風(fēng)洞變頻調(diào)速系統(tǒng)電磁兼容仿真研究

李剛，蓋文，韓杰

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計及測試技術(shù)研究所，四川 綿陽 621000）

隨著微電子學(xué)、電力電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制理論等的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速系統(tǒng)在交通運(yùn)輸、石油、家用電器、軍事等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。變頻調(diào)速系統(tǒng)具有功率因數(shù)高、啟動平穩(wěn)、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)[2-6]。因此，越來越多的連續(xù)式風(fēng)洞采用變頻調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動風(fēng)扇或壓縮機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞風(fēng)速的精確控制。

但是，變頻器調(diào)速系統(tǒng)在工作時會對周圍的電磁環(huán)境造成一定影響，嚴(yán)重時甚至可能造成系統(tǒng)不能正常穩(wěn)定工作，因此對由變頻調(diào)速系統(tǒng)的電磁兼容（electromagnetic compatibility，EMC）研究變得尤為重要［7-9］。風(fēng)洞中存在大量壓力、溫度、天平等傳感器和高精度測量設(shè)備，測量精度高，但是風(fēng)洞現(xiàn)場傳感器信號弱，壓力和溫度傳感器信號為4～20 mA，而天平傳感器測量信號為mV級，因此傳感器信號容易受到現(xiàn)場的干擾而影響其測量精度。

現(xiàn)在變頻調(diào)速系統(tǒng)的EMC問題受到越來越多的關(guān)注和研究。文獻(xiàn)[10]通過Matlab和Simplorer聯(lián)合仿真，研究了三電平變頻器傳導(dǎo)干擾的仿真和預(yù)測。文獻(xiàn)[11]研究了電纜對共模干擾的影響。文獻(xiàn)[12]研究了PMW逆變器共模干擾和抑制方法。目前對三電平變頻器傳導(dǎo)干擾和諧波分析的較多，但是對線纜間串?dāng)_、輻射場的研究卻很少，尤其是H橋級聯(lián)變頻器的電磁干擾研究則更少。而隨著風(fēng)洞等大型設(shè)備對變頻器功率的需求越來越大，越來越多的特大功率變頻器采用H橋級聯(lián)形式。

本文以結(jié)冰風(fēng)洞變頻器調(diào)速系統(tǒng)為研究對象，針對風(fēng)洞靜壓測試中出現(xiàn)的干擾問題，利用ANSYS公司的Electronics Desktop仿真平臺，對結(jié)冰風(fēng)洞變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行電磁兼容仿真，查找影響靜壓測量的干擾因素，為解決風(fēng)洞靜壓測量干擾問題提供數(shù)據(jù)和解決措施。

1 系統(tǒng)組成

結(jié)冰風(fēng)洞變頻調(diào)速系統(tǒng)由高壓開關(guān)柜、大功率變頻器、異步電機(jī)、增量編碼器、核心控制PLC、軟啟動器、溫度傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、遠(yuǎn)程I/O、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)和絕對值編碼器等設(shè)備組成。具體組成如圖1所示。

圖1 動力系統(tǒng)組成圖Fig.1 The composition diagram of variable frequency speed control system

變頻器選用西門子羅賓康完美無諧波系列高壓變頻器，型號為PH-10-6.9-6000，采用6個單元串聯(lián)，10.0 kV輸入和6.9 kV輸出，額定電流660 A，功率單元開關(guān)頻率為600 Hz，輸出相電壓等效開關(guān)頻率為7.2 kHz。電機(jī)選用東方電機(jī)廠型號為BPY6000-12的變頻調(diào)速異步電動機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)為：12極，額定功率6 000 kW，額定電流625 A，額定電壓6 900 V，額定頻率47.8 Hz，額定轉(zhuǎn)速475 r/min，功率因數(shù)0.83。變頻器和電機(jī)進(jìn)線電纜均選擇兩根并聯(lián)的YJV22型3×185 mm2銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣鋼帶鎧裝聚氯乙烯護(hù)套電力電纜。傳感器信號電纜均選擇2×0.75 mm2雙絞屏蔽電纜。

2 電磁兼容仿真

2.1 仿真原理

仿真原理是：利用ANSYS的電力電子系統(tǒng)仿真工具Simplorer建立移相變壓器和變頻器的電路模型，利用Q3D提取電纜的寄生參數(shù)，并代入到Simplorer的電路模型中，開展變頻器傳導(dǎo)干擾仿真。將變頻器輸出接地噪聲作為激勵源，利用Designer軟件實(shí)現(xiàn)電纜間串?dāng)_的仿真。同時，將變頻器輸出諧波信號作為激勵源，利用HFSS軟件實(shí)現(xiàn)空間電磁場的仿真。仿真原理如圖2所示。

