1 概述

交流變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、傳動(dòng)效率高、運(yùn)行節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，從而獲得迅速推廣應(yīng)用。但由于變頻器中使用了IGBT 等高速開關(guān)器件，其EMC問題已成為必須考慮和研究的重要課題。EMC(電磁兼容)，是指設(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)境中任何器件構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。

EMC 包括兩方面的內(nèi)容：電磁干擾(EMI)和電磁抗擾。EMI 按傳播途徑可分為兩類：傳導(dǎo)干擾與輻射干擾。傳導(dǎo)干擾即沿著導(dǎo)體傳播的干擾，所以任何導(dǎo)體(如導(dǎo)線傳輸、電感器、電容器等)都是傳導(dǎo)干擾的傳輸通道。輻射干擾是指以電磁波形式傳播的干擾，其傳播的能量與距離的平方成反比。形成EMI 必須同時(shí)具備三個(gè)條件或稱三要素：干擾源、傳輸通道、敏感接收器，三者缺一不可。解決EMC 問題一般要從這三方面著手。對(duì)用戶而言，由于設(shè)備作為一電磁干擾源或接收器，不可更改，故解決EMC 問題主要是針對(duì)傳輸通道。

2 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的EMC 的特點(diǎn)

在一個(gè)配電工作系統(tǒng)中，變頻器和其他電氣(電子)設(shè)備一樣，既是電磁干擾源，又是電磁接收器，變頻器的工作原理決定了它會(huì)產(chǎn)生一定的EMI噪聲。同時(shí)，為了保證變頻器能在一定的電磁環(huán)境中可靠工作，設(shè)計(jì)變頻器時(shí)必須使其具有一定的抗EMI 能力。變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)其EMC 特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下方面。

1)輸入電流一般為非正弦波，電流中含有豐富的高次諧波，此諧波會(huì)對(duì)外形成EMI，降低電網(wǎng)的功率因數(shù)，增加線路損耗。

2)輸出電壓為高頻PWM波，它會(huì)影響電機(jī)溫升，縮短電機(jī)使用壽命，以及加大漏電流，使線路的漏電保護(hù)裝置誤動(dòng)作。同時(shí)，對(duì)外形成很強(qiáng)的電磁干擾，影響同一系統(tǒng)中其他用電設(shè)備的可靠性。

3)作為電磁接收器，過強(qiáng)的外來干擾會(huì)使變頻器誤動(dòng)作甚至損壞，影響用戶正常使用。

4)在系統(tǒng)配線中，變頻器的對(duì)外干擾和自身的抗干擾性相輔相成，故減少變頻器對(duì)外干擾的過程，同時(shí)也是提高變頻器抗干擾性的過程。

3 系統(tǒng)的基本配置及電路模型

在變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，為達(dá)到動(dòng)態(tài)響應(yīng)的高性能，需要有高的開關(guān)頻率。整流器使用的電子器件通常為高速開關(guān)的大功率IGBT(絕緣柵雙極晶體管)，其切換操作產(chǎn)生的電磁干擾，對(duì)外圍設(shè)備及變頻器的控制電路均產(chǎn)生不利影響：可導(dǎo)致周圍裝置的CPU、測(cè)試儀器、傳感器、漏電保護(hù)開關(guān)等發(fā)生誤動(dòng)作。同時(shí)，變換器低頻運(yùn)行時(shí)受高次諧波的影響引發(fā)電磁噪聲、振動(dòng)和損耗。交流電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)的基本配置如圖1 所示，

變頻器可分為整流器和變換器兩部分。圖2 是作為變頻器輸入部分的三相橋式整流器的模擬電路，圖3 是電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單的三相高頻模型。圖4 則為變頻器標(biāo)準(zhǔn)接線圖之一例(CHF 系列);表1 為其主電路端子的說明。

