逆变器所造成的电磁兼容问题及其解决--中国期刊网

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逆变器所造成的电磁兼容问题及其解决

发表时间：2020/10/26 来源：《基层建设》2020年第19期作者：邢志刚

[导读] 摘要：文章主要论述了使用逆变器时产生的尖峰电流和过冲电压还会使电机绕组过热而导致损坏，并且增加电源功率损耗，利用传统方法解决使用逆变器带来的电磁兼容问题，采用输出端滤波器来解决电机过热、噪声及电磁兼容方面的其它问题。

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        摘要：文章主要论述了使用逆变器时产生的尖峰电流和过冲电压还会使电机绕组过热而导致损坏，并且增加电源功率损耗，利用传统方法解决使用逆变器带来的电磁兼容问题，采用输出端滤波器来解决电机过热、噪声及电磁兼容方面的其它问题。
        关键词：机电安装；逆变器；电磁兼容问题
        1、利用传统方法解决使用逆变器带来的电磁兼容问题
        1.1问题提出
        电机驱动器一直是电磁干扰信号（EMI）的一个主要来源，采用逆变器控制后其电磁干扰问题愈显严重，它所产生的干扰信号会严重地影响周围电子仪器的正常工作。
        电机驱动器（以下提到的电机驱动器均带有逆变器）所产生的干扰信号将耦合进入地线并通过共地点传入其他设备，或直接通过电缆传到电机；不论哪一种情况，接收到干扰信号的设备必然会受影响。干扰信号的一些高频成分还会从传输线辐射出来干扰其它设备的正常工作。为了符合电磁兼容要求，必须采取措施来抑制PWM调制带来的干扰信号的传播。对于低频的干扰电流可通过串接滤波器之类的元件来阻止其沿电缆传输；对于高频的干扰信号则需采用屏蔽，良好接地和搭接等手段防止电磁波向外辐射。
        1.2问题的解决
        传统的EMI问题即一个EMI源通过一定的耦合方式对另一电子设备进行干扰。为了减少干扰，首先考虑到的是使干扰源发出尽量少的干扰信号，但往往这样的措施会影响的EMI源本身性能的正常发挥；另一方面，还可以降低被干扰对象的敏感度；这是一种看起来简单的方法，但实际中常常做不到。唯一可行的方法是改变耦合的方式使传送到被干扰对象的干扰信号减弱，具体可以通过滤波、接地、屏蔽三类手段实施。
        ① 滤波
        应用滤波器的目的在于阻止干扰信号沿电源线传输以及进行阻抗变换，使干扰信号不能通过地线传播而是被反射回干扰源。
        在电机驱动器的输入输出端都需进行滤波。在输入端，几个电容与一个轭流圈结合起来便构成一个简单但效果不错的滤波器；这样的结构也是许多复杂的输入端滤波器的原型。为使滤波器能够有效地发挥，在安装输入端滤波器的时候还必须遵循一些规则。滤波器制造商以标称值满载工作的环境温度为40℃来设计其电源滤波器，因此通常无须外加散热器或热沉。考虑整台驱动器的散热时，应将滤波器的功率耗散计算在内；滤波器的功率耗用量可从相应技术参数说明中查出。滤波器必须与驱动器共基板，并确保其与基板的连接对高频信号具有低阻特性。滤波器尽量靠近驱动器安装。若两者距离超过30cm，应用扁平导线进行连接。因为扁平导线的高频低阻特性较好。滤波器输入输出端均有接地头，该接地点一定要与滤波器外壳相连。安装时需去掉滤波器与基板连接处的油漆或其它涂料。滤波器与电源连接前必须接地需电流峰值可超过滤波器标称电流值，但有效值必须小于标称电流值；环境温度超过40℃，需考虑到滤波器的实际额定电流值小于标称电流值。此外，要参见滤波器制造商的相关文件来选择滤波器标称电流值。滤波器内的电容接有泄流电阻，断电后10秒内请勿接触滤波器，以防电容触电伤人。
        ②接地
        由于接地不正确而带来的问题时有发生。首先在概念上必须分清“安全接地”和“EMI接地”是有差别的，特别是在高频区域。将一个系统中所有的导体部分均通过1.5mm平方截面导线接到共地的做法，从安全角度看是没有问题的，可以对于频率较高的干扰电流，这样的接地方式却行不通。因为在高频区域由于集肤效应，1.5mm平方导线连接的接头处将呈高阻状态，造成接地不良，使系统对外的辐射干扰增强，对外界的影响也会变的敏感。因此在EMI接地时，需要很低的高频阻抗。

