中礦傳動技術(shù)交流

理論動態(tài)

2021年7月19日發(fā)布

        隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，電磁兼容性（EMC）研究從最初的解決無線電通訊免受干擾，在軍事領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化并滲透工業(yè)和民用領(lǐng)域，并逐步發(fā)展成一門綜合性的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)。變頻器作為電力電子技術(shù)的產(chǎn)物，其電磁兼容性（EMC）是指變頻器在其電磁環(huán)境中正常工作且不對該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力。任何電磁干擾現(xiàn)象產(chǎn)生都是騷擾源、傳播路徑和敏感設(shè)備共同作用的結(jié)果，三要素者缺一不可。

     變頻器的電磁兼容性國際通用標(biāo)準(zhǔn)為IEC 61800-3-2012，而我國目前的國內(nèi)通用標(biāo)準(zhǔn)為GB 12668-3-2012《調(diào)速電氣傳動系統(tǒng) 第3部分 電磁兼容性要求及其特定的試驗(yàn)方法》。

      變頻器的電磁兼容性由兩個特性組成：1）噪聲發(fā)射，2）電磁抗擾度。

       標(biāo)準(zhǔn)GB12668-3-2012對變頻器的使用環(huán)境進(jìn)行了如下分類：第一類環(huán)境(民用環(huán)境)和第二類環(huán)境(工業(yè)環(huán)境)。不同的環(huán)境根據(jù)電壓電流等級又把產(chǎn)品分為C1、C2、C3、C4，相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)也不一樣。圖1對不同環(huán)境下電磁發(fā)射和抗擾度進(jìn)行了介紹。

 圖1  不同環(huán)境下的調(diào)速系統(tǒng)的電磁發(fā)射和抗擾度

C1產(chǎn)品：該調(diào)速系統(tǒng)額定電壓小于1000V，用于第一環(huán)境

C2產(chǎn)品：該P(yáng)DS額定電壓小于1000V，運(yùn)用在第一環(huán)境中，由專家安裝調(diào)試。

注意：專家是指擁有安裝調(diào)試PDS及其EMC專業(yè)技能的人或組織。

C3產(chǎn)品：該P(yáng)DS額定電壓小于1000V，用于第二環(huán)境而不用于第一環(huán)境。

C4產(chǎn)品：該P(yáng)DS額定電壓等于大于1000V，或額定電流等于大于400A，或用于第二環(huán)境的復(fù)雜系統(tǒng)中。

      目前工業(yè)用變頻器屬于C3和C4產(chǎn)品，其標(biāo)準(zhǔn)參照GB12668.3-2012中C3和C4產(chǎn)品對應(yīng)的噪聲發(fā)射和騷擾抗擾度的等級。

     變頻器的電磁干擾（EMI）的傳播路徑包括傳導(dǎo)和輻射。

      目前變頻器的主要功率器件是IGBT,其傳導(dǎo)EMI產(chǎn)生的本質(zhì)是IGBT開通關(guān)斷時的、與B變頻器的各種寄生電感、電容作用產(chǎn)生的電磁效應(yīng)。功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)頻率從工頻到數(shù)百千赫茲，在傳導(dǎo)射頻系統(tǒng)中同樣會產(chǎn)出大量的開關(guān)頻率的諧波，同時其暫態(tài)變化過程中與周圍的寄生參數(shù)作用，這一干擾頻段的可高達(dá)數(shù)兆赫茲，干擾頻譜相當(dāng)寬。

圖2三電平變頻調(diào)速系統(tǒng)傳導(dǎo)噪聲傳播路徑

       傳導(dǎo)EMI信號按照傳播路徑可分為共模和差模信號。三電平變頻調(diào)速系統(tǒng)傳導(dǎo)噪聲傳播路徑如圖2所示。由于變頻器內(nèi)部的寄生參數(shù)的不對稱性，電路中的差模和共模信號共存并相互轉(zhuǎn)化最終趨于平衡。在實(shí)際問題中，大多數(shù)數(shù)電磁兼容問題都是共模傳導(dǎo)原因引起的。

