使用变频器时的电磁兼容性

电磁兼容性 (EMC) 这是电气或​​电子设备在存在电磁场的情况下正常运行的能力。同时，设备不得干扰附近其他设备或系统的运行。

国际能源委员会 (IEC) EMC 指令规定了欧洲经济区使用的电气设备的抗扰度和辐射要求。 EMC EN 61800-3 标准涵盖了对变频器的要求。

变频器仅在电源正弦波的瞬时值高于直流链路电压（即在峰值源电压区域。结果，电流不是连续流动的，而是断断续续的，具有非常高的峰值。

这种类型的电流波形包括基本频率分量，或多或少的高比例谐波分量（电源谐波）。

在三相变频器中，它们主要由5次、7次、11次和13次谐波组成。这些电流会导致电源电压波形失真，从而影响同一网络中的其他用电设备。

此外，交流电引起的波动 功率因数校正电路 在一些可能导致过电压的临界条件下。

在以下情况下，条件很关键：

• 至少 10 - 20% 的装置功率由变频器的逆变器和不可控整流器形成；

• 补偿电路不间断工作；

• 最低补偿级与电源变压器一起创建谐振电路，谐振频率接近 50 Hz 的 5 次或 7 次谐波，即大约 250 或 350 赫兹。

由于逆变器晶体管在 脉冲宽度调制 观察到声学效应，这对电网和电动机有负面影响。

逆变器晶体管开关的快速切换会产生宽带干扰信号，通过电机电缆影响环境。由 PWM 和 DTC 控制电压间隔引起的电感的连续变化导致电机铁芯片长度的轻微变化（磁致伸缩），从而导致电机定子铁芯叠层中的特征调制噪声。

变频器输出电压为高频 矩形脉冲序列 具有相同幅度的不同极性和持续时间。电压脉冲前沿的陡度由逆变器功率开关的开关速度决定，并且在使用不同的半导体器件时会有所不同（例如：对于 IGBT晶体管 即 0.05 — 0.1 微秒）。

具有陡峭前沿的脉冲信号的通过会导致电缆中的波过程并导致电机端子中的过电压。

电机电缆的长度取决于通过它传播的高频波（脉冲前沿）的长度。关键是电缆长度等于电压脉冲施加到感应电机绕组的波长的一半，这是幅度接近直流母线电压的两倍。

在电压等级为 0.4 kV 的电力驱动器中，过电压可达 1000 V。这个问题称为长电缆问题。

带有输入和输出滤波器的变频器框图

为了满足 EMC 标准的要求，变频器驱动器中使用了线路扼流圈和 EMC 滤波器。

EMC 滤波器可降低换能器发出的噪音，对于大多数类型的换能器，出厂时内置在探头外壳中。线路电抗器旨在降低高浪涌电流，从而降低线路电流的谐波，并改善调频驱动器的浪涌保护。

“长电缆”问题的解决方案是需要应用技术解决方案来限制电动机端子中的过电压和浪涌电流。其中包括安装输出扼流圈、滤波器、正弦滤波器。

变频器接线图

输出扼流圈主要用于限制由于电缆插座过度充电而在长电机电缆中出现的电流尖峰，并略微降低电机端子处的电压升高，但它们不会降低电机端子处的电压峰值。

线性扼流圈

滤波器通过限制电压上升并将电机端子处的电压峰值降低到非临界值来保护电机绝缘，同时滤波器降低电缆容器定期充电时出现的电流峰值。

EMC 滤波器

正弦滤波器在转换器的输出端提供接近正弦的电压。

此外，正弦滤波器将电机端电压的上升率降低到一个值，去除电压尖峰，减少电机中的附加损耗并降低电机噪音。

对于长电机电缆，正弦滤波器可减少电缆容器定期充电产生的电流峰值。

除了上述限制电动机端子浪涌电压的方法外，还应注意两种解决长电缆问题的有效方法，这两种方法不需要大量投资，用户可以直接进行：

1、在变频器输出端加装串联LC—滤波器，降低变频器输出电压脉冲前沿的陡度；

2.将并联 RC 滤波器直接安装到电机端子以匹配电缆的波阻抗。

除了上述保证电磁兼容性的方法外，还需要注意的是变频器与电动机之间的连接需要使用屏蔽电缆。为有效抑制辐射高频干扰，屏蔽层的电导率至少应为相导体电导率的1/10。

允许评估屏幕电导率的参数之一是它的电感，它应该很小并且尽可能少地依赖于频率。使用铜或铝屏蔽（铠装）很容易满足这些要求。

连接变频器和电机的电缆的屏蔽层必须在两端接地。屏蔽层越好越紧，辐射水平越低，电机轴承中的电流幅度也越小。

变频器电机电缆屏蔽

屏蔽层由同心铜线层和盘绕铜带组成。

通常，控制电缆的屏蔽层直接接地到变频器。屏蔽层的另一端不接地或通过几 nF 的高压高频电容器接地。

建议使用带两层屏蔽层的双绞线连接模拟信号。还建议使用这种电缆连接来自脉冲速度传感器的信号。每个信号应使用一根带有单独屏蔽层的电缆。

对于低压数字信号，也推荐使用双屏蔽双绞线，但也可以使用多根共用屏蔽层的双绞线。

双屏蔽双绞线电缆（a）和带有多对双绞线和一个公共屏蔽层的电缆（b）