低压变频器发射限值的设计研究

高成海,万健如

(天津大学 电气与自动化工程学院,天津 300072)

1 引言

作为电气传动系统(power drives systems,PDS)中的一个重要部件,变频器的电磁兼容性(electromagnetic compatibility,EMC)是指1台变频器在电磁环境中令人满意地发挥其功能而本身不对该环境中的其他设备产生不可接受干扰的能力。对交-直-交结构的低压电压源型变频器的主回路分析可知,变频器功率器件的整流部分要产生低频谐波,是由换相缺口产生的高次谐波引起的;逆变器中的IGBT快速通断(一般为1.25～8kHz)引起高频干扰信号。这些开关动作产生了很高的电压上升dv/dt。逆变器输出侧电压的快速变化会产生大量的高频泄漏电流,这些电流经过电机电缆和电机绕组的对地耦合电容流到大地,再返回变频器。图1描述了变频器主回路、输出电压u与干扰电流Is的产生与路径。

2 电气传动系统EMC适用类别

鉴于以上特性,针对调速电气传动系统,特别是由变频器组成的PDS的EMC特性,国际上在标准IEC 61800-3(2004)中对其明确了要求并描述了特定的试验方法,国内则采用标准GB 12668.3-2003。GB 12668.3-2003主要来源于IEC 61800-3(1996)。因为不同环境对EMC有不同要求,因此从电磁兼容性角度首先将电气传动系统的工作环境和安装位置分为两类并定义如下。

第1类环境:不通过变压器将传动系统连接到公共低压电网上的住宅建筑物或场所。

第2类环境:通过单独的变压器由中压电网供电的工业场所。

图2为两类环境的示意图同时标明了干扰的测量点和主要传导路径,其中,左侧建筑为民用,规定PDS属于1类环境;右侧建筑为工业场所,规定PDS属于2类环境。

图2 第1类和第2类环境示意图Fig.2 Description of the first and second environment definition

根据电气传动系统的技术数据和将要使用的环境,IEC 61800-3(2004)又进一步将PDS分为以下4类,对每一类都规定了详细的EMC限值或特性指标,具体要求如下。

在实际问题中，团体可以是学校、医院、工厂、农庄等企事业单位，也可以是国家、北约、APEC等政治、军事、经济等组织.资源可以是活动空间或场所、交通工具、办公用具、通讯工具、医疗卫生健身娱乐以及生活用具等物品或准入票据(包括俱乐部的会员卡、影戏歌舞盛会的入场券、其他招待券通行证或门票)，也可以是各部门评优奖励或参与团体的会议、考察、旅游、宴会以及其他社交活动的限定名额(相当于席位问题的代表数).

1)C1类:PDS额定电压＜1 000 V;不受限制地用于第1类环境中。

2)C2类:固定安装传动系统PDS的额定电压＜1000 V;用于第2类环境中。只有在由专业人员销售和安装时才用于第1类环境中。

3)C3类:PDS额定电压＜1 000 V;仅用于第2类环境中。

4)C4类:PDS额定电压≥1 000 V或者复杂系统中的额定电流≥400 A时;用于第2类环境中。

虽然C1～C4是针对电气传动系统定义而不是变频器,但作为PDS中的一个重要部件,变频器的EMC特性即抗干扰性和干扰发射,如何达成标准中的要求却是相当重要的。分析表明EMC特性在不同频率范围具有各自的特点。下面以C3类的电气传动系统中的低压电压源型变频器为例详细分析如何使变频器的干扰发射值满足标准要求。

3 低频段发射限值分析试验

在低频范围(0≤f＜9 kHz)变频器产生的干扰须在一定限值内。依据IEC 61800-3(2004)产品的电磁兼容性标准及其特定的试验方法对C3变频器进行试验。

3.1 主要发射限值

1)检验变频器产生的换相缺口。换相缺口最大允许深度为40%或者和用户达成的协议值。

2)谐波和谐间波。不适用 C3中单独的PDS,应考虑整体安装系统。此限值和短路比(即:电源的短路功率与设备的额定基波视在功率之比)有相关性。

3)电压波动。不适用C3中单独的PDS,应考虑整体安装系统。低压电压源型变频器对此影响较小。

4)共模谐波。主要指低频共模发射电压,此信号与电话系统音频信号为同一频域,考虑将变频器进线电源电缆与敏感的信号电缆分开即可。

3.2 变频器传动系统的分析

可以看出,对变频器的低频发射,在C3类别主要考察整流部分产生的换相缺口。由于一般在小功率段(截止到37 kW)变频器的整流部分多采用二极管整流,这种情况下,产生的换相缺口的幅值较小可忽略。

对较大功率变频器,虽然采用晶闸管整流,但仅在整流器开始通电瞬间(2 s左右)调整触发角,使得直流电压增长到额定值。随后整流器即全部开通,这时整流桥的功能和二极管桥相同,因此产生的换相缺口的幅值仍然较小。