圖2 仿真原理圖Fig.2 The principle diagram of simulation

2.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)諧波仿真

大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)的動力電纜較長，在高頻情況下電纜的模型比較復(fù)雜，通常采用分布電阻R，分布電感L以及分布電容C來建立電纜的高頻模型，并且一般情況下可以認(rèn)為這些參數(shù)沿線路均勻分布[13-14]。在變頻驅(qū)動系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾建模中，由于IGBT產(chǎn)生的干擾頻率較高，且線纜長度與傳輸信號的波長在同一數(shù)量級，此時電機(jī)線纜已無法再作為理想傳輸線考慮，需要建立電機(jī)線繩的分布參數(shù)模型。電機(jī)電纜單位長度高頻等效模型如圖3所示。

圖3 電機(jī)單位長度電纜高頻等效模型Fig.3 The unit length high-frequency model of motor cable

由于風(fēng)洞已經(jīng)投入運(yùn)行，且從變頻器到電機(jī)的電纜距離超過50 m，無法進(jìn)行對電纜的高頻寄生參數(shù)進(jìn)行精確測試，因此根據(jù)風(fēng)洞地溝動力電纜和信號電纜的布置方式，采用Q3D建立動力電纜和信號電纜模型和網(wǎng)格剖分，電纜模型如圖4所示，網(wǎng)格剖分如圖5所示。

圖4 變頻器調(diào)速系統(tǒng)電纜模型Fig.4 The cable model of variable frequency speed control system

圖5 電纜模型網(wǎng)格剖分Fig.5 The mesh of cable model

由于變頻調(diào)速系統(tǒng)現(xiàn)場干擾以低頻為主，頻率主要在0.15～30 MHz，因此仿真時，取1 m為單位長度，仿真頻率設(shè)置為30 MHz，仿真計算結(jié)果如圖6所示。變頻調(diào)速系統(tǒng)諧波仿真模型如圖7所示。

圖6 電機(jī)線纜的高頻參數(shù)仿真結(jié)果Fig.6 The high-frequency parameter simulation result of motor cable

圖7 變頻調(diào)速系統(tǒng)諧波仿真模型Fig.7 The harmonic simulation model of variable frequency speed control system

通過圖6可以得出各相電芯與屏蔽地之間單位長度的寄生電容值約為51 PF。

如圖7所示，根據(jù)變頻調(diào)速系統(tǒng)組成，利用Simplorer建立變頻調(diào)速系統(tǒng)電路模型，包括移相整流變壓器模型、變頻器整流電路模型、變頻逆變電路模型、電機(jī)模型、電纜高頻參數(shù)等。

電機(jī)的仿真三相負(fù)載波形如圖8所示，通過波形可以看出，雖然三相負(fù)載接近于正弦，但是波形中存在相當(dāng)?shù)闹C波分量。

圖8 變頻調(diào)速系統(tǒng)三相輸出電流仿真波形Fig.8 The output three-phase current simulation waveforms of variable frequency speed control system

為了研究變頻調(diào)速系統(tǒng)輸出諧波以及對現(xiàn)場的其他測量設(shè)備傳導(dǎo)干擾，對變頻調(diào)速系統(tǒng)輸出對地干擾信號的時域和頻域波形進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 變頻調(diào)速系統(tǒng)對地干擾時域波形Fig.9 The time domain waveform of earthing noise from variable frequency speed control system

圖10 變頻調(diào)速系統(tǒng)對地干擾頻域波形Fig.10 The spectrum waveform of earthing noise from variable frequency speed control system

通過圖9和圖10的仿真結(jié)果可以看出，變頻器調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)對地干擾主要集中在1 kHz～1 MHz之間。

2.3 信號線串?dāng)_仿真

將變頻器調(diào)速系統(tǒng)輸出相電壓上的諧波作為動力電纜上的噪聲源，利用Designer軟件建立線纜串?dāng)_仿真模型，分別對變頻器輸出動力電纜單端接地和兩端接地時，信號電纜上感應(yīng)的干擾信號進(jìn)行仿真，仿真模型如圖11所示。

圖11 線纜接地串?dāng)_仿真模型Fig.11 Simulation model of cables grounding crosstalk

信號線串?dāng)_仿真結(jié)果如圖12、圖13所示。通過仿真結(jié)果可以看出，變頻器輸出動力電纜雙端接地時，信號線上耦合的干擾信號要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于動力電纜單端接地時的情況，因此變頻器輸出動力電纜兩端接地能夠有效降低動力電纜對于信號線的干擾。

