变频器EMC原理与规范

EMC代表“电磁兼容性”,根据EMC指令,它描述了“设备在电磁环境中正常工作的能力,而不会对环境中的其他设备造成不可容忍的干扰”。

在日益复杂的系统中,电力电子设备与微电子设备的结合使用日益增多,这意味着在确保复杂系统和设备正常运行时,电磁兼容性已成为一个极其重要的问题。

因此,在设备和系统的规划阶段就必须考虑到电磁兼容性问题。这包括定义EMC区域、确定要使用哪种类型的电缆以及这些电缆的布线方式,以及在适当的情况下提供滤波器和其他干扰抑制措施。

1、 欧盟规范

欧盟规范在欧盟官方期刊上公布,必须纳入欧盟成员国的国家立法,以促进欧洲经济区内的自由贸易和货物流动。因此,作为国家立法的一部分公布的欧盟规范及其执行构成了欧洲经济区内法律执行的基础。

已发布了两项有关调速低压驱动系统的欧盟标准:            

• 低压规范2006/95/EC(欧盟成员国电气设备法律法规)

• EMC规范2004/108/EC(欧盟成员国电磁兼容法律法规)              

2、CE标志

CE标志是对所有要执行的EC规范的符合性声明。获得CE标志的责任由设备制造商或系统集成商承担。CE标志的先决条件是制造商的自我确认(或声明),表明所述装置符合所有适用的欧洲标准。此声明(工厂证书、制造商声明或符合性声明)必须仅包括欧盟官方期刊中列出的标准。

3、EMC规范

所有含有可能引起电磁干扰或其运行可能受此干扰影响的电气或电子设备和系统必须符合EMC规范的规定。变频器属于这一类别。

EMC规范的符合性可以通过相关EMC标准进行认证,因此产品标准优先于通用标准。对于变频器,必须适用调速电力驱动系统(power drive systems,简称PDS)的EMC产品标准EN 61800-3。如果变频器已集成在存在特定EMC产品标准的最终产品中,则最终产品必须满足此类产品的EMC产品标准。

如果变频器被视为整个系统或设备“部件”(与变压器,电机或控制器等相同),则系统CE标志的申请以表明符合EMC规范的责任不在驱动设备制造商。然而,此类“部件”的制造商有具体义务提供有关其电磁特性,使用和安装的完整信息。这意味着原始设备制造商或系统集成商对确保整个系统或设备的电磁兼容性负有唯一和最终责任。这种责任不能转移给“部件”的供应商。

4、EMC产品标准 EN 61800-3

变频器适用调速电驱动系统(Power Drive Systems,简称PDS)的EMC产品标准EN 61800-3。此标准不仅针对变频器本身,还涉及一个完整的变速驱动系统,该系统除变频器外,还包括电机和附加设备。 

图片  根据EMC产品标准EN 61800-3定义的安装和电驱动系统(PDS)

EMC产品标准使用以下术语:

• PDS=电驱动系统(包括变频器,电机和附加设备的完整驱动系统)

• CDM=完整驱动模块(完整的变频器设备,例如西门子G150变频柜)

• BDM=基本驱动模块(例如西门子G130变频装置)

EMC产品标准定义了在干扰情况下评估运行特性的标准,并根据应用环境条件定义了抗干扰性要求和干扰发射限值。根据安装位置,区分了“第一类”和“第二类”环境,如下图所示。“第一类”和“第二类”环境的定义:

• “第一类”环境

民用环境或驱动系统直接连接到公共低压电源而无需中间变压器的地点。

• “第二类”环境

非民用环境或通过隔离变压器从中压网络供电的工业环境。 

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EN 61800-3根据变速驱动器的安装位置和输出电流定义了四种不同的类别C1到C4:

• C1类别

额定电压<1000V,在“第一类”环境中使用不受限制的驱动系统。

• C2类别

额定电压<1000V,在“第二类”环境中的固定位置使用的驱动系统。如果驱动系统由有资质的专业人员安装和使用,则可在“第一”环境中使用。必须遵守制造商提供的警告和安装信息。

