变频调速电气传动系统电磁兼容性的探讨

1 前言

　　在工业现场使用的各种电气设备，如PLC、数控设备、变频器、低压电器、工控仪表等，都有自己的电磁兼容标准。GB12668.3中提出了调速电气传动系统的电磁兼容性要求及其特定的试验方法。变频调速传动系统以其回路简单、功率因数高、输出谐波小、起动平稳、调速范围宽、保护完善、控制性能好、过载能力强、使用维护方便等优点，广泛应用于电气传动调速控制的各个工业生产领域中。变频器大多运行在恶劣的电磁环境中，同时作为电力电子设备，他们内部由电子元器件、微处理芯片等组成，会受到外界的电磁干扰;另外，变频器的输入和输出侧的电压、电流含有丰富的高次谐波，也是一个干扰源，会对其他电子设备进行干扰。

　　2 变频调速传动系统

　　对于交-直-交变频器，根据其主电路方式可分为电流型和电压型两大类。电流型变频器适用于单机拖动且需经常反向或频繁加、减速的情况;电压型变频器主要适用于向多台电动机供电、不可逆拖动、稳速工作且快速性要求不高的场合。变频器的控制方式有电压控制及电流控制两种，它们对电流型和电压型变频器都是适用的。通用变频器适用电压型的电压控制，与输出频率成比例地控制输出电压。对于需要快速响应的场合，可采用电流控制方式。

　　图一为电压源型交-直-交变频器的结构框图，由图可知，该变频器的主回路由整流器、平波回路、逆变器组成。整流器将输入的交流电通过功率二极管变成直流。平波回路由大电容组成，该环节除了滤波和缓冲负载的无功功率外，同时还使主回路的直流电压保持平稳。逆变器的作用是在PWM控制器的控制下，将经过平波回路处理过的直流电变成频率可调、宽度可变的矩形波电压。

图一

　　3 变频调速传动系统的主要电磁干扰源

　　3.1 外部电网对变频调速传动系统的干扰

　　电网中的谐波干扰主要通过变频器的供电电源干扰变频器。电网中存在大量谐波源，如各种整流设备、交自流互换设备、电子电压凋整没备、非线性负载及照明设备等。这些负荷都使电网中的电压、电流产生波形畸变，从而对电网中其他设备产生干扰。变频器的供电电源受到来自被污染的交流电网的干扰后若不加处理，电网噪声就会通过电网电源电路干扰变频器。供电电源对变频器的干扰主要表现在过压、欠压、电压跌落、三相电压不平衡、浪涌、跌落、尖峰电压脉冲、射频干扰等

　　3.2 变频调速传动系统的共模干扰

　　由共地阻抗或电磁场引起的共模干扰通过变频器的控制信号线能形成的环路干扰，这也会干扰变频器的正常工作。

　　3.3 变频调速传动系统的谐波干扰

　　变频器的输入部分是整流电路，它具有非线性特性，因此，产生的高次谐波会使得输入的电压波形和电流波形发生畸变。图二为变频器的整流电路，三相交流电经全波整流后，由电容进行滤波。图三画出了以A相为例的输入电压与电流波形，可以看出，输入电流的波形发生了畸变。

图二                                                                           图三

　　对输入电流进行频谱分析后，可以看到其5次、7次谐波分量是很大的，比基波分量小不了多少，如图四所示，其纵坐标为谐波分量幅值与基波分量幅值的比值。这些高次谐波将干扰输入供电系统。

图四

　　同时，变频器的输出电流和输出电压均有高次谐波，图五为变频器逆变部分的结构图。对于PWM控制的电压源型变频器，其输出电压波形为矩形波。其中谐波频率的高低与变频器调制频率有关，图六为变频器的输出电压和电流波形。对电压及电流波形进行傅立叶分析，可得出各次谐波的含量。高次谐波电流对负载直接干扰;另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。

图五                                                                                             图六

　　4 变频调速传动系统中变频器的电磁兼容测试要求

　　根据GB12668.3-2012(调速电气传动系统第3部分：电磁兼容性要求及其特定的试验方法)的要求，需要进行电磁兼容相关测试。其中，标准中的第一类环境是指民用房屋的环境，包括不经过中间变压器而直接连接到向民用建筑物供电的低压供电网的应用环境。第二类环境是指除直接连接到向民用建筑物供电的低压供电网的应用环境外的所有环境。C1类：是指额定电压低于1000V，用于第一类环境的设备。C2类：是指额定电压低于1000V，既不是插入时设备也不是移动式设备，当用于第一类环境时，只能由专业人员安装和调速的设备。C3类：是指额定电压低于1000V，用于第二类环境的设备。C4类：是指额定电压等于或高于1000V或者额定电流大于或等于400A，或者预期用途为第二类环境中的复杂系统中的设备。

　　图七为调速电气传动系统及其子部件按给定骚扰的影响分A、B、C三种验收(性能)准则。

图七

　　4.1 基本抗扰度要求：低频骚扰

　　一般原则：在对调速电气传动系统抗低频骚扰的抗扰度进行设计时，制造商可采用试验、计算或仿真方式验证其是否符合要求。

　　4.1.1 谐波和换相缺口/电压畸变

　　4.1.1.1 低压调速电气传动系统(电压畸变)

　　图八为低压(额定电压≤1000V)调速电气传动系统的谐波和换相缺口/电压畸变的最低抗扰度要求。

图八

　　4.1.1.2 额定电压高于1000V的调速电气传动系统(电压畸变)

