變頻調速傳動系統中變頻器的電磁兼容性
1 引言
在鼠籠式異步電動機的各種調速方式中，變頻調速傳動系統占有極其重要的地位，有強大的生命力。這類系統具有功率因素高、輸出諧波小、起動平穩、調速范圍寬等優點。由于變頻器具有高效、節能和智能化的特點，因而成為電力電子技術和交流傳動的重要組成部分。變頻器大多運行于惡劣的電磁環境，且作為電力電子設備，內部由電子元器件、計算機芯片等組成，易受外界的一些電氣干擾，其輸入側和輸出側的電壓、電流含有豐富的高次諧波，投入運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。
國際電工委員會(IEC)對電磁兼容性的定義是“電磁兼容性是電子設備的一種功能，電子設備在電磁環境中能完成其功能，而不產生不能容忍的干擾。”我國最近頒布的“電磁兼容性”國家標準中，對電磁兼容性作出如下定義:“設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。”這里所講電磁環境是指存在于給定場所的所有電磁現象。這表明電磁兼容性有雙重含義:設備或系統不僅應具有抑制外部電磁干擾的能力;而且所產生的電磁干擾應不得影響同一電磁環境中其它電子設備的正常工作。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。
變頻器的電磁兼容性問題解決的好壞很大程度決定了交流變頻調速傳動系統的可靠性。因此電磁兼容性越來越成為需要迫切關切和解決的重要技術問題。
2 變頻調速傳動系統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)，是以外部噪聲和無用信號在接收中所造成的電磁騷擾，以路的傳導和以場的形式傳播。變頻器的整流橋對電網來說是非線性負載，它所產生的諧波對同一電網的其它電子、電氣設備產生諧波干擾。另外變頻器的逆變器大多采用PWM技術，當工作于開關模式且作高速切換時，產生大量耦合性噪聲。因此變頻器對系統內其它的電子、電氣設備來說是一電磁干擾源。另一方面，電網中的諧波干擾主要通過變頻器的供電電源干擾變頻器。電網中存在大量諧波源如各種整流設備、交直流互換設備、電子電壓調整設備，非線性負載及照明設備等。這些負荷都使電網中的電壓、電流產生波形畸變，從而對電網中其它設備產生危害的干擾。變頻器的供電電源受到來自被污染的交流電網的干擾后若不加處理，電網噪聲就會通過電網電源電路干擾變頻器。供電電源的干擾對變頻器主要有(1)過壓、欠壓、瞬時掉電(2)浪涌、跌落 (3)尖峰電壓脈沖 (4)射頻干擾。其次，共模干擾通過變頻器的控制信號線也會干擾變頻器的正常工作。
2.2 電磁干擾的途徑
變頻器能產生功率較大的諧波，由于功率較大，對系統其它設備干擾性較強，其干擾途徑與一般電磁干擾途徑是一致的，主要分傳導、電磁輻射、感應耦合。具體為:首先對周圍的電子、電氣設備產生電磁輻射;其次對直接驅動的電動機產生電磁噪聲，使得電機鐵耗和銅耗增加;并傳導干擾到電源，通過配電網絡傳導給系統其它設備;最后變頻器對相鄰的其它線路產生感應耦合，感應出干擾電壓或電流。同樣，系統內的干擾信號通過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、對電磁干擾敏感的系統。為防止干擾，可采用硬件抗干擾和軟件抗干擾。其中，硬件抗干擾是應用措施系統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抑制干擾，其總原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對系統的藕合通道、降低系統干擾信號的敏感性。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來，使它們不發生電的聯系。在變頻調速傳動系統中，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干擾，電源隔離變壓器可應用噪聲隔離變壓器。
在系統線路中設置濾波器的作用是為了抑制干擾信號從變頻器通過電源線傳導干擾到電源從電動機。為減少電磁噪聲和損耗，在變頻器輸出側可設置輸出濾波器;為減少對電源干擾，可在變頻器輸入側設置輸入濾波器。若線路中有敏感電子設備，可在電源線上設置電源噪聲濾波器以免傳導干擾。
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，特別是以外部信號控制變頻器時，要求信號線盡可能短(一般為20m以內)，且信號線采用雙芯屏蔽，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，周圍電子敏感設備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。實踐證明，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部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統的抗干擾能力。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，必須接地。既不能將地線接在電器設備的外殼上，也不能接在零線上。可用較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，接地線長度在20m以內，并注意合理選擇接地極的位置。
當系統的抗干擾能力要求較高時，為減少對電源的干擾，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系統的抗干擾要求來合理選擇使用。若系統中含控制單元如微機等，還須在軟件上采取抗干擾措施。
4 結束語
變頻調速傳動系統中，重視變頻器的EMC要求，已成為變頻變頻調速傳動系統設計、應用必須面對的問題，也是變頻器應用和推廣的關鍵之一。我們相信變頻器的EMC問題一定會得到有效解決。
