变频器的EMI起因及对策

李中年-变频器的EMI起因及对策（-2）Causes of the Electromagnetic Interference of Frequency Converter and its Countermeasure武汉理工大学自动化学院 李中年 陈长亮 黄奎 Li Zhongnian Chen Changliang Huang Kui摘要：文中详尽的论述了通用变频器中EMI（ElectroMagnetic Interference）的产生原因与机理以及抑制EMI的策略与措施。关键词： 变频器 EMI EMCAbstract: This paper introduces the causes and phenomena of the electromagnetic interference of frequency converter, and the EMI suppression measures and strategies are expounded.Keywords: Frequency Converter Electromagnetic Interference中图分类号？文献标识码B文章编号1561-0330(2008)10-0000-00 1 引言通用变频器应用日益广泛。然而，变频器的EMI（ElectroMagnetic Interference）问题越来越不容忽视。变频器中的EMI包括其自身的EMI和外界的EMI，前者影响电源性能，后者影响变频器及其负载的性能，必须采取行之有效的方法与措施加以克服，否则可能导致变频器及其周边电气电子设备均不能正常运作。文中就通用变频器比较常见的、典型的、突出的EMI问题，对其起因与影响以及抑制它的策略与措施进行了详尽的论述。2 变频器自生型EMI通用变频器工作时，自生会产生EMI，比较典型的有以下五种：2.1共阻抗的EMI变频器内部电路集成化程度比较高，模拟电路和数字电路同时并存，又存在容易产生电磁噪声（时变电磁现象）的电力电子元器件。因此，变频器内部电路分布中同时存在模拟地线、数字地线、噪声地线和金属地线四种工作地线。其中工作地线是给电源和传输信号提供等电位，实际电路中工作地线常常兼作电源和信号的回流线，而工作地线总是具有一定电阻和分布电感的，并且一般电阻很小，可以忽略，但高频时由于分布电感的感抗作用，当回流流过工作地线时就会在地线的阻抗上产生电压降，致使地线上各点的电位不同，这就可能产生共阻抗EMI。2.2输入侧的EMI变频器的输入侧通常是整流和滤波电路。显然，只有电源的线电压UL大于电容器两端的直流电压UC时，整流桥中才有充电电流。因此，充电电流总是出现在电源电压的振幅值附近，呈不连续的脉冲波形式，具有强烈和丰富的高次谐波成分，使得输入电流中的5次谐波分量很大。2.3输出侧的EMI变频器的逆变桥大都采用SPWM调制方式，其输出电压为占空比按正弦规律分布的系列矩形波，由于电动机定子绕组的电感性质，其定子电流十分接近于正弦波。然而，其中与载波频率相等的谐波分量依然很大。2.4数字电路的EMI数字式变频器由数字电路组成，受电路结构、内部连线及工作过程等因素的影响，数字电路也会产生许多高频EMI，综合起来，主要有下面三种：（1)电源EMI合拉电源开关造成的电流冲击量、电路逻辑状态变化的电流电压变化量，温度变化的直流脉动量，负荷变化的浪涌冲击量、雷电浪涌量等均会产生EMI。（2)串扰EMI多芯电缆、成束电缆之间的耦合，印刷电路板内平行印制导线或变频器内较长的平行配线之间的电磁感应和静电感应都会产生EMI。（3)其它EMI主要包括数字装置使用的开关电源产生的高频辐射EMI；逻辑电路断开和接通时电压电流变化率过大产生的内部EMI；内部结构设计不合理引起的数字电路发生异常振荡产生的EMI等。2.5静电放电EMI静电放电等原因亦会产生EMI。3 变频器外生型的EMI通用变频器工作时，其外界环境即其它共电或供电设备会产生EMI，归纳起来这类外生型EMI主要有下列三种典型类别。3.1高电压设备的EMI高压电力电缆、高压断路器、变压器等电力传输设备，由于工作电压高，负载工作时致使电力传输设备工作电流较大，因而产生的磁场较强，电磁波辐射的距离较远，从而产生EMI。另外，动力配电柜内大容量的接触器在动作时，其触点电压的作用使空气电离，从而产生弧光放电等现象，以及由于触点静压力变化、抖动、滑动等现象产生的电磁辐射引起EMI。3.2外部电网的EMI外部电网中的谐波EMI主要通过变频器的供电电源来干扰变频器，外部电网中存在大量谐波源如各种整流设备、交直流互换设备、电子电压调整设备，非线性负载及照明设备等。这些负荷都会使外部电网中的电压、电流产生波形畸变，从而对外部电网中其他设备产生危害与干扰。变频器的供电电源受到来自被污染的外部电网的干扰后若不加处理，外部电网噪声就会干扰变频器。对变频器的干扰主要因素有以下6类：（1）过电压（2）欠电压（3）瞬时掉电（4）浪涌电压（5）尖峰电压（6）射频干扰电压等3.3电力电容补偿的EMI（1）功率因数补偿装置产生的EMI电力部门对用电单位的功率因数有一定的要求，为此，许多用户都在变电所采用集中电力电容补偿的方法来提高功率因数。在补偿电容投入或切出的暂态过程中，电网电压有可能出现很高的峰值，其结果可能导致变频器的功率器件因承受过高的反向电压而击穿。