圖12 動力電纜單端接地時的仿真結(jié)果Fig.12 Simulation result of single-end earthed power cable

圖13 動力電纜兩端接地時的仿真結(jié)果Fig.13 Simulation result of two-end earthed power cable

2.4 空間輻射仿真

變頻調(diào)速系統(tǒng)頻率較低，來自控制柜縫隙的電磁泄露幾乎可以不計，因此系統(tǒng)中輻射的主要載體為線纜，一定長度的線纜在某些頻段可以表現(xiàn)出高強(qiáng)度天線效應(yīng)，輻射出電磁能量，所以建模主要對象為線纜模型，另外包含線纜溝槽地板模型等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。采用三維電磁場仿真工具HFSS建立3D模型，如圖14所示，設(shè)置噪聲端口輻射邊界等，采用高精度有限元算法求解變頻調(diào)速系統(tǒng)電纜輻射三維空間電磁場特性，仿真結(jié)果如圖15所示。

圖14 動力電纜三維空間電磁場仿真模型Fig.14 The three-dimensional electromagnetic field simulation model of power cables

圖15 動力電纜三維空間電磁場仿真結(jié)果Fig.15 The three-dimensional electromagnetic field simulation result of power cables

通過仿真結(jié)果可以看出，在動力電纜的附近，其30 MHz的電場峰值達(dá)到了55.9 dB（μV/m），超過了GB 4824-2013《工業(yè)科學(xué)和醫(yī)療（ISM）射頻設(shè)備騷擾特性限值和測量方法》中限值要求，如表1所示。

表1 工業(yè)設(shè)備輻射發(fā)射場強(qiáng)限值Tab.1 Radiation field strength limit of industrial plant

通過對比仿真結(jié)果和國家標(biāo)準(zhǔn)可以看出，動力電纜的電磁場輻射強(qiáng)度已經(jīng)超過了國家標(biāo)準(zhǔn)要求的限值。

3 解決措施及效果

結(jié)冰風(fēng)洞變頻器采用6個功率單元H橋級聯(lián)的形式，移相整流變壓器實(shí)現(xiàn)36脈整流，因此其電源輸入側(cè)諧波很小，且風(fēng)洞靜壓測量系統(tǒng)與變頻調(diào)速系統(tǒng)的采用不同的供電，因此電源側(cè)的諧波干擾對靜壓測量的影響很小。

而通過分析仿真數(shù)據(jù)可以看出，影響靜壓測量系統(tǒng)的電磁干擾耦合途徑可能有：接地、空間輻射以及近場耦合。因此根據(jù)仿真結(jié)果，對現(xiàn)場進(jìn)行了電磁兼容整改，主要措施包括：

1）單獨(dú)設(shè)置現(xiàn)場靜壓測量接地，與變頻器調(diào)速系統(tǒng)接地分開；

2）將變頻調(diào)速系統(tǒng)的動力電纜采用兩端接地；

3）增加測量系統(tǒng)電纜線槽，線槽可靠接地，將靜壓測量電纜放入線槽，以降低動力電纜的空間輻射對測量電纜的影響。

整改前后的測量結(jié)果如圖16所示。通過對比可以看出，整改前靜壓測量受變頻調(diào)速系統(tǒng)電磁干擾的影響，其靜壓波動范圍為93.4～95.9 kPa，測量平均值為94.6 kPa，因此可以計算出，整改前靜壓最大測量誤差為1.3%，遠(yuǎn)超過靜壓測量0.1%的精度要求；而整改后的靜壓波動范圍為94.65～94.68 kPa，根據(jù)計算其測量精度達(dá)到了0.08%，滿足靜壓測量精度要求。

圖16 電磁兼容整改前后靜壓測量結(jié)果對比Fig.16 The static pressure measurement comparison between the rectified and un-rectified EMC solution

4 結(jié)論

針對風(fēng)洞現(xiàn)場測量系統(tǒng)容易受到變頻調(diào)速系統(tǒng)電磁干擾的問題，利用ANSYS Electronics Desktop軟件，通過采用電磁兼容“場-路”協(xié)同仿真的方法，對H橋級聯(lián)型大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)的EMI發(fā)射、信號線串?dāng)_以及空間輻射等電磁兼容問題進(jìn)行了仿真，為解決靜壓測量電磁干擾問題提供了數(shù)據(jù)和解決措施，并為風(fēng)洞大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。