4 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)設(shè)備和器件的不利影響

4.1 干擾產(chǎn)生的機(jī)理

變頻器內(nèi)存在的IGBT等的高速開關(guān)切換，使電路中存在分布電感和分布電容。在電感和電容之間即產(chǎn)生磁能和靜電能的轉(zhuǎn)換，出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，因而形成了電磁發(fā)射。這就是之所以產(chǎn)生數(shù)十kHz至1GHz電磁噪音的機(jī)理。噪聲電流I可表示為

4.2 高次諧波電流和高頻電流的主要危害

變頻電機(jī)在低頻時(shí)因頻率的降低磁通增大，磁勢(shì)隨磁通的增大而增強(qiáng)，這樣高次諧波磁勢(shì)同時(shí)增強(qiáng)，并使電機(jī)產(chǎn)生較大損耗、振動(dòng)、噪聲等不良影響。

高次諧波電流可導(dǎo)致：

1)電力電容器發(fā)熱;

2)電抗器過熱燒損。

高頻電流可導(dǎo)致：

1)測(cè)量?jī)x器、傳感器、漏電保護(hù)開關(guān)和CPU誤動(dòng)作;

2)干擾其他電子設(shè)備。

4.3 變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的危害

電壓變換器產(chǎn)生的反復(fù)陡峭波形可加速電動(dòng)機(jī)的絕緣老化。由于高變化率dV/dt，在電動(dòng)機(jī)過電壓或其絕緣壽命下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)可能立即損壞。

5 改善變頻器EMC的對(duì)策

一般認(rèn)為改善EMC 的三大對(duì)策是：減小EMI源的強(qiáng)度;消弱或切斷EMI 的傳輸;提高弱電電子設(shè)備的抗干擾能力。如表2 所列。

現(xiàn)在所用IGBT的載波頻率一般為(3~12)kHz，僅考慮高次諧波影響是不夠的，必須從配電工程和接地等方面極力消除高頻的干擾。

5.1 設(shè)備本身的EMC措施

圖5 是在變頻器的輸入端裝有EMC 濾波器、輸出端裝有電抗器的示意圖。為了能有效地控制EMI 的影響，首先應(yīng)把濾波器和電抗器分別安裝在離變頻器的輸入/輸出端最近的地方;其次，要把濾波器和電抗器的屏蔽與變頻器的屏蔽有機(jī)地結(jié)合為一體，也就是除了要把它們的屏蔽接在一起，還要利用變頻器的屏蔽將濾波器和電抗器的輸入和輸出端隔開。因?yàn)樗鼈冇幂斎攵撕洼敵龆酥g仍然存在著電磁耦合，如果用變頻器的屏蔽將其隔開，可以起到加強(qiáng)控制(類似切斷)它們之間存在的電磁耦合的作用。這一點(diǎn)在實(shí)際安裝濾波器和電抗器過程中至關(guān)重要。

5.2 配電工程的EMC措施

5.2.1 屏蔽與噪聲抑制

所有的變頻器控制端子連接線采用屏蔽線，在變頻器入口處將其屏蔽層就近接地。接地采用電纜夾層構(gòu)成360毅環(huán)接。嚴(yán)禁將屏蔽層擰成辮子狀在與變頻器的“地”連接，這樣會(huì)導(dǎo)致屏蔽效果大大降低，甚至失去屏蔽效果。

變頻器與電動(dòng)機(jī)的連接線(電機(jī)線)采用屏蔽線或獨(dú)立的走線槽，電機(jī)線的屏蔽層或直線槽的金屬外殼一端與變頻器“地”就近連接，另一端與電機(jī)外殼連接，同時(shí)安裝噪聲濾波器可大幅度抑制電磁噪聲。采用屏蔽電纜后，抗干擾性提高，但此方式對(duì)電磁感應(yīng)產(chǎn)生的噪聲的抑制效果不佳，一般選用扭絞式的信號(hào)線很有效。