• C3类别

额定电压<1000V,在“第二类”环境中使用的不受限制的驱动系统。

• C4类别

额定电压 ≥1000V或额定电流400A,用于“第二”环境中的复杂系统的驱动系统。

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         根据EMC产品标准EN 61800-3的C1至C4类别概览

在“第一类”环境(即民用环境)中,允许的干扰等级较低。因此,设计用于“第一类”环境的设备必须具有低的干扰发射。但同时,它们只要求相对较低的抗干扰性。

在“第二类”环境中(即工业区),允许的干扰等级较高。为在“第二”环境中使用而设计的设备允许具有相对较高水平的干扰发射,但它们也要求具有较高水平的抗干扰性。

5、变频器的应用环境

C1类别:

一般没有此类变频器产品。

C2类别:

一般变频器设计用于“第二类”环境。然而在中性点接地的TN或TT电源系统中,通过安装辅助的进线滤波器(RFI抑制滤波器或EMC滤波器),还可以运行于根据EMC产品标准EN 61800-3定义的“第一类”环境C2类别。为了达到C2类别的要求,必须使用屏蔽电机电缆。

C3类别:

有部分变频器会标配符合EMC产品标准EN 61800-3定义的C3类别的进线或EMC滤波器(RFI抑制滤波器),适用于中性点接地的TN或TT电源系统。为达到符合C3类要求,必须使用屏蔽电机电缆。

C4类别:

变频器也可用于非接地(IT)电源系统。在这种情况下,对于集成C3级别滤波器的变频器,必须拆除连接滤波器电容和外壳的金属片以禁用该进线滤波器。如果没有拆除,变频器可能发生故障跳闸,或者滤波器可能过载甚至在发生故障时损坏。当作为标准集成的进线滤波器停用时,变频器仅符合C4类别要求。EMC产品标准EN 61800-3明确允许在复杂系统中使用IT供电系统,在这种情况下,设备制造商和设备运营商必须商定EMC计划,即采取定制的、特殊系统性措施以确保符合EMC要求。符合C4类别要求不再要求使用屏蔽电机电缆,但仍建议在变频器中未安装出线电抗器或输出滤波器的系统中使用屏蔽电机电缆,以降低电机中的轴承电流。

3.1.2 电磁兼容基本原理

1、EMC定义

电磁兼容性取决于设备的两个特性:其干扰发射和干扰抗扰度。电气设备可分为干扰源(发射器)和潜在受扰设备(接收器)。电磁兼容就是确保干扰源不对潜在易受干扰的设备产生不利影响。设备也可以既是干扰源(例如变频器功率单元)又是潜在易受干扰的设备(例如变频器控制单元)。

2、干扰发射

干扰发射是从变频器向环境发射的一种干扰信号。变频器的高频干扰发射由EMC产品标准EN 61800-3约束,该标准定义了以下限值:

• 供电系统连接点处的高频传导干扰(无线电干扰电压)

• 高频电磁辐射干扰(辐射干扰)

定义的限值取决于所处的环境条件(“第一类”或“第二类”环境)。

变频器的低频干扰发射(通常表现为对供电系统的谐波影响或供电系统扰动)由不同的标准规范。EN 61000-2-2适用于公共低压电网,EN 61000-2-4适用于工业电网。在欧洲以外,通常参考IEEE 519,同时也必须遵守当地供电公司的相关规定。

3、干扰抗扰度

抗扰度描述变频器在电磁干扰影响下的运行情况,电磁干扰通过环境影响变频器。干扰类型包括:高频传导干扰(无线电干扰电压)和高频电磁辐射(辐射干扰)

EMC产品标准EN 61800-3也规定了评估变频器在这些类型的干扰下运行情况的要求和标准。

3.1.3 变频器及其电磁兼容性

1.变频器的运行原理

变频器包含整流、直流母线和逆变,进线侧的整流供电给直流母线,连接到直流母线的逆变器使用脉宽调制的方法从直流母线电压产生输出电压V(实际是矩形的电压脉冲)。电机电感的平滑效应产生了一个很大程度上正弦的电机电流I,如下图所示:

