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淺談交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的EMC問題

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摘要：討論了交流變頻器系統(tǒng)的抗干擾性和干擾性并提出了防干擾和抗干擾的錯(cuò)是。
   關(guān)鍵詞：干擾性電磁兼容性變頻
    隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，交流變頻調(diào)速的應(yīng)用越來越廣泛。在各種調(diào)速方式中，交流變頻調(diào)速技術(shù)已被國(guó)內(nèi)外*為是、zui有發(fā)展前途的一種調(diào)速方式了。當(dāng)工廠和設(shè)備采用交流調(diào)速時(shí)，在變頻器的電源側(cè)和電機(jī)側(cè)都會(huì)產(chǎn)生諧波干擾。一方面當(dāng)變頻器運(yùn)行時(shí)要防止會(huì)受到外界的電磁干擾；另一方面又要防止產(chǎn)生高次諧波干擾外部其他設(shè)備，即所謂的“EMC”。
一、什么是EMC？
    EMC即是“電磁兼容性”。它是指電氣設(shè)備在電磁環(huán)境中良好的工作能力，并且不能產(chǎn)生在此環(huán)境中工作的其它設(shè)備所不能接受的電磁干擾。
    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。”
    我國(guó)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)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾”。
    顯然，電磁兼容性含有雙重含義：抗干擾性和干擾性。
二、變頻器及電磁兼容性
    一般來說，電氣設(shè)備必須同時(shí)具有對(duì)高頻和低頻干擾的抑制能力。其中高頻干擾主要包括靜電放電、脈沖干擾和發(fā)射性頻率的電磁場(chǎng)等；而低頻干擾主要指電源電壓波動(dòng)、欠壓和頻率不穩(wěn)定等。通常變頻器能夠運(yùn)行在一個(gè)可能存在著較高電磁干擾（EM1）的工業(yè)環(huán)境中，它既是噪聲發(fā)射源，可能又是噪聲接受器。
    1、變頻器所受的外部干擾
    1）晶體管換流設(shè)備對(duì)變頻器的干擾：當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有容量較大的晶閘管換流設(shè)備時(shí)，由于晶閘管總是在每相半周期內(nèi)的部分時(shí)間導(dǎo)通，容易使網(wǎng)絡(luò)電壓出現(xiàn)凹凸（如圖1-1所示）。它使變頻器輸入側(cè)的整流電路有可能因此出現(xiàn)較大的反向回復(fù)電壓而受到損害。
    2）補(bǔ)償電容器的投入和切出對(duì)變頻器的干擾：當(dāng)在供電線路的變電所內(nèi)采用集中電容補(bǔ)償?shù)姆椒▉硖岣吖β室驍?shù)時(shí)，在補(bǔ)償電容投入和切出的暫態(tài)過程中，網(wǎng)絡(luò)電壓有可能出現(xiàn)很高的峰值（如圖1-2所示）。其結(jié)果是可能使變頻器的整流二極管內(nèi)承受過高的反向電壓而擊穿。
    2、變頻器對(duì)外部的干擾
    1）變頻器電流波形：變頻器的輸入電流和輸出電流中，都具有較強(qiáng)的高次諧波成分，它們將對(duì)其它控制設(shè)備形成干擾，影響其它設(shè)備的正常工作。
    輸入電流的波形：如“交-直-交”電壓型變頻器的輸入側(cè)是整流和濾波電路（如圖示2-2所示），只有電源的線電壓U2大于電容兩端的電壓UD時(shí)，整流橋中有充電電流。

    輸出電壓與電流的波形: 絕大多數(shù)變頻器的逆變橋都采用PWM調(diào)制方式（如圖2—2），其輸出電壓為占空比按正弦規(guī)律分布的系列矩形波（如圖2-3所示）。
    寄生電容Cp存在于電機(jī)電纜和電機(jī)內(nèi)部，因此變頻器的PWM輸出電壓波形的開關(guān)翼部通過寄生電容產(chǎn)生一個(gè)高頻脈沖電流Is，使變頻器成為一個(gè)諧波干擾源。由于諧波電流Is的產(chǎn)生源是變頻器,因此它一定要流回變頻器。圖中Ze為大地阻抗,Zn為動(dòng)力電纜與地之間的阻抗。諧波電流流過此二阻抗所造成的電壓降,將影響到同一電網(wǎng)上的其它設(shè)備造成干擾。