5.2.2 現(xiàn)場(chǎng)配線

1)電力配線不同的控制系統(tǒng)中，電源進(jìn)線從電力變壓器處獨(dú)立供電，一般采用5 芯線，其中3 根為火線，1 根零線，1 根地線，嚴(yán)禁零線和地線共用一根線。

2)設(shè)備分類同一控制柜內(nèi)有不同的用電設(shè)備，如變頻器、濾波器、PLC(可編程控制器)、檢測(cè)儀表等，其對(duì)外發(fā)射電磁噪聲和承受噪聲的能力各不相同，這就要求對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行分類，可分為強(qiáng)噪聲設(shè)備和噪聲敏感設(shè)備，把同類設(shè)備安裝在同一區(qū)城，不同類的設(shè)備間要保持20 cm 以上的距離。

3)控制柜內(nèi)配線控制柜內(nèi)一般有信號(hào)線(弱電)和電力線(強(qiáng)電)，對(duì)變頻器而言，電力線又分為進(jìn)線和出線。信號(hào)線易受電力線干擾，從而使設(shè)備誤動(dòng)作。在配線時(shí)，要將信號(hào)線和電力線分布于不同的區(qū)域，嚴(yán)禁二者在近距離(20 cm 內(nèi))平行走線或交錯(cuò)走線，更不能將二者捆扎在一起。如果信號(hào)電纜必須穿越動(dòng)力線，二者之間應(yīng)保持成90毅角。電力線的進(jìn)線和出線也不能交錯(cuò)配線或捆扎在一起，特別是在安裝噪聲濾波器的場(chǎng)合，這樣會(huì)使電磁噪聲經(jīng)過進(jìn)、出線的分布電容形成耦合，從而使噪聲濾波器失去作用。圖6 為電磁感應(yīng)噪聲的隔離;圖7 為靜電噪聲的隔離。圖中M 為互感;悅為分布電容。

5.2.3 接地

變頻器在工作時(shí)一定要安全可靠接地。接地不僅是為了設(shè)備和人身安全，而且也是解決EMC問題最簡(jiǎn)單、最有效、成本最低的方法，應(yīng)優(yōu)先考慮。

接地分三種：專用接地極接地、共有接地極接地、地線串聯(lián)接地。不同的控制系統(tǒng)應(yīng)采取專用接地級(jí)接地;同一控制系統(tǒng)中的不同設(shè)備應(yīng)采取共用接地極接地;同一供電線中的不同設(shè)備應(yīng)采取地線串聯(lián)接地。變頻器接地端子PE(圖4)接地電阻越小越好，變頻器的接地必須與動(dòng)力設(shè)備接地點(diǎn)分開，不能共地。

變頻器的接地電極和其他設(shè)備的強(qiáng)電接地極之間最小距離為5 m，和弱電設(shè)備接地極間的距離為10 m。由于接地線內(nèi)流過高頻電流，考慮到集膚效應(yīng)，其直徑不能太小，一般接地線截面積應(yīng)為(22~100)mm2。信號(hào)輸入線的屏蔽層應(yīng)接至PE上，其另一端絕不能接于地端，否則會(huì)引起信號(hào)變化波動(dòng)，使系統(tǒng)振蕩不穩(wěn)定。

5.2.4 漏電流的對(duì)策

漏電流包括線間漏電流和對(duì)地漏電流。它的大小取決于系統(tǒng)配線時(shí)分布電容的大小和變頻器的載波頻率。對(duì)地漏電流是指流過公共地線的漏電流，它不僅會(huì)流入變頻器系統(tǒng)，而且可能通過地線流入其他設(shè)備。這些漏電流可能使漏電斷路器、

繼電器或其他設(shè)備誤動(dòng)作。線間漏電流是指流過變頻器輸入、輸出側(cè)電纜間分布電容的漏電流。漏電流的大小與變頻器載波頻率、電機(jī)電纜長(zhǎng)度、電纜截面積有關(guān)，變頻器載波頻率越高，電機(jī)電纜越長(zhǎng)，截面積越大，漏電流也越大。