（2）变频器控制电路受到干扰产生的EMI变频器的控制电路最易受到干扰，并且由于控制电路是低压，其主芯片周围的电压一般为5V，因此很容易被叠加上干扰电压，从而使得芯片产生误动作。（3）变频器外部控制指令产生的EMI变频器同外部进行信号交流的基本回路有模拟与数字两种：其一，420mA电流信号回路(模拟)或者15V/05V电压信号回路(模拟)；其二，开关信号回路，变频器的开停指令、正反转指令等(数字)。因此，外部控制指令信号通过上述两种回路导入变频器，同时EMI信号也进入该两回路，并通过控制电缆入侵变频器。4 变频器EMI的抑制方法EMI是客观存在的一种物理现象，通用变频器中的EMI亦不例外，产生EMI须同时具备三基本要素，即EMI源、耦合途径和敏感设备。因此抗击和抑制与变频器相关的EMI，必须从产生EMI的“三要素”入手，采取行之有效的对策与措施。工程上常见的举措与方法有：接地、屏蔽、滤波、隔离等。下面结合本人的工作实践，就常用的、行之有效的变频器EMI的抑制方法与措施介绍如下。4.1强弱电线尽量避免平行布置变频器的信号线不要同电动机电缆（尤其是未屏蔽的电动机电缆）或未经滤波的电源线平行布置。如CT公司推荐的变频器布线规则要求：信号线与电源线距离小于0.3m时，两线平行长度要小于1m；若两线平行长度超过1m时，两线距离至少在0.3m以上。如果两线平行长度超过10m，则两线距离应成比例增大。4.2控制线路规范接线变频器摸拟量控制线主要包括输入侧的给定信号线和反馈信号线，它们可以接受010V电压信号或020mA电流信号，输出侧的频率信号线和电流信号线对摸拟信号的抗EMI能力较低，因此必须使用屏蔽线，并且屏蔽层靠近变频器的一端应接控制电路的公共端（COM），而不要接到变频器的地端（E）或大地，屏蔽层的另一端应悬空。4.3采用电抗器在变频器的输入电流中，较低的高次谐波分量（511次）所占的比重很高，它们除了可干扰其他设备的正常运行外，还因消耗了大量的无功功率，使线路的功率因数大为下降。在输入电路中串入电抗器是抑制较低次谐波的有效方法。其中交流电抗器具有三种作用：其一通过抑制谐波电流，将功率因数提至0.750.85；其二削弱输入电路中的浪涌电流对变频器的冲击；其三削弱电源电压不平衡的影响。而采用直流电抗器：功能比较单一，就是削弱输入电流中的高次谐波成分，可将功率因数提高至0.95，具有结构简单，体积小等优点。4.4采用滤波器在变频器的输入输出电路中，还有许多频率很高的高次谐波，它们将以各种方式传播出去，形成对其他电气设备的干扰，精心选用滤波器可以抑制相应的EMI。其中线路滤波器，由电感线圈构成，通过增大线路在高频下的阻抗来削弱频率高的高谐波电流。而辐射滤波器由高频电容器构成，将吸收频率很高的其有辐射能量的谐波成分。另外，输出滤波器也由电感线圈构成，它可有效地削弱输出电流中的高次谐波成分，不但起到抗EMI的作用，而且还能削弱电动机中由高次谐波引起的附加转矩。但是对于变频器输出端EMI的抑制，要特别注意的是： 1、不允许接入电容器，以免在逆变管导通(关断)瞬间，产生峰值很高的充电电流，损害逆变管。2、输出滤波器由LC电路构成时，滤波器内接入电容器的一侧，必须与电动机侧相接。4.5接地措施变频器控制柜应装有公共接地母线，电源地及其它电路的地都应接公共接地端。变频器本身的接地端不能作为公共接地端。电动机电缆(四芯电缆)中地线的两端应分别接到变频器接地端和电动机接地端。变频器的控制端与其它电路应通过OV端子共地。4.6隔离措施隔离设施主要有隔离变压器和信号隔离模块。隔离可使两个互相联系的电路相互独立，不形成回路，从而有效地切断EMI信号从一个电路串入另一个电路的噪声通路，还可用来断开共地环路，抑制噪声磁场的影响，切断共阻抗耦合干扰通道。4.7屏蔽电动机电缆线采用屏蔽电动机电缆线是抑制电磁干扰的有效方法，但是成本较高。屏蔽层应分别接变频器和电动机的接地端，EMI电流沿屏蔽层返回变频器。如果电动机电缆远离对EMI敏感的电路或装置，则可用普通电缆，一般要求电动机电缆与敏感电路每lOm平行长度有lm的间隔。对连接测速机，编码器的信号线也应采用屏蔽线。铠装电缆可提供有效的屏蔽，但也必须两端接地。布线时，电缆外面的绝缘层不能破坏，采用金属支架走线时更应注意。此外，在电磁场干扰严重的现场，电缆屏蔽层只能在电动机处接地，阻止50Hz环流的形成。另一端可用一只1F/250V耐压的电容接地，为EMI电流提供回路。5 结束语从以上分析可以看到，变频器的EMI有“自生”型和“外生”型两大类。变频器作为电网的负载，不可避免地要受到电网的EMI和相关外界的EMI的影响及谐波的污染，而变频器工作时，自身又是一个EMI源，它对电网及相关设施亦产生EMI影响与谐波污染。因此分析和研究变频器的EMI及其抑制技术对确保变频器系统稳定和可靠工作至关重要。笔者撰写此文与同仁们交流，旨在抛砖引玉，分享体会。作者简介：李中年(1949) 男 教授，主要研究方向：电力电子技术与电气工程。陈长亮(1984) 男 硕士研究生，研究方向：电力电子变换技术及应用。黄 奎(1984) 男 硕士研究生，研究方向：智能控制与智能自动化。参考文献：1 高永熊.智能变频器的研制.武汉理工大学硕士学位论文，2006.52 熊 晶.智能变频器理论方法与关键技术的研究. 武汉理工大学硕士学位论文，2007.53 何 超.数字式智能变频器的研究.武汉理工大学硕士学位论文，2008.54 刘永喜等. 变频调速传动系统的电磁兼容分析. 机床