       目前，工業(yè)用變頻器產(chǎn)品的電磁騷擾研究的頻譜為150kHz-1GHz，當(dāng)0.15-30MHz時，騷擾信號以傳導(dǎo)的形式在電源線上傳播，當(dāng)頻率高于30MHz時，以空間電磁場的形式向空間傳播。

       減少干擾源、阻斷傳播路徑，提高設(shè)備的敏感性是解決電磁干擾的主要思路。變頻器工作時不可避免的會產(chǎn)生電磁騷擾，在電磁干擾源無法繼續(xù)優(yōu)化的情況下我們通常利用合理的布局搭接、接地、濾波、屏蔽等技術(shù)來阻斷傳播路徑來抑制變頻器產(chǎn)生的電磁騷擾。

4.1 布局搭接

       設(shè)計(jì)控制柜體時要注意 EMC 的區(qū)域原則，把不同的設(shè)備規(guī)劃在不同的區(qū)域中。每個區(qū)域?qū)υ肼暤陌l(fā)射和抗擾度有不同的要求。區(qū)域在空間上最好用金屬殼或在柜體內(nèi)用接地隔板隔離。在各個腔體之間的連接處需要進(jìn)行特殊處理：1、如果使用EMI濾波器要靠近電源的進(jìn)線端；2、各個腔體之間的孔洞縫隙要做好屏蔽處理。

圖3  腔體內(nèi)的單元劃分

4.2 接地技術(shù)

       設(shè)備有三種基本的參考接地方法：即浮地、單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地。及由單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地派生出來的混合接地?？紤]到變頻器工作環(huán)境的惡劣性，接地保護(hù)尤為重要。尤其是對于高頻信號更為重要，要求更加苛刻。下面重點(diǎn)介紹變頻設(shè)備接地系統(tǒng)的配置。

1） 單點(diǎn)接地

       單點(diǎn)接地是在一個電路或設(shè)備中，只有一個物理點(diǎn)被定義為參考接地點(diǎn)，其它凡是需要接地的點(diǎn)都被連接到這一點(diǎn)上。如果在一個系統(tǒng)中包含有許多機(jī)柜，則每個機(jī)柜的“地”都是獨(dú)立的（即機(jī)柜內(nèi)的電路采用自己的單點(diǎn)接地），然后各機(jī)柜的“地”再被連到系統(tǒng)中唯一的參考點(diǎn)上。單點(diǎn)接地又分為并聯(lián)單點(diǎn)接地和串聯(lián)單點(diǎn)接地，如圖5 所示，我們通常說的單點(diǎn)接地為并聯(lián)單點(diǎn)接地，單點(diǎn)接地的優(yōu)點(diǎn)是簡單。但是單點(diǎn)接地的最大缺點(diǎn)是，當(dāng)系統(tǒng)工作頻率很高，以致波長小到與系統(tǒng)接地線長度可以比擬時（如達(dá)到λ/4時），就不能再用單點(diǎn)接地了。此時，這根接地線就好像是一根天線，通過它向外輻射電磁波，影響周圍設(shè)備和電路的工作，在這種情況下，我們應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)而采用多點(diǎn)接地。如圖5（2）所示，如果導(dǎo)線R1、R2、R3換成一個大的金屬面，就演變成多點(diǎn)接地了。

圖4 并聯(lián)單點(diǎn)接地

圖5 串聯(lián)單點(diǎn)接待

2） 多點(diǎn)接地

       多點(diǎn)接地是指設(shè)備（或系統(tǒng)）中凡是需要接地的點(diǎn)都是直接接到離它最近的接地平面上（就近接地），以便使接地線的長度為最短，如圖6所示。這里所說的接地平面可以是設(shè)備的底板、專用接地母線、甚至是設(shè)備的框架。多點(diǎn)接地的這一特點(diǎn)使得它在高頻場合下的應(yīng)用有上佳表現(xiàn)（而單點(diǎn)接地在低頻時的性能為最好）。