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        下面列出几条应当注意的规程：用尽量大的导体，例如机壳，作为公共地。不同的接地点之间应用扁平地线连接到一起（扁平线比圆线或方线具有较低的高频阻抗），并应尽量减小接地距离。需除去连接点处的油漆或其它涂料，以确保低阻连接。所有的接地点要经常检查防止脱落或松动现象发生。
        ③ 屏蔽
        屏蔽可用来防止系统向外辐射能量和外界电磁波进入系统。作为系统组成部分的机壳和电缆线都需作到良好屏蔽。具体做法如下：带开关器件的驱动器是主要的干扰源，应将其安装于机箱中，以机箱作为外层屏蔽罩。驱动器与电机之间的连线需进行屏蔽以满足EMC要求及增加机械强度。机箱、电缆屏蔽层以及电机机壳三者应连在一起。电缆屏蔽层不可有中断处。屏蔽系统应设计为在兆赫频段具有低阻抗，建议使用相应的特殊连接头。机厢内所有基板均需相互连接，并使高频时呈现低阻；连接处可使用附加螺丝。或使用EMC垫片，并注意除去油漆。
        ④减少干扰的其它措施控制线和信号线应与电源线分开，通常距离在20cm以上即可。如果控制线必须与电源线交错，应尽量使交叉角接近90度。如果有超过一组缆线进入机壳，应对每一缆线进行滤波。
        2、采用输出端滤波器来解决电机过热、噪声以及电磁兼容方面的其它问题
        2.1问题的提出
        在使用逆变器的交流电机系统中，逆变器输出的具有陡变沿的驱动脉冲包含多次高频谐波；由于驱动器与电机之间的连接缆存在杂散电容和电感并受某次谐波的激励而产生减幅振荡，造成传送到电机输入端的驱动电压产生过冲现象，同时电机绕组也存在杂散电容，过冲的电压在绕组中产生尖峰电流，就会在绕组绝缘层不均匀的地方引起过热，影响到电机可靠性甚至烧坏绝缘层，严重缩短电机寿命。
        ①噪声
        当逆变器的开关频率处于人耳听觉频段内，电机工作时便会对周围的环境造成噪声污染。如果是应用在空调系统中，噪声可能会传遍整个使用环境。有时出于减少过压和尖峰电流方面的考虑，会减低开关频率（例如从16kHZ降至0kHZ工作），这种情况下更加容易产生噪声污染。
        ②为满足EMI要求而带来的问题：
        为满足EMI标准，电机在安装时要使用屏蔽线来传输驱动电流，会使系统的杂散电容容量成倍增加。变频器所产生的变速脉冲信号与这些杂散电容----其中也存在电机绕组本身的杂散电容----相耦合会产生大量漏电流，这些漏电流的出现加剧了功率消耗，结果不得不通过提高电源功率来保证系统的正常工作。对于小功率电机系统这种情况尤为明显，有时用户不得不采用功率超出额定值20%--50%的电源供电，不但效率低而且驱动器与电机的连接线长度受到很大限制。用什么方法能够达到EMI标准又可少用屏蔽线呢？
        2.2 问题的解决
        较好的解决方法是采用输出端滤波器。输出滤波器，串连安装在变频器输出端。滤波器可较为成功地解决了电机过热、噪声问题，降低了为达到EMI要求而在屏蔽、接地方面提出的苛刻要求。使系统工作起来更安全、更有效。
        输出滤波器采用基本的方法，让驱动脉冲通过一系列低通滤波单元，从而延缓驱动脉冲的上升时间，测试表明，采用最新的IGBT器件来完成功率开关的变频器会产生上升速率高达8KV/µS的脉冲，而在驱动器输出端使用滤波器进行滤波之后，脉冲上升沿斜率降至400V/MS，有效地消除了电压尖峰，并提高了系统的效率和可靠性。
        对于使用变频器而带来的噪声问题，输出滤波器提供了一个理想的解决方法。这一类滤波器通过选择合适的元件参数及电感铁心材料，将PWM驱动脉冲转化成接近正弦波形式的电压驱动信号，从而大大减少了高次谐波分量，解决了由于脉冲沿陡变成电压过冲而带来的种种问题，减小了产生噪声的可能性，并使电磁干扰降到最低限度。驱动信号通过滤波器变为正弦信号还可使电机绕组圈中的涡流损失得以降低，并且避免电机不均衡旋转对电机底座造成的损伤。