大型防爆变频设备电磁传导干扰预警分析_任杰.pdf

2023.04 科学技术创新大型防爆变频设备电磁传导干扰预警分析任杰，潘硕，卢礼兵，刘士全（中国电子科技集团公司第 58 研究所，江苏 无锡）引言井下提升机、煤运传输机、挖煤机等大型变频调速设备，在煤矿挖掘生产现场大量运用，电磁闸开关器件在电源的开启及关断过程产生的毛刺分量，并由此传导的高幅度电磁干扰信号，会引发瓦斯例子的电流激发，成为瓦斯爆炸的罪魁原因。另外，电磁干扰的传导严重影响井下正常通讯设备的运行，严重影响人员的通讯及其他作业，导致生产难以进行。因此，对井下设备的电磁干扰研究及预警，然后给出处理措施，对日益增长的煤炭生产运行十分必要。目前，对变频驱动系统进行 EMI 预测的分析办法，主要分成污染源信号搜集、污染源传播方式的验证以及其他各杂散参数的计算方法上，很少有结合工业现场设备驱动系统的实际运行，利用仿真模型加以分析的做法。除了有高性能的传导系统的基础电磁干扰验证平台外，兆万级变频传导控制系统 EMC 测试平台还缺少性能优越的信号屏障室、功率采集分析器、滤波器和相应的实验设备，实验成本和可以实验的环境要求很高。因此，由于运行条件的不满足，在煤矿生产的作业现场中，很少研究高质量阻断调速设备的引导电磁干扰。1电磁干扰机理分析1.1大型防爆变频调速设备电磁干扰机理本文研究的防爆逆变器的组成部分，包括了整流器和逆变器。三相高压逆变器的电源供应是由电网拉入，而在整流器柜向逆变器柜，输出三路直流电缆，包括了上流母线、下流母线和地线。逆变器柜的输出连接到电机负载。同时，逆变器使用了背靠背电压双三级扩展组织，可以应用于高电压等级、大功率容量的单机系统；这种系统架构具有低谐波分量、高功率因数的性能。1.2电压型变频器调速系统传导 EMI 原理电磁干扰从类型上来分，可分为差模干扰和共模干扰。DC 总线和地之间形成回路，这主要是由切换开关与地之间的寄生电容在这期间产生的变化引起了快速充放电，这种效应引起共模干扰。寄生电容存在于直流母线和散热片等区域1。传导途径见图 1。由图 1 可知，传导途径有两条，一种是在变频器设备的输入端，干扰传导通过壳体到地，再由线缆与大地之间的大电容耦合到供电输入端。另一种是干扰传导至输出端，由线缆到电机绕组的电容产生共模干扰。在电源闸刀的开关过程中，由寄生效应产生差模干扰电流。由于线路中的寄生电感和寄生电容的存在，迅速的电流交换率形成噪声发射2。变频器速度控制系统的差模干扰路径见图 2。摘要：目前日常使用煤量每年用量大幅度增加，作为煤炭开采的井下设备，它的使用安全问题变得十分重要，这不仅关系着煤炭能否按时按量得到满足，更关系着从业人员的人身安全，设备电源的开启或关闭极易产生传导电磁，一旦产生零星火花，遇到瓦斯会变得十分危险，尤其是变频设备调速系统设备中屡次发现该现象，因此对该设备的传导电磁干扰的预测研究以及找到可靠实效的方法，变得极其重要。本文将电磁干扰的研究预测形成一套行之有效的处理模型，对工业现场设备电磁干扰分析，最终确定该模型在实际生产环境的可行性。关键词：变频调速；传导电磁；干扰预测中图分类号：TD684文献标识码：A文章编号：2096-4390（2023）04-0203-04作者简介：任杰（1987-），男，硕士，工程师，研究方向：半导体电路。203-科学技术创新 2023.042设备的高频模型2.1闸刀开关模型现场干扰来源主要有 3 部分：高频 PWM 电路、整形逆变回路和整形整流回路。主要原因是工业现场快速切换的 IGBT 高速开关产生瞬变的电压和电流，且幅度很大，这些超大的瞬变电压和电流是 EMI 电磁干扰形成的罪魁祸首。在建立设备的 EMI 仿真模型时，重点是分析速度控制系统在高频段的特性。因此，应采用高频段的模型分析来代替理想型组件，对分析有正确的指引，形成正确的电磁干扰分析3。闸刀开关的闭合和打开的瞬间过程，其工作电路如图 3（a）、（b）所示，Ls为现场的分布电感的集中参数，Rg为现场的等效电阻，Cge是闸刀的寄生电容。2.2电缆和异步电机工作模型现场的设备可以看成是电阻电容电感的组合4。下面分别给出电缆和异步电机的高频模型，图 4 中的R 代表真实电阻阻值，Lpar 代表了电阻的漏感，它与R 是串联关系，Cpar 代表了寄生电容，它与 R 是并联关系，绕线线圈的匝间及多层绕线之间的总寄生电容等效为 Cpar，与电感是并联关系，它包含等效串联电阻 R 和引出端子的电感 Llead。图 4 电缆的工作架构是由分布电阻 Ro与分布电感 Lo串联，电缆对地的寄生电容 C0与绝缘电阻 Go并联后，再与电感形成串联关系。异步电机连接关系较复杂，不再赘述，图 4 中 Ld为单相绕组本身的电感，Rt为绕组的材料损耗5。图 1变频器调速设备传导共模途径图 2变频器调速设备差模传导途径204-2023.04 科学技术创新3电磁兼容预警模型LISN 方式的三相电压变频器仿真架构：在电源侧添加三相 LISN 电路作为传导干扰测试的设备，通过LISN 电路可以很方便的得到共模干扰电压和差模干扰电压，然后通过傅里叶分析就可得到干扰频谱图6。PORT 1 连接到电源的正极，PORT 2 连接到要测试的设备，即变频器，PORT 3 外部连接到温漂灵敏，误差最小的 50 电阻7。在工业现场中，有很多整流器侧闭合电路是由双解耦来进行控制；逆变器侧是由电机的运行速度和电机的电流两方面控制8。理想状态模拟参数如下：变流器前端的各个参数为 R=0.2，L=8 ml，中间容量 C1=C2=8000uf，运用了 SVPWM调制模式。在此模型中，电压设计为 1 150 V，直流母线电压为 2 000 V，采样频率为 3KHZ，电机极对数为2，电机转速为 1 600 r/min9。4试验结论及原理如果额定工作电压大于 1 000 V，或工作电流高于 400 A，隔离地或者高阻地的产生，且此时滤波本身性能无法工作。在此种情景当中两因素受限制，LISN 基础电路则处于不工作的状态。