为减少换相缺口产生的谐波对电网的影响,在变频器进线侧要配有短路压降为2%的进线电抗。加上电网侧至少为1%短路压降的电感值,换相缺口产生的影响可被抑制。

由于变频器的整流部分只在接通电源的开始瞬间为可控整流,然后就全部开通,所以换相缺口通过采用进线电抗器来抑制就可以了。

4 高频段发射限值分析试验

同样,在高频范围(9 kHz≤f)变频器产生的干扰也须在一定限值内。

根据IEC 61800-3(2004)对变频器系统主要做以下测试,具体试验方法参照IEC CISPR-11(工业、科学和医疗设备-无线电频率干扰-限值与测试方法)。

4.1 主要发射限值试验

主要发射限值试验包括:

1)电磁干扰电压(radio interference voltage),从0.15MHz到30 MHz的干扰电压测量,测试的是经由电源电缆的传导性辐射;

2)电磁干扰辐射(interference radiation),从30 MHz到1 000 MHz的辐射测量。

4.2 变频器传动系统分析

以某变频器为例,如仅采用图1的结构,变频器的高频发射会超出限值。经分析逐步采用以下措施。

1)为使变频器输出侧的高频泄漏电流有固定的路径,采用屏蔽的电机电缆。这些高频泄漏电流或称为干扰电流会经由屏蔽层流到PE母排或变频柜内的EMC屏蔽母排。如果变频器内没有任何形式的电容可为这些高频干扰电流提供一个返回逆变器的低阻抗通路,那么所有这些干扰电流会流经变频器进线侧的PE连接处到变压器的中性点(流经PE母排的电流=总的泄漏电流),再从那经由三相供电电缆返回到变频器(整流部分)。这种干扰电流会和进线侧的高频干扰电压叠加在一起,从而影响甚至损害和变频器连接在同一电网接入点的其他负荷,这种情形下电源公共连接点上的干扰水平一般只能达到C4类别定义的值。

2)除电机屏蔽电缆之外,在遵循EMC的一般规则的基础上,可在变频器内部直流母排和进线端,安装用以实现C3类别的滤波器(line filter category C3)。高频干扰电流就有了一个低阻抗的返回通路,很大一部分干扰电流可从变频器内的滤波器流过。电网就只有较少的干扰电流(＜),从而使公共连接点的干扰水平降到C3级别。

3)如果在变频器的内置滤波器之外,在变频柜内再增加一个进线滤波器(line filter category C2),那么差不多全部的干扰电流都会在流出传动系统之前被分流。这样进线侧的干扰负荷将进一步减少(≪I),即干扰水平可降到C2级别。

如图3所示,变频器输出侧改用屏蔽电缆、内部增加两类滤波器。

图3 变频器的干扰发射改进措施示意图Fig.3 Description of improvements in converter against radiation disturbance

对变频器的辐射干扰,同样是首先使变频器的核心部件BDM(basic drive module)达到C2的要求,然后对变频器柜CDM(complete drive module)作相应测试,以最终实现满足C3要求的目的。

在设备辐射测试没有达到标准要求时,应先分析原因,确定是机箱泄漏,还是连接线共模电流辐射。

如果是机箱泄漏,实际上遇到较多的也是这种情况,可用近场磁场探头找出泄漏点并加以改进。此时变频器壳主要应起到屏蔽高频交变电场、交变磁场以及交变电磁场影响的作用。要实现这种电磁屏蔽,重点改进以下3点。

1)保证屏蔽体的导电连续性,即整个屏蔽体必须是一个完整的、连续的导电体。

2)不能有穿过机箱的导体。

3)此外,变频器壳的缝隙和其内部的长导线都有可能形成天线,增强辐射干扰,应尽量减少。

遵循以上思路,对某变频器反复试验优化,最终发射值低于C3限值,如图4、图5所示。试验条件:10 m的标准半电波暗室(semi-anechoic room),变频器带电机空载运行。从图4、图5也可以看出,如何在30MHz频率点附近降低辐射值,是达标与否的关键。

此外,如果是连接线共模电流辐射,可先在连接线上套铁氧体磁环作试验,以进一步查明原因。

图4 垂直天线极化辐射峰值与准峰值测量结果Fig.4 Measured radiation peak and quasi peak value under vertical polarization

图5 水平天线极化辐射峰值测量结果Fig.5 Measured radiation peak value under horizontal polarization

5 结论

实践证明,如从变频器的核心部分到外围设计都严格遵循有关EMC准则,为干扰电流建立适当的低阻抗路径,分析并改善电磁辐射的抑制,整个变频器是在可接受成本的基础上,满足C3发射限值的要求。

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修改稿日期:2010-06-26