    3、干擾信號(hào)的傳播方式
    變頻器的輸入和輸出電流中，都含有很多高次諧波成份，它們將以各種方式把自己的能量傳播出去，形成對(duì)其它設(shè)備的干擾信號(hào)。大體上說，干擾信號(hào)的傳播方式有以下幾種：
    1）電路耦合方式：即通過電源網(wǎng)絡(luò)傳播。
    由于輸入電流為非正弦波，當(dāng)變頻器的容量較大時(shí)，將使網(wǎng)絡(luò)電壓產(chǎn)生畸變，影響其它設(shè)備工作。這是變頻器輸入電流干擾信號(hào)的主要傳播方式。
    2）感應(yīng)耦合方式：當(dāng)變頻器輸入電路或輸出電路與其它設(shè)備的電路靠得很近時(shí)，變頻器的高次諧波信號(hào)將通過感應(yīng)的方式耦合到其它設(shè)備中去。感應(yīng)的方式有兩種
    電磁感應(yīng)方式：即通過電感而感應(yīng)。這是電流干擾信號(hào)的主要傳播方式。
    靜電感應(yīng)方式：即通過線間電容而感應(yīng)。這是電壓干擾信號(hào)的主要傳播方式。
    3）空中幅射方式：即以電磁波的方式向空中幅射，這是頻率較高的諧波含量的主要傳播方式。
    4、變頻器的抗干擾措施
    1）、電抗器（如圖4-1所示）：在變頻器的輸入回路中，頻率較低的諧波含量（5-11次等）所含的比重較高，它們除了可能干擾其他設(shè)備的正常運(yùn)行之外，還因?yàn)樗鼈兿牧舜罅康臒o功功率，使線路的功率因數(shù)大為下降。在輸入電路中串入電抗器是抑制較低諧波電流的有效方法。

    交流電抗器（進(jìn)線電抗器）：串聯(lián)在電源與變頻器輸入側(cè)之間，進(jìn)線電抗器的主要作用如下：
    （1）降低變頻器產(chǎn)生的諧波，同時(shí)增加電源阻抗。
    （2）吸收削弱附近設(shè)備產(chǎn)生的浪涌電壓、電流和主電源的電壓尖峰對(duì)變頻器的沖擊。
    （3）消弱電源電壓不平衡對(duì)變頻器的影響
    直流電抗器（平波電抗器）：串聯(lián)在整流橋和濾波電容之間（如圖4-1中Ld），它的功能主要就是削弱逆變器輸入電流中的高次諧波成份，并且可通過抑制諧波電流來提高功率因數(shù)。
    2）濾波器；在變頻器的輸入輸出側(cè)電路中，除上述較低次的諧波成份外，還有許多頻率較高的諧波電流，它們將以各種方式形成對(duì)其他設(shè)備的干擾信號(hào)，濾波器就是用于削弱頻率較高的諧波分量的方法（如圖4-2所示）。
    輸入濾波器：通常有兩種
    （1）線路濾波器：主要由電感線圈構(gòu)成（如圖4-2中F11所示）。它主要通過增大線路在高頻下的阻抗來削弱頻率較高的諧波電流。
    （2）輻射濾波器：主要由高頻電容構(gòu)成（如圖4-2中F12所示,也可以△接方式）。它將吸收掉頻率很高的具有輻射能量的諧波成份。使得流回電源的高頻電流大大減少。（也可以采用變頻器生產(chǎn)廠家提供的“無線電抗干擾濾波器”）。
    輸出濾波器：也主要由電感線圈構(gòu)成。它可以有效地削弱輸出電流中的高次諧波成份，不但起到抗干擾作用，而且能削弱電機(jī)中高次諧波電流引起的附加轉(zhuǎn)矩。
    注：當(dāng)輸出濾波器由LC電路構(gòu)成時(shí)，濾波器內(nèi)接入電容器的一側(cè)，必須與電動(dòng)機(jī)相接。