此时可选用高耐压的探头来替代之前的方案设计。试验的待测装置是一台 2 MW 1 240 V 的两级防爆防阻燃逆变器。运用到的仪器有：、限流电路装置、两组高耐压探头、功率放大器、信号屏蔽房间、频谱分析仪、高压防护供电设备和高功率电机驱动平台。IGBT 模块使用了 DD1400E234，控制电路的组织架构是由 DSP+FPGA 组成，主控 CPU 采用常用的TMS320F28335 DSP。试验中运用了 Agilent4234A 阻抗分析仪，可以进一步修改去除掉其他频段分量，保留该频段分量。通过获得到的计算方法取得高频参数：其中主要有电缆上的电阻参数 R=0.0223，电感 51.5uH，寄生电感28.5uH。电容器的等效电感 1.234nH，等效串电阻0.002，单相电机负载等效电阻 1.2，等效电感32nH，等效电容 23nF，寄生电阻 122；采购到的IGBT 型号为 DDR1400R234IP6。根据 IGBT 相应的说明书，输出端的容量大小为 Cout=0.6nF，Ld=0.23mH，Cg=63nF。5结论准确地对变频调速系统进行 EMI 预测分析是相当困难的工作，预测干扰频谱的准确度依赖于有效的变频调速系统、干扰源模型和传播途径模型的精确度。大部分文献主要集中于干扰源的提取和讨论传播路径的验证和寄生参数的计算方法，而很少有模拟实际变频调速系统控制方法结合起来进行分析的。本文所采用的方法对于变频调速系统的 EMI 干扰预测精度的提高有较好的参考意义。十分准时的预警并清晰得到变频设备系统的电磁干扰产生的源头以及电磁干扰带来的损伤是非常难以实现的。但是本文所提出的模型架构，得到的干扰信号频谱预测的精度，很好的解决了工业现场的实际遇到问题，能够很精确的得到现场电磁干扰的来源以及大致判断出干扰源，并给出预警和合理的解决方案，避免了未知情的干扰给煤炭生产带来的困阻。因(a)IGBT 开通暂态过程(b)IGBT 关断暂态过程图 3IGBT 开通暂态及关断暂态过程(a)电缆工作架构(b)异步电机工作架构图 4电缆和单相异步电机工作架构205-科学技术创新 2023.04Early Warning Analysis of ElectromagneticConducted Interference of LargeExplosion-proof Frequency ConversionEquipmentRen Jie，Pan Shuo，Lu Libing，Liu Shiquan（China Electronics Technology Corporation 58th Research Institute，Wuxi，China）Abstract:At present,the daily use of coal has increased significantly every year.As the underground e-quipment for coal mining,its use safety has become very important.This not only relates to whether the coalcan be met on time and in quantity,but also relates to the personal safety of the employees.The opening orclosing of the equipment power supply is very easy to generate conductive electromagnetism.Once sporadicsparks are generated,the gas will become very dangerous,In particular,this phenomenon is frequently foundin the speed control system equipment of frequency conversion equipment.Therefore,it is extremely importantto predict the conducted EMI of the equipment and find reliable and effective methods.In this paper,the re-search and prediction of EMI will be formed into a set of effective processing models,and the electromagneticinterference of industrial field equipment will be analyzed to finally determine the feasibility of the model inthe actual production environment.Key words:variable frequency speed regulation;conducted electromagnetic;interference prediction此本文提到的预警模型及其架构具有很好的参考实用价值，可以推广至现实场景解决很多生产问题。参考文献1王方,任相群,张帆.高电压技术理论基础研究M.北京:机械工业出版社,2006.2张元,黄海波,等.电频干扰技术的测量方法及分析J.高电压研究,2021,32(24):23-15.3王强,李丽丹,等.宽频采样技术在变频装备中的超声波放电技术数据分析J.高可靠材料,2016,22(3):64-20.4黄超,任少雪.基于局部电流波形的变频设备抗干扰检测及预报技术研究J.高压电器,2012,43(6):20-32.5李红,黄群,等.变频调频设备中局部放电及检测试验J.高压研究技术分析报告 2010,33(2):