　　4.1.1.2.1 主电源端口

　　图九为额定电压高于1000V的调速电气传动系统主电源端口上的谐波和换相缺口/电压畸变的最低抗扰度要求。

图九

　　4.1.1.2.2 辅助电源端口

　　图十为额定电压高于1000V的调速电气传动系统辅助低压电源端口上的谐波和换相缺口/电压畸变的最低抗扰度要求。

图十

　　4.1.2 低压偏差(变动、变化、波动)、电压跌落和短时中断

　　4.1.2.1 低压调速电气传动系统(电压偏差)

　　图十一为低压调速电气传动系统电源端口上的电压偏差、电压跌落和短时中断的最低抗扰度要求。

图十一

　　4.1.2.2 额定电压高于1000V的调速电气传动系统(电压偏差)

　　4.1.2.2.1 主电源端口

　　图十二为额定电压高于1000V的调速电气传动系统主电源端口上的电压偏差、电压跌落和短时中断的最低抗扰度要求。

图十二

　　4.1.2.2.2 辅助电源端口

　　图十三为额定电压高于1000V的调速电气传动系统辅助低压电源端口上的电压偏差、电压跌落和短时中断的最低抗扰度要求。

图十三

　　4.1.3 电压不平衡和频率变化

　　4.1.3.1 低压调速电气传动系统

　　图十四为低压调速电气传动系统电源端口上的电压不平衡和频率变化的最低抗扰度要求。

图十四

　　4.1.3.2 额定电压高于1000V的调速电气传动系统

　　4.1.3.2.1 主电源端口

　　图十五为额定电压高于1000V的调速电气传动系统主电源端口上的电压不平衡和频率变化的最低抗扰度要求。

图十五

　　4.1.3.2.1 辅助电源端口

　　图十六为额定电压高于1000V的调速电气传动系统辅助低压电源端口上的电压不平衡和频率变化的最低抗扰度要求。

图十六

　　4.1.4 工频磁场

　　符合GB/T17626.8要求的试验是针对采用对磁场敏感部件的产品。但调速电气传动系统常常采用霍尔效应电流传感器，这些传感器被设计成能够在高电平磁场的场所(紧靠电力导线)工作。其磁场的幅值要比GB/T 17626.8规定的试验等级高得多。因此，调速电气传动系统不需要进行工频磁场抗扰度试验。

　　4.2 基本抗扰度要求：高频骚扰

　　图十七为用于第一类环境的最低抗扰度要求，图十八为用于第二类环境的最低抗扰度要求。

图十七

图十八

　　4.3 基本发射限值：高频发射

　　4.3.1 C1类和C2类设备

　　4.3.1.1 电源端口骚扰电压限值，见图十九所示。

图十九

　　4.3.1.2 过程测量与控制端口

　　如果过程测量与控制端口的预期用途是与现场总线连接，则该端口应符合相关标准对该现场总线的传导性发射要求。

　　如果过程测量与控制端口的预期用途是与公共电信网络连接，则该端口应被认为是一个电信端口，CISPR 22中的B类传导性发射要求适用于该端口。

　　4.3.1.3 辐射发射限值，见图二十

图二十

　　4.3.1.4 电源接口限值，见图二十一

图二十一

　　4.3.2 C3类设备

　　4.3.2.1 电源端口骚扰电压限值，见图二十二所示。

图二十二

　　4.3.2.2 过程测量与控制端口

　　如果过程测量与控制端口的预期用途是与现场总线连接，则该端口应符合相关标准对该现场总线的传导性发射要求。

　　如果过程测量与控制端口的预期用途是与公共电信网络连接，则该端口应被认为是一个电信端口，CISPR 22中的A类传导性发射要求适用于该端口。

　　4.3.2.3 辐射发射限值，见图二十三

图二十三

　　4.3.2 C4类设备

　　在C4类设备的这些应用中，用户和制造商应为满足预期用途的EMC要求约定出一个EMC计划。在这种情形下，由用户定义环境(包括整体装备及其周围环境在内)的EMC特性。

　　5 常用的抗干扰措施

　　结合工业现场和工作调试经验，总结了以下几点将变频器EMC影响减为最小的措施：

　　1)要确保电气传动柜中的所有设备接地良好，要求使用短和粗的接地线连接到公共接地点或接地母排上。特别重要的是，连接到变频器的任何控制设备(比如一台PLC)都要与其共地，供地时也要使用短和粗的导线。同时电机电缆的地线应直接连接到相应变频器的接地端子(PE)。

　　2)为有效的抑制电磁波的辐射和传导，用变频器驱动的电动机电缆必须采用屏蔽电缆。

　　3)控制电缆最好使用屏蔽电缆。模拟信号的传输线应使用双屏蔽的双绞线。不同的模拟信号线应该独立走线，有各自的屏蔽层，以减少线间的耦合。模拟信号和数字信号的传输电缆应该分别屏蔽和走线。

　　4)电动机电缆应独立于其它电缆走线，同时应避免电机电缆与其它电缆长距离平行走线，用以减少变频器输出电压快速变化而产生的电磁干扰。

　　5)进线电抗器用于降低由变频器产生的谐波，同时也可用于增加电源阻抗，并帮助吸收附近设备投入工作时产生的浪涌电压和主电源的电压尖峰。进线电抗器串接在电源和变频器功率输入端之间。如果还使用了RFI滤波器，则RFI滤波器应串接在进线电抗器和变频器之间。当对主电源电网的情况不了解时，最好加进线电抗器。