    3）、使用屏蔽電纜及合理布線：對(duì)通過感應(yīng)方式傳播的干擾信號(hào)可通過下列方式予以消除。
    使用屏蔽電機(jī)電纜：對(duì)于高頻干擾，如果高次諧波干擾電流Is有一條合理的通道，則高頻干擾是可以得到抑制的。如果使用非屏蔽電纜，則高次干擾諧波電流Is以一個(gè)不確定的路線流回變頻器，并在此回路中產(chǎn)生高頻分量壓降，影響干擾其它設(shè)備。為使高次諧波干擾電流Is能沿確定路線流回變頻器，需要采用屏蔽電機(jī)電纜。電纜屏蔽層必須連接到變頻器外殼和電機(jī)外殼上，當(dāng)高次諧波干擾電流Is必須回變頻器時(shí)，屏蔽層形成一條有效的通道。這樣，高次諧波干擾電流就不會(huì)在Ze上產(chǎn)生壓降，在Zn上的壓降可由進(jìn)線電抗干擾濾波器來抑制。
    屏蔽信號(hào)電纜增加抗干擾：當(dāng)變頻器作為被干擾對(duì)象時(shí)，高次諧波干擾電流Is可以通過電勢(shì)和耦合電容進(jìn)入變頻器并且在阻抗Zi上產(chǎn)生一個(gè)壓降，導(dǎo)致噪聲干擾。為此zui有效的方法是嚴(yán)格隔離高頻干擾和信號(hào)電纜，并且信號(hào)電纜屏蔽一定要在兩端接地。
    控制電纜使用屏蔽電纜。一般來說，控制電纜的屏蔽層應(yīng)直接在變頻器的內(nèi)部接地，另一側(cè)通過一個(gè)高頻小電容（例如3.3nf/3000V）接地。當(dāng)屏蔽層兩端的差模電壓不高和連接到同一地線上時(shí)，也可以將屏蔽層的兩端直接接地。信號(hào)線和它的返回線絞在一起，減小感性耦合引起的干擾。絞合越靠近端子越好。模擬信號(hào)的傳輸線應(yīng)使用雙屏蔽的雙絞線。不同的模擬信號(hào)線應(yīng)該獨(dú)立走線，有各自的屏蔽層，以減少線間的耦合。不要把不同的模擬信號(hào)置于同一個(gè)公共反回線。低壓數(shù)字信號(hào)使用雙屏蔽的雙絞線，也可以使用單屏蔽的雙絞線。
    良好的接地及合理的布線：確保柜體中的所有設(shè)備接地良好，使用短和粗的接地線連接到公共接地點(diǎn)或接地母排上。特別重要的是，連接到變頻器的任何控制設(shè)備要與其共地,同樣也要用短和粗的導(dǎo)線接地。采用扁平導(dǎo)體（如金屬網(wǎng)），因其在高頻時(shí)阻抗較低。
    合理布線也是很重要，模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的傳輸電纜應(yīng)該分別走線。盡量不要將低壓線與220VAC電源線共用同一電纜。應(yīng)盡量避免電機(jī)電纜與其它電纜長(zhǎng)距離平行走線。
    設(shè)計(jì)控制柜體時(shí)要注意EMC的區(qū)域原則，盡量把不同的設(shè)備規(guī)劃在不同的區(qū)域中。
三、結(jié)束語(yǔ)
    設(shè)備的抗干擾性和干擾性是一個(gè)很重要的問題，目前EMC已成為系統(tǒng)故障的一個(gè)主要原因。EMC的一條準(zhǔn)則是“預(yù)防是zui有效的、的方案”。所以EMC已成為保證變頻設(shè)備可靠正常運(yùn)行的一個(gè)不可忽視的重要問題。

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