在鼠籠式異步電動機的各種調速方式中，變頻調速傳動系統占有極其重要的地位，有強大的生命力。這類系統具有功率因素高、輸出諧波小、起動平穩、調速范圍寬等優點。由于變頻器具有高效、節能和智能化的特點，因而成為電力電子技術和交流傳動的重要組成部分。變頻器大多運行于惡劣的電磁環境，且作為電力電子設備，內部由電子元器件、計算機芯片等組成，易受外界的一些電氣干擾，其輸入側和輸出側的電壓、電流含有豐富的高次諧波，投入運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。
國際電工委員會(IEC)對電磁兼容性的定義是“電磁兼容性是電子設備的一種功能，電子設備在電磁環境中能完成其功能，而不產生不能容忍的干擾。”我國最近頒布的“電磁兼容性”國家標準中，對電磁兼容性作出如下定義:“設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。”這里所講電磁環境是指存在于給定場所的所有電磁現象。這表明電磁兼容性有雙重含義:設備或系統不僅應具有抑制外部電磁干擾的能力;而且所產生的電磁干擾應不得影響同一電磁環境中其它電子設備的正常工作。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。
變頻器的電磁兼容性問題解決的好壞很大程度決定了交流變頻調速傳動系統的可靠性。因此電磁兼容性越來越成為需要迫切關切和解決的重要技術問題。
2 變頻調速傳動系統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)，是以外部噪聲和無用信號在接收中所造成的電磁騷擾，以路的傳導和以場的形式傳播。變頻器的整流橋對電網來說是非線性負載，它所產生的諧波對同一電網的其它電子、電氣設備產生諧波干擾。另外變頻器的逆變器大多采用PWM技術，當工作于開關模式且作高速切換時，產生大量耦合性噪聲。因此變頻器對系統內其它的電子、電氣設備來說是一電磁干擾源。另一方面，電網中的諧波干擾主要通過變頻器的供電電源干擾變頻器。電網中存在大量諧波源如各種整流設備、交直流互換設備、電子電壓調整設備，非線性負載及照明設備等。這些負荷都使電網中的電壓、電流產生波形畸變，從而對電網中其它設備產生危害的干擾。變頻器的供電電源受到來自被污染的交流電網的干擾后若不加處理，電網噪聲就會通過電網電源電路干擾變頻器。供電電源的干擾對變頻器主要有(1)過壓、欠壓、瞬時掉電(2)浪涌、跌落 (3)尖峰電壓脈沖 (4)射頻干擾。其次，共模干擾通過變頻器的控制信號線也會干擾變頻器的正常工作。
2.2 電磁干擾的途徑
變頻器能產生功率較大的諧波，由于功率較大，對系統其它設備干擾性較強，其干擾途徑與一般電磁干擾途徑是一致的，主要分傳導、電磁輻射、感應耦合。具體為:首先對周圍的電子、電氣設備產生電磁輻射;其次對直接驅動的電動機產生電磁噪聲，使得電機鐵耗和銅耗增加;并傳導干擾到電源，通過配電網絡傳導給系統其它設備;最后變頻器對相鄰的其它線路產生感應耦合，感應出干擾電壓或電流。同樣，系統內的干擾信號通過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、對電磁干擾敏感的系統。為防止干擾，可采用硬件抗干擾和軟件抗干擾。其中，硬件抗干擾是應用措施系統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抑制干擾，其總原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對系統的藕合通道、降低系統干擾信號的敏感性。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來，使它們不發生電的聯系。在變頻調速傳動系統中，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干擾，電源隔離變壓器可應用噪聲隔離變壓器。
在系統線路中設置濾波器的作用是為了抑制干擾信號從變頻器通過電源線傳導干擾到電源從電動機。為減少電磁噪聲和損耗，在變頻器輸出側可設置輸出濾波器;為減少對電源干擾，可在變頻器輸入側設置輸入濾波器。若線路中有敏感電子設備，可在電源線上設置電源噪聲濾波器以免傳導干擾。
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，特別是以外部信號控制變頻器時，要求信號線盡可能短(一般為20m以內)，且信號線采用雙芯屏蔽，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，周圍電子敏感設備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。實踐證明，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部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統的抗干擾能力。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，必須接地。既不能將地線接在電器設備的外殼上，也不能接在零線上。可用較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，接地線長度在20m以內，并注意合理選擇接地極的位置。
當系統的抗干擾能力要求較高時，為減少對電源的干擾，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系統的抗干擾要求來合理選擇使用。若系統中含控制單元如微機等，還須在軟件上采取抗干擾措施。
4 結束語
變頻調速傳動系統中，重視變頻器的EMC要求，已成為變頻變頻調速傳動系統設計、應用必須面對的問題，也是變頻器應用和推廣的關鍵之一。我們相信變頻器的EMC問題一定會得到有效解決。
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