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       变频器的工作原理及输出电压V和电机电流I的示意图

2、变频器作为高频干扰源

高频干扰的主要来源是电机侧逆变器中IGBT(绝缘栅双极晶体管)的快速开关,这会导致极陡的电压边沿。每个电压沿通过逆变器输出端的寄生电容产生脉冲型泄漏电流或干扰电流I1。如下图所示:

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               逆变器输出电压和干扰电流的示意图 

干扰电流II从电机电缆和电机绕组通过寄生电容CP流到地,并且必须通过合适的路径返回其源(逆变器)。干扰电流II通过接地阻抗ZGround和电源阻抗ZLine回流至逆变器,其中电源阻抗ZLine由变压器阻抗(相对地)和电源电缆寄生电容(相对地)的并联组成。干扰电流本身以及阻抗ZGround和ZLine引起的干扰压降会影响连接到同一电源和接地系统的其他设备。

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            干扰电流的产生及其返回到逆变器的路径的示意图

3、降低高频传导干扰发射的措施

使用非屏蔽电机电缆时,干扰电流II通过电缆桥架、接地系统和电源阻抗流回逆变器,由于其频率高,可通过阻抗ZGround和ZLine产生较高的干扰电压。

干扰电流II对接地和供电系统的干扰影响可通过使用屏蔽电机电缆将高频干扰电流II引回到逆变器,从而将通过阻抗ZGround和ZLine的电压降最小化,从而显著降低干扰电流II对接地和供电系统的影响。若变频器中标准集成了的C3类别的进线滤波器或EMC滤波器(RFI抑制滤波器),高频干扰电流II可以通过低电阻路径流回驱动系统内的逆变器。这意味着大部分干扰电流II流经电机电缆屏蔽层、PE或EMC屏蔽母线和进线滤波器,从而大幅降低接地和供电系统受到的干扰电流,干扰发射也大大减少。在采用屏蔽电机电缆及内置滤波器时干扰电流路径如下图所示:

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      屏蔽电机电缆与EMC滤波器组合使用时的干扰电流路径 

为了达到预期减少干扰的目的,正确安装整个驱动系统是至关重要的。安装必须使干扰电流II能够找到一条连续的,低电感的路径,这个从电机电缆的屏蔽到PE或EMC屏蔽母线以及进线滤波器回到逆变器的路径,不能中断或有弱点。

因此,为了符合EMC产品标准EN 61800-3 C2和C3类别的要求,需要使用屏蔽电缆连接变频器和电机。对于大功率变频器应尽可能使用对称的三芯三相电缆。理想的三芯三相电缆集成了三根对称的PE导线,也可以采用独立PE线的三芯对称电缆,此时独立的PE线必须尽可能平行于三芯对称动力电缆。

4、降低高频辐射电磁干扰发射的措施

除了逆变器中IGBT的每次开关处的陡峭电压沿外,引起高频电磁干扰的其他原因是变频器控制单元中的高频开关电源和极高频时钟的微处理器。

为了限制这种干扰辐射,需要采用能够形成法拉第笼效应的封闭变频器柜体,配合屏蔽的电机电缆和信号电缆,且电缆屏蔽层两端必须接地以获得最佳屏蔽效果。

当变频器集成在开放式机柜框架中时,设备的干扰辐射强度无法有效抑制。为确保符合EMC产品标准EN 61800-3的C3类别,安装设备的房间必须采用适当的高频屏蔽措施(例如,将开放式机柜框架安装在带有封闭的金属外壳中)以确保有足够的屏蔽。

当变频器安装的柜体采用涂层钢板时,为满足EMC产品标准EN 61800-3规定的C3类要求的干扰辐射将,需要采取以下措施:

• 变频器柜中的所有金属外壳组件和安装底板必须通过高导电性的大接触面相互连接并与柜框架连接。理想的连接方式是通过大的金属连接或通过具有优异高频特性的接地条建立的连接。

