变频驱动系统中的EMC 及其对策

1 概述

交流变频调速具有调速范围广、传动效率高、运行节能等优点，从而获得迅速推广应用。但由于变频器中使用了IGBT 等高速开关器件，其EMC问题已成为必须考虑和研究的重要课题。EMC(电磁兼容)，是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何器件构成不能承受的电磁骚扰的能力。

EMC 包括两方面的内容：电磁干扰(EMI)和电磁抗扰。EMI 按传播途径可分为两类：传导干扰与辐射干扰。传导干扰即沿着导体传播的干扰，所以任何导体(如导线传输、电感器、电容器等)都是传导干扰的传输通道。辐射干扰是指以电磁波形式传播的干扰，其传播的能量与距离的平方成反比。形成EMI 必须同时具备三个条件或称三要素：干扰源、传输通道、敏感接收器，三者缺一不可。解决EMC 问题一般要从这三方面着手。对用户而言，由于设备作为一电磁干扰源或接收器，不可更改，故解决EMC 问题主要是针对传输通道。

2 变频驱动系统中的EMC 的特点

在一个配电工作系统中，变频器和其他电气(电子)设备一样，既是电磁干扰源，又是电磁接收器，变频器的工作原理决定了它会产生一定的EMI噪声。同时，为了保证变频器能在一定的电磁环境中可靠工作，设计变频器时必须使其具有一定的抗EMI 能力。变频驱动系统工作时其EMC 特点主要表现在以下方面。

1)输入电流一般为非正弦波，电流中含有丰富的高次谐波，此谐波会对外形成EMI，降低电网的功率因数，增加线路损耗。

2)输出电压为高频PWM波，它会影响电机温升，缩短电机使用寿命，以及加大漏电流，使线路的漏电保护装置误动作。同时，对外形成很强的电磁干扰，影响同一系统中其他用电设备的可靠性。

3)作为电磁接收器，过强的外来干扰会使变频器误动作甚至损坏，影响用户正常使用。

4)在系统配线中，变频器的对外干扰和自身的抗干扰性相辅相成，故减少变频器对外干扰的过程，同时也是提高变频器抗干扰性的过程。

3 系统的基本配置及电路模型

在变频驱动系统中，为达到动态响应的高性能，需要有高的开关频率。整流器使用的电子器件通常为高速开关的大功率IGBT(绝缘栅双极晶体管)，其切换操作产生的电磁干扰，对外围设备及变频器的控制电路均产生不利影响：可导致周围装置的CPU、测试仪器、传感器、漏电保护开关等发生误动作。同时，变换器低频运行时受高次谐波的影响引发电磁噪声、振动和损耗。交流电机变频驱动的基本配置如图1 所示，

变频器可分为整流器和变换器两部分。图2 是作为变频器输入部分的三相桥式整流器的模拟电路，图3 是电动机简单的三相高频模型。图4 则为变频器标准接线图之一例(CHF 系列);表1 为其主电路端子的说明。

4 变频驱动系统对设备和器件的不利影响

4.1 干扰产生的机理

变频器内存在的IGBT等的高速开关切换，使电路中存在分布电感和分布电容。在电感和电容之间即产生磁能和静电能的转换，出现振荡现象，因而形成了电磁发射。这就是之所以产生数十kHz至1GHz电磁噪音的机理。噪声电流I可表示为

4.2 高次谐波电流和高频电流的主要危害

变频电机在低频时因频率的降低磁通增大，磁势随磁通的增大而增强，这样高次谐波磁势同时增强，并使电机产生较大损耗、振动、噪声等不良影响。

高次谐波电流可导致：

1)电力电容器发热;

2)电抗器过热烧损。

高频电流可导致：

1)测量仪器、传感器、漏电保护开关和CPU误动作;

2)干扰其他电子设备。

4.3 变频器对电动机的危害

电压变换器产生的反复陡峭波形可加速电动机的绝缘老化。由于高变化率dV/dt，在电动机过电压或其绝缘寿命下降时，电动机可能立即损坏。

5 改善变频器EMC的对策

一般认为改善EMC 的三大对策是：减小EMI源的强度;消弱或切断EMI 的传输;提高弱电电子设备的抗干扰能力。如表2 所列。

现在所用IGBT的载波频率一般为(3~12)kHz，仅考虑高次谐波影