變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中變頻器的電磁兼容性
1 引言
在鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的各種調(diào)速方式中，變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)占有極其重要的地位，有強(qiáng)大的生命力。這類系統(tǒng)具有功率因素高、輸出諧波小、起動(dòng)平穩(wěn)、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。由于變頻器具有高效、節(jié)能和智能化的特點(diǎn)，因而成為電力電子技術(shù)和交流傳動(dòng)的重要組成部分。變頻器大多運(yùn)行于惡劣的電磁環(huán)境，且作為電力電子設(shè)備，內(nèi)部由電子元器件、計(jì)算機(jī)芯片等組成，易受外界的一些電氣干擾，其輸入側(cè)和輸出側(cè)的電壓、電流含有豐富的高次諧波，投入運(yùn)行既要防止外界干擾它，又要防止它干擾外界，即所謂的電磁兼容性。
國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)對(duì)電磁兼容性的定義是“電磁兼容性是電子設(shè)備的一種功能，電子設(shè)備在電磁環(huán)境中能完成其功能，而不產(chǎn)生不能容忍的干擾?！蔽覈?guó)最近頒布的“電磁兼容性”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)電磁兼容性作出如下定義:“設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力?！边@里所講電磁環(huán)境是指存在于給定場(chǎng)所的所有電磁現(xiàn)象。這表明電磁兼容性有雙重含義:設(shè)備或系統(tǒng)不僅應(yīng)具有抑制外部電磁干擾的能力;而且所產(chǎn)生的電磁干擾應(yīng)不得影響同一電磁環(huán)境中其它電子設(shè)備的正常工作。顯然，電磁兼容性要比單純講的抗干擾能力的意義更為深遠(yuǎn)。
變頻器的電磁兼容性問(wèn)題解決的好壞很大程度決定了交流變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。因此電磁兼容性越來(lái)越成為需要迫切關(guān)切和解決的重要技術(shù)問(wèn)題。
2 變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的主要電磁干擾源及途徑
2.1 主要電磁干擾源
電磁騷擾，稱電磁干擾(EMI)，是以外部噪聲和無(wú)用信號(hào)在接收中所造成的電磁騷擾，以路的傳導(dǎo)和以場(chǎng)的形式傳播。變頻器的整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)來(lái)說(shuō)是非線性負(fù)載，它所產(chǎn)生的諧波對(duì)同一電網(wǎng)的其它電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾。另外變頻器的逆變器大多采用PWM技術(shù)，當(dāng)工作于開(kāi)關(guān)模式且作高速切換時(shí)，產(chǎn)生大量耦合性噪聲。因此變頻器對(duì)系統(tǒng)內(nèi)其它的電子、電氣設(shè)備來(lái)說(shuō)是一電磁干擾源。另一方面，電網(wǎng)中的諧波干擾主要通過(guò)變頻器的供電電源干擾變頻器。電網(wǎng)中存在大量諧波源如各種整流設(shè)備、交直流互換設(shè)備、電子電壓調(diào)整設(shè)備，非線性負(fù)載及照明設(shè)備等。這些負(fù)荷都使電網(wǎng)中的電壓、電流產(chǎn)生波形畸變，從而對(duì)電網(wǎng)中其它設(shè)備產(chǎn)生危害的干擾。變頻器的供電電源受到來(lái)自被污染的交流電網(wǎng)的干擾后若不加處理，電網(wǎng)噪聲就會(huì)通過(guò)電網(wǎng)電源電路干擾變頻器。供電電源的干擾對(duì)變頻器主要有(1)過(guò)壓、欠壓、瞬時(shí)掉電(2)浪涌、跌落 (3)尖峰電壓脈沖 (4)射頻干擾。其次，共模干擾通過(guò)變頻器的控制信號(hào)線也會(huì)干擾變頻器的正常工作。
2.2 電磁干擾的途徑
