾外，機構上於定子和轉子間的雜散電容在馬達軸心與地之間會感應出額外的軸承電壓，造成對馬達軸承的放電，導致圖六、主動共模電壓濾波器軸承凹陷(bearingpitting)和

8、故障而損害軸承[3]。4)展頻(spreadspectrum):三、共模雜訊的抑制技術變頻器在基本波與它的諧波會造成嚴重的電磁干擾，圖七為展頻對變頻器EMI的抑制能力，切換頻1)緩振(snubber)電路:功率電晶體在導通或截止率為10kHz，衰減量公式由式(2)表示，EMI衰減量的暫態會有突波、高頻振盪或overshoot現象的發與展頻率(δ