• 除了现有的保护接地连接外,柜体框架还必须尽可能在多个点通过适用于高频电流的低电感导体连接到基础接地(网格状)。

• 机柜扣板(如门,侧板,背板,顶板和底板)还必须以高电导率导体连接到机柜框架,理想情况下是通过具有出色高频特性的接地条连接。

• 涂漆或阳极氧化金属组件上的所有螺纹连接必须配备特殊的接触垫圈(爪垫),从而能穿过非导电表面建立金属导电接触,或者必须在装配之前去除待连接部件之间的非导电表面,以建立平面金属连接。

• 从EMC方面考虑,变频柜通风口应尽可能地小。但根据流体力学定律,为了保证令人满意的机柜通风,需要一定的最小通风横截面。因此对这两方面必须平衡考虑。西门子S120变频柜典型的通风格栅每格的横截面约为190mm²。 

一般变频柜在关闭柜门和使用小于100米的电机屏蔽电缆时要能够符合EMC产品标准EN61800-3 C3类中定义的干扰辐射限值。通过选装进线滤波器后,能够符合EMC产品标准EN61800-3 C2类中定义的干扰辐射限值。

3.1.4 变频器作为低频干扰源

如果变频器连接到具有纯正弦电压的电源系统(发电机或变压器),进线侧整流电路中元件的非线性特性会导致非正弦电流向电源系统流动,从而使PCC(公共接入点)处的电压发生畸变。这种对电源电压的低频传导效应称为“谐波对供电系统的影响”或“供电系统扰动”。

1、降低低频干扰辐射的措施

变频器对电源系统的谐波影响在很大程度上取决于所用整流电路的类型。因此,整流器类型的选择和附加网侧组件(如进线电抗器或进线谐波滤波器)会改变谐波对供电系统影响的大小。

变频器常规采用的6脉动整流电路对供电系统产生很大的谐波影响。通过增加进线谐波滤波器或采用12脉动整流配置可以显著降低对电源系统的谐波影响。带或不带滤波器的进线电流如下图所示:

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       6脉动整流电路中典型的进线电流  

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     带进线滤波器的6脉动整流典型的进线电流

有源整流对电源系统产生的谐波影响水平最低,这种配置时的电流和电压实际上是正弦的。

3.1.5 变频器作为潜在易受扰设备

1、受扰途径

干扰源产生的干扰可以通过不同类型的耦合路径到达潜在易受干扰的设备。这里对传导耦合,容性耦合,感应耦合和电磁干扰耦合等路径进行了区分。如下图所示: 

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      干扰源与潜在易受干扰设备之间的耦合路径

2、传导耦合

当几个电路使用共用线路(例如公共接地线或接地母排)时,就建立了传导耦合。电路板1的电流I1在共用线路阻抗Z处产生的压降ΔV1会影响电路板2的端电压。同样,电路板2的电流I2在共用线路阻抗Z处产生电压降ΔV2,也会影响电路板1的端电压。如下图所示:

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           通过共用线路阻抗Z形成两个电路的传导耦合

例如,如果电压源DC24V向两个电路板供电,而电路板1是具有周期性脉动电流消耗的开关电源,而电路板2是用于模拟信号传输的对干扰敏感的接口模块,那么该场景中的电路板1将是干扰源,接口模块充当潜在易受干扰的设备,干扰信号会通过传导耦合(即公共阻抗Z上的压降ΔV)干扰接口模块端电压,这会影响模拟信号传输的质量。

抑制传导耦合的措施

• 最小化共用电路的长度。

• 如果共用电路呈高阻抗,则应使用大横截面的导线。

• 针对每个电路采用相对独立的供电和回流电路。

3、容性耦合

电容性耦合发生在相互隔离且具有不同电位的导体之间。这种电位差在导体之间产生电场,可以用电容Cc来描述。电容Cc的大小取决于导体的几何形状和具有不同电位的导体之间的距离。

下图显示了干扰源通过容性耦合将干扰电流II耦合到潜在易受扰设备。干扰电流II在潜在易受扰设备的阻抗ZI处产生电压降,进而产生干扰电压。

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                      干扰电流通过电容耦合至信号电缆