變頻器能產(chǎn)生功率較大的諧波，由于功率較大，對(duì)系統(tǒng)其它設(shè)備干擾性較強(qiáng)，其干擾途徑與一般電磁干擾途徑是一致的，主要分傳導(dǎo)、電磁輻射、感應(yīng)耦合。具體為:首先對(duì)周?chē)碾娮?、電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射;其次對(duì)直接驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電磁噪聲，使得電機(jī)鐵耗和銅耗增加;并傳導(dǎo)干擾到電源，通過(guò)配電網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)給系統(tǒng)其它設(shè)備;最后變頻器對(duì)相鄰的其它線路產(chǎn)生感應(yīng)耦合，感應(yīng)出干擾電壓或電流。同樣，系統(tǒng)內(nèi)的干擾信號(hào)通過(guò)相同的途徑干擾變頻器的正常工作。
3 抗電磁干擾的措施
據(jù)電磁性的基本原理，形成電磁干擾(EMI)須具備三要素:電磁干擾源、電磁干擾途徑、對(duì)電磁干擾敏感的系統(tǒng)。為防止干擾，可采用硬件抗干擾和軟件抗干擾。其中，硬件抗干擾是應(yīng)用措施系統(tǒng)最基本和最重要的抗干擾措施，一般從抗和防兩方面入手來(lái)抑制干擾，其總原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對(duì)系統(tǒng)的藕合通道、降低系統(tǒng)干擾信號(hào)的敏感性。具體措施在工程上可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。
所謂干擾的隔離，是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開(kāi)來(lái)，使它們不發(fā)生電的聯(lián)系。在變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中，通常是電源和放大器電路之間電源線上采用隔離變壓器以免傳導(dǎo)干擾，電源隔離變壓器可應(yīng)用噪聲隔離變壓器。
在系統(tǒng)線路中設(shè)置濾波器的作用是為了抑制干擾信號(hào)從變頻器通過(guò)電源線傳導(dǎo)干擾到電源從電動(dòng)機(jī)。為減少電磁噪聲和損耗，在變頻器輸出側(cè)可設(shè)置輸出濾波器;為減少對(duì)電源干擾，可在變頻器輸入側(cè)設(shè)置輸入濾波器。若線路中有敏感電子設(shè)備，可在電源線上設(shè)置電源噪聲濾波器以免傳導(dǎo)干擾。
屏蔽干擾源是抑制干擾的最有效的方法。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽，不讓其電磁干擾泄漏;輸出線最好用鋼管屏蔽，特別是以外部信號(hào)控制變頻器時(shí)，要求信號(hào)線盡可能短(一般為20m以內(nèi))，且信號(hào)線采用雙芯屏蔽，并與主電路線(AC380V)及控制線(AC220V)完全分離，決不能放于同一配管或線槽內(nèi)，周?chē)娮用舾性O(shè)備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。實(shí)踐證明，接地往往是抑制噪聲和防止干擾的重要手段。良好的接地方式可在很大程度上抑制內(nèi)部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。變頻器本身有專用接地端子PE端，從安全和降低噪聲的需要出發(fā)，必須接地。既不能將地線接在電器設(shè)備的外殼上，也不能接在零線上?？捎幂^粗的短線一端接到接地端子PE端，另一端與接地極相連，接地電阻取小于100Ω，接地線長(zhǎng)度在20m以內(nèi)，并注意合理選擇接地極的位置。
當(dāng)系統(tǒng)的抗干擾能力要求較高時(shí)，為減少對(duì)電源的干擾，在電源輸入端可加裝電源濾波器。為抑制變頻器輸入側(cè)的諧波電流，改善功率因素，可在變頻器輸入端加裝交流電抗器，選用與否可視電源變壓器與變頻器容量的匹配情況及電網(wǎng)允許的畸變程度而定，一般情況下采用為好。為改善變頻器輸出電流，減少電機(jī)噪聲，可在變頻器輸出端加裝交流電抗器。
以上抗干擾措施可根據(jù)系統(tǒng)的抗干擾要求來(lái)合理選擇使用。若系統(tǒng)中含控制單元如微機(jī)等，還須在軟件上采取抗干擾措施。
4 結(jié)束語(yǔ)
變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中，重視變頻器的EMC要求，已成為變頻變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用必須面對(duì)的問(wèn)題，也是變頻器應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵之一。我們相信變頻器的EMC問(wèn)題一定會(huì)得到有效解決。
在鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的各種調(diào)速方式中，變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)占有極其重要的地位，有強(qiáng)大的生命力。這類系統(tǒng)具有功率因素高、輸出諧波小、起動(dòng)平穩(wěn)、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。由于變頻器具有高效、節(jié)能和智能化的特點(diǎn)，因而成為電力電子技術(shù)和交流傳動(dòng)的重要組成部分。變頻器大多運(yùn)行于惡劣的電磁環(huán)境，且作為電力電子設(shè)備，內(nèi)部由電子元器件、計(jì)算機(jī)芯片等組成，易受外界的一些電氣干擾，其輸入側(cè)和輸出側(cè)的電壓、電流含有豐富的高次諧波，投入運(yùn)行既要防止外界干擾它，又要防止它干擾外界，即所謂的電磁兼容性。
國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)對(duì)電磁兼容性的定義是“電磁兼容性是電子設(shè)備的一種功能，電子設(shè)備在電磁環(huán)境中能完成其功能，而不產(chǎn)生不能容忍的干擾?！蔽覈?guó)最近頒布的“電磁兼容性”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)電磁兼容性作出如下定義:“設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力?！边@里所講電磁環(huán)境是指存在于給定場(chǎng)所的所有電磁現(xiàn)象。這表明電磁兼容性有雙重含義:設(shè)備或系統(tǒng)不僅應(yīng)具有抑制外部電磁干擾的能力;而且所產(chǎn)生的電磁干擾應(yīng)不得影響同一電磁環(huán)境中其它電子設(shè)備的正常工作。顯然，電磁兼容性要比單純講的抗干擾能力的意義更為深遠(yuǎn)。
變頻器的電磁兼容性問(wèn)題解決的好壞很大程度決定了交流變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。因此電磁兼容性越來(lái)越成為需要迫切關(guān)切和解決的重要技術(shù)問(wèn)題。
2 變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的主要電磁干擾源及途徑
2.1 主要電磁干擾源
電磁騷擾，稱電磁干擾(EMI)，是以外部噪聲和無(wú)用信號(hào)在接收中所造成的電磁騷擾，以路的傳導(dǎo)和以場(chǎng)的形式傳播。變頻器的整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)來(lái)說(shuō)是非線性負(fù)載，它所產(chǎn)生的諧波對(duì)同一電網(wǎng)的其它電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾。另外變頻器的逆變器大多采用PWM技術(shù)，當(dāng)工作于開(kāi)關(guān)模式且作高速切換時(shí)，產(chǎn)生大量耦合性噪聲。因此變頻器對(duì)系統(tǒng)內(nèi)其它的電子、電氣設(shè)備來(lái)說(shuō)是一電磁干擾源。另一方面，電網(wǎng)中的諧波干擾主要通過(guò)變頻器的供電電源干擾變頻器。電網(wǎng)中存在大量諧波源如各種整流設(shè)備、交直流互換設(shè)備、電子電壓調(diào)整設(shè)備，非線性負(fù)載及照明設(shè)備等。這些負(fù)荷都使電網(wǎng)中的電壓、電流產(chǎn)生波形畸變，從而對(duì)電網(wǎng)中其它設(shè)備產(chǎn)生危害的干擾。變頻器的供電電源受到來(lái)自被污染的交流電網(wǎng)的干擾后若不加處理，電網(wǎng)噪聲就會(huì)通過(guò)電網(wǎng)電源電路干擾變頻器。供電電源的干擾對(duì)變頻器主要有(1)過(guò)壓、欠壓、瞬時(shí)掉電(2)浪涌、跌落 (3)尖峰電壓脈沖 (4)射頻干擾。其次，共模干擾通過(guò)變頻器的控制信號(hào)線也會(huì)干擾變頻器的正常工作。
2.2 電磁干擾的途徑
