1 引言
矩阵式变换器是一种直接型的交流-交流电力变换装置，其结构不同于传统的交-交变频器和交-直-交变换器，它具有很多优于传统交流电力变换装置的特性是极有发展前途的电力环保产品。但是，由于矩阵式变换器不具有直流储能环节，电网和负载会相互直接影响，例如，输入电压的干扰，会直接影响输出电压；同时负载侧的干扰也可以直接反映到输入侧，影响输入侧电能质量，严重时会造成对电网的谐波污染。本文对矩阵式变频调速系统的抗电磁干扰进行了分析和设计。

2 矩阵式变频调速系统的抗干扰分析
2.1矩阵式变换器emi主要来源
矩阵式变换器具有能量双向流通、正弦输入输出电流、高输入功率因数等一系列优点。因而在交流调速系统中，使用矩阵式变换器驱动异步电动机，一方面能够实现较好的传动性能，另一方面也可以满足日益严格的电网电能质量的要求。但矩阵式变换器是ac/ac直接变换，电网和负载会相互直接影响，emi比较严重。
（1）电网的波动会直接对负载（如异步电机）产生干扰。
（2）用igbt和反并联二极管构成的双向开关，以及它们的控制电路都存在着高的di/dt，它们通过线路或元器件的引线电感引起瞬态电磁噪声，其频率为几千赫兹，成为不可忽略的噪声源。
（3）采用pwm调制技术的主功率电路中，通常会流过一系列的pwm功率脉冲，其重复频率视应用场合可达几千赫兹，因而这些脉冲电流中所包含的谐波可以达到几兆赫兹乃至几十兆赫兹的范围^[1]。
2.2 矩阵式变频调速系统产生的干扰
随着开关频率的提高和功率密度的增加，以及频率与功率容量乘积的提高，而变得严重，较高的频率开关产生的高次谐波，将导致高电平的传导和辐射干扰。

3 矩阵式变频调速系统的抗干扰设计
3.1 抗电磁干扰设计思想
在设计阶段，就应当根据成本、体积和复杂程度，认真对待emi的问题。力求通过正确选择拓扑结构，采用软开关和安全换流技术、吸收电路和合理布置等方法，将电磁干扰源的强度减少到最低限度。此外，必须用emc滤波器将高次谐波信号从系统中滤除，防止它们作为传导干扰进入电网。
3.2 抗电磁干扰设计
（1）输入侧加入抗电磁干扰设计
由于矩阵式变频器采用pwm控制方式，这样的脉冲调制形式使得变频器运行时在电源侧产生高次谐波电流，并造成电压波形畸变，对电源系统产生严重影响，可以采用在变频器输入侧加输入lc滤波器，减少矩阵式变频器产生的开关频率谐波，lc滤波器^[2]可以采用单级或多个，如图1所示。

图1 lc滤波器在矩阵式变换器电路中的位置

（2）矩阵式变换器输入滤波器等效电路分析
假定交流电源侧为低阻抗电压源u_i，矩阵式变换器看成是一个高阻抗电流源i_matrix。那么lc滤波器只能选择“t”型结构^[3]。则输入滤波器等效电路如图2所示，为了得到功率因数为1，必须尽可能确保输入电流i_l和输入电压u_i同相。

图2 矩阵式变换器输入滤波器等效电路图

由图2可得
(1)

(2)
输入滤波器的设计须满足截止频率低于开关频率，体积和重量应尽可能小，在滤波电感上的压降应尽可能小，功率因数应尽可能大[4]。
（3）lc滤波器参数计算
● 滤波电容参数计算
滤波电容参数选取应考虑的因素有：由电容引起的输入电流对输出电压的相位延迟、电网频率、输入电流的峰值或理想的输出功率。
为了减少对电网的干扰，矩阵式变换器要尽可能保证接近1的功率因数，因此，矩阵式变换器必须尽可能补偿由引入输入滤波器的延迟。滤波电容是造成延迟的主要因素，所以输入电流比输入电压有一个延迟角。设定π/6为最大的可以接受的延迟角。则

(3)
由式（3）可得：

(4)
式中：为滤波器截止角频率。考虑到滤波器电感引起的电压延迟可以忽略，由式（3）可得
（5）
要求滤波器的截止频率比电网频率高一个数量级，则
（6）
另外，滤波器电容的最大值取决于输入电流的峰值或理想的输出功率。则有
(7)

或 (8)
(9)
由式（9）可知，当功率已知时，可确定电容的限制值。
将电源和滤波器视作一个回路，通过能量守恒定理就可以得到滤波电容的耐压值。由

其中in是额定输入相电流，u是电容需要的最小耐压值。
● 滤波器电感参数计算
滤波器的截止频率fc应选择在电网频率和开关频率之间，通常和电网频率及开关频率都有10倍关系。若已知矩阵式变换器的开关频率，则可确定滤波器的截止频率fc。

3.3 矩阵式变频器输出端的抗尖峰电压干扰设计
（1）抑制高频开关形成的尖峰电压
在矩阵式变频器的输出电压中，含有高频开关形成的尖峰电压。这些高次谐波冲击电压将降低电动机绕组的绝缘强度，尤其以pwm控制型变频器更为明显。对于高频开关形成的尖峰电压可采取以下措施加以抑制。
● 尽量缩短变频器到电机的配线距离。
● 采用阻断二极管的浪涌电压吸收装置，对变频器输出电压进行处理。
● 对pwm型矩阵变频器应尽量在电机输入侧加装图3所示输出滤波器。输出滤波器也由电感线圈构成，它可以有效地削弱输出电流中的高次谐波成份，不仅起到抗干扰的作用，而且能削弱电动机中由高次谐波电流引起的附加转矩。
（2）注意事项
对于变频器输出端的抗干扰措施，必须注意以下两方面：
● 变频器的输出端不允许接入电容器，以免在逆变管导通（或关断）瞬间，产生峰值很大的充电（或放电）电流，损害逆变管；
● 当输出滤波器由lc电路构成时，滤波器内接入电容器的一侧必须与电动机侧相接，如图3（a）所示。图3（b）中无滤波器时输出电压上升沿有明显冲击电压，容易造成电机绝缘损伤。

图2 矩阵式变换器输入滤波器等效电路图

4 结束语
矩阵式变换器由于其十分优越的变换性能，是未来极有发展前途的电力环保产品。本文针对矩阵式变频调速系统的各种可能电磁干扰，提出了输入端和输出端的抗电磁干扰设计。实践证明，通过合理设计，可以将电磁干扰源的强度减少到最低限度。

作者简介
龙卓珉(1972-) 女 讲师 在读硕士，主要从事信号测量、处理及自动控制的教学和研究。