例如,如果电机电缆和未屏蔽信号电缆在长电缆桥架上近距离地平行布线,则电缆之间的小距离将导致高耦合电容Cc。变频器的逆变单元充当干扰源,其输出的脉冲电压通过电容Cc产生干扰电流并耦合到信号电缆中。如果该干扰电流通过数字量输入点流入变频器的控制单元,则产生的持续时间仅为几微秒、幅度仅为几伏的小干扰脉冲就会影响变频器微处理器的数字控制,并可能导致变频器故障。

抑制容性耦合的措施:

• 使干扰源的电缆与受扰电缆之间的距离最大化。

• 使并行电缆走线的长度最小化。

• 使用屏蔽信号电缆。

最有效的方法是系统地确保动力电缆和信号电缆分开布线,并采用屏蔽的信号电缆。这可以确保干扰电流II耦合到屏蔽层中,并且它通过屏蔽层、变频器的外壳回流到地,而不影响内部电路。

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                 使用屏蔽信号电缆减少干扰耦合到潜在易受扰设备

为了确保屏蔽尽可能有效,有必要使用大的接触面积建立低电感屏蔽连接。当使用数字信号电缆时,要使用较大的接触面积将屏蔽层的两端(即发送端和接收端)接地。当使用模拟信号电缆时,屏蔽层两端接地会导致低频干扰(环路噪声)。在这种情况下,应仅在一端(即变频器侧)进行接地。屏蔽层的另一侧应通过大约10nF/100V的MKT型电容接地,使用电容时,意味着对于高频干扰仍相当于双端接地。

从EMC的角度来看,应尽可能避免使用过渡端子,因为屏蔽层的中断会降低抑制干扰的效果。如果在某些情况下无法避免过渡端子的使用,则信号电缆屏蔽层必须在紧接过渡端子前后正确地连接在屏蔽卡轨上。并保证屏蔽卡轨两端通过大接触面与机壳良好连接。如下图所示:

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4、感应耦合

感应耦合发生在不同回路之间。如果交流电流在一个闭合回路中流动,就会产生一个交变磁场,这个交变磁场穿过另一个闭合回路,并在这个回路中感应出一个电压。感应耦合的大小可以用互感M来描述,互感M取决于闭合回路的几何形状和回路之间的距离。

下图显示了一个受干扰源影响的电路。该电路借助于干扰磁场BI在信号电路中感应出干扰电压VI。干扰电压VI产生的干扰电流II流过潜在易受扰设备的阻抗ZI处产生电压降,这可能导致故障。图片

例如,如果干扰源是连接到变频器直流母线的制动斩波器(即制动单元),那么在制动运行期间,很高的脉动电流流向连接的制动电阻器。由于其大小及较高的电流变化率di/dt,该脉动电流在信号回路中感应出脉动干扰电压,从而产生脉动干扰电流。如果该干扰电流通过数字输入点流入变频器接口模块,则可能发生故障(例如,偶发性故障跳闸)。

抑制感应耦合的措施:

• 最大限度地增加闭合回路之间的距离。

• 确保每个闭合回路的面积尽可能小,并将每个回路的供电线和回流线平行布置,使它们尽可能靠近彼此,或信号电缆采用双绞线。

• 使用屏蔽信号电缆(在感应耦合的情况下,必须确保双端接地)。

5、电磁或辐射耦合

电磁或辐射耦合是通过辐射电磁场产生的干扰。这种干扰的典型来源为:
• 蜂窝无线电设备。
• 移动电话。
• 运行中伴随放电的设备(火花塞、焊接设备、接触器以及触点断开时的开关)。

抑制电磁耦合的措施:

由于电磁场在高频范围内,必须实施以下为减少辐射干扰且在最高频率下也有效屏蔽措施:
• 变频器机柜使用金属壳体,其中各个部件(机柜框架,背板,门等)以优异的导电性相互连接。
• 柜内设备和电子板使用金属外壳彼此连接,并与变频柜框架良好连接。
• 使用适合高频的细绞编织屏蔽电缆。

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