變頻器能產(chǎn)生功率較大的諧波，由于功率較大，對(duì)系統(tǒng)其它設(shè)備干擾性較強(qiáng)，其干擾途徑與一般電磁干擾途徑是一致的，主要分傳導(dǎo)、電磁輻射、感應(yīng)耦合。具體為:首先對(duì)周?chē)碾娮?、電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射;其次對(duì)直接驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電磁噪聲，使得電機(jī)鐵耗和銅耗增加;并傳導(dǎo)干擾到電源，通過(guò)配電網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)給系統(tǒng)其它設(shè)備;最后變頻器對(duì)相鄰的其它線路產(chǎn)生感應(yīng)耦合，感應(yīng)出干擾電壓或電流。同樣，系統(tǒng)內(nèi)的干擾信號(hào)通過(guò)相同的途徑干擾變頻器的正常工作。
3 抗電磁干擾的措施
據(jù)電磁性的基本原理，形成電磁干擾(EMI)須具備三要素:電磁干擾源、電磁干擾途徑、對(duì)電磁干擾敏感的系統(tǒng)。為防止干擾，可采用硬件抗干擾和軟件抗干擾。其中，硬件抗干擾是應(yīng)用措施系統(tǒng)最基本和最重要的抗干擾措施，一般從抗和防兩方面入手來(lái)抑制干擾，其總原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對(duì)系統(tǒng)的藕合通道、降低系統(tǒng)干擾信號(hào)的敏感性。具體措施在工程上可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。
所謂干擾的隔離，是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開(kāi)來(lái)，使它們不發(fā)生電的聯(lián)系。在變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中，通常是電源和放大器電路之間電源線上采用隔離變壓器以免傳導(dǎo)干擾，電源隔離變壓器可應(yīng)用噪聲隔離變壓器。
在系統(tǒng)線路中設(shè)置濾波器的作用是為了抑制干擾信號(hào)從變頻器通過(guò)電源線傳導(dǎo)干擾到電源從電動(dòng)機(jī)。為減少電磁噪聲和損耗，在變頻器輸出側(cè)可設(shè)置輸出濾波器;為減少對(duì)電源干擾，可在變頻器輸入側(cè)設(shè)置輸入濾波器。若線路中有敏感電子設(shè)備，可在電源線上設(shè)置電源噪聲濾波器以免傳導(dǎo)干擾。
屏蔽干擾源是抑制干擾的最有效的方法。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽，不讓其電磁干擾泄漏;輸出線最好用鋼管屏蔽，特別是以外部信號(hào)控制變頻器時(shí)，要求信號(hào)線盡可能短(一般為20m以內(nèi))，且信號(hào)線采用雙芯屏蔽，并與主電路線(AC380V)及控制線(AC220V)完全分離，決不能放于同一配管或線槽內(nèi)，周?chē)娮用舾性O(shè)備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。實(shí)踐證明，接地往往是抑制噪聲和防止干擾的重要手段。良好的接地方式可在很大程度上抑制內(nèi)部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。變頻器本身有專用接地端子PE端，從安全和降低噪聲的需要出發(fā)，必須接地。既不能將地線接在電器設(shè)備的外殼上，也不能接在零線上?？捎幂^粗的短線一端接到接地端子PE端，另一端與接地極相連，接地電阻取小于100Ω，接地線長(zhǎng)度在20m以內(nèi)，并注意合理選擇接地極的位置。
當(dāng)系統(tǒng)的抗干擾能力要求較高時(shí)，為減少對(duì)電源的干擾，在電源輸入端可加裝電源濾波器。為抑制變頻器輸入側(cè)的諧波電流，改善功率因素，可在變頻器輸入端加裝交流電抗器，選用與否可視電源變壓器與變頻器容量的匹配情況及電網(wǎng)允許的畸變程度而定，一般情況下采用為好。為改善變頻器輸出電流，減少電機(jī)噪聲，可在變頻器輸出端加裝交流電抗器。
以上抗干擾措施可根據(jù)系統(tǒng)的抗干擾要求來(lái)合理選擇使用。若系統(tǒng)中含控制單元如微機(jī)等，還須在軟件上采取抗干擾措施。
4 結(jié)束語(yǔ)
變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中，重視變頻器的EMC要求，已成為變頻變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用必須面對(duì)的問(wèn)題，也是變頻器應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵之一。我們相信變頻器的EMC問(wèn)題一定會(huì)得到有效解決。
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