       多點(diǎn)接地的形式看似比較簡單，但對系統(tǒng)中的眾多接地線的維護(hù)提出了更高的要求。因?yàn)槿魏谓拥攸c(diǎn)上的腐蝕、松動都會使接地系統(tǒng)出現(xiàn)高阻抗，從而使接地效果變差。由于多點(diǎn)接地系統(tǒng)中形成了各種地線回路，它們對于設(shè)備內(nèi)同時使用具有較低頻率的電路會產(chǎn)生不良的影響。如果出現(xiàn)了這種情況，可以采用混合接地方法。

圖6 多點(diǎn)接地

圖7 混合接地

3） 混合接地

       如果電路某部分用單點(diǎn)接地，某部分用多點(diǎn)接地，在這種情況下可以使用混合接地，對于電路的低頻部分（小于1MHz）采用單點(diǎn)接地，而高頻部分（如果大于1MHz）采用多點(diǎn)接地。

變頻器系統(tǒng)內(nèi)部的接地規(guī)范圖8所示。

圖8  系統(tǒng)內(nèi)部接地規(guī)范

4.3屏蔽技術(shù)

       屏蔽是抑制干擾通過空間耦合的措施，按照被屏蔽的場的種類，屏蔽基本分為靜電屏蔽、低頻磁屏蔽和高頻電磁屏蔽，其中靜電屏蔽用于屏蔽靜電場或似穩(wěn)態(tài)低頻電場，低頻磁屏蔽用于屏蔽靜磁場或似穩(wěn)態(tài)低頻磁場，這兩種屏蔽對象都是近場，而高頻電磁屏蔽是用于屏蔽遠(yuǎn)場，即電磁波。

       如果波源的電壓高、電流小，則電場的作用比磁場的作用明顯，可采用電場屏蔽。

        如果波源的電壓低、電流大，則磁場起主導(dǎo)作用，應(yīng)采用磁場屏蔽。

       電場屏蔽——用法拉第屏蔽來消除電場的影響，靜電屏蔽主要是通過金屬屏蔽體并接地達(dá)到屏蔽的效果,如鋁、銅等。

       磁場屏蔽——使用鐵磁性材料進(jìn)行磁場屏蔽；低頻磁屏蔽也稱靜磁屏蔽，可以使用高磁導(dǎo)率鐵和鐵氧體構(gòu)成磁屏蔽罩，使磁力線全部在低磁阻的屏蔽體內(nèi)構(gòu)成通道；高頻電磁屏蔽主要屏蔽的是遠(yuǎn)場的電磁波，屏蔽體為高電導(dǎo)率的金屬，如高導(dǎo)磁率合金和鐵,屏蔽體是否接地不影響高頻電磁屏蔽效果。

4.4濾波技術(shù)

       電磁屏蔽是抑制空間的耦合的措施，與其對應(yīng)的濾波則是抑制干擾電路的耦合路徑的措施。濾除高頻干擾最常見的就是低通EMI濾波器，EMI濾波器分為反射式和吸收式兩種，反射式主要是由LC網(wǎng)絡(luò)組成，對于高頻電路，串聯(lián)電感的阻抗很高，阻止了高頻信號通過，并聯(lián)電容的阻抗很低，可以旁路高頻信號，兩者結(jié)合起到了濾除高頻信號的作業(yè)，當(dāng)然了，電容電感里面都有寄生電阻，高頻信號也會以熱能的形式消耗一部分。

  我公司的1140V/630-1000kW，3300V/ 2.25MW防爆變頻器的電磁兼容性認(rèn)證測試結(jié)果如圖9，10所示。

圖9 傳導(dǎo)EMI測試

圖10  輻射EMI測試

 注：圖9，圖10為1140V/1MW防爆變頻器的EMI測試結(jié)果該測試結(jié)果，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為：GB12688.3-2003。

  （本稿件由中礦傳動市場部整理編輯，經(jīng)中礦傳動技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)審核授權(quán)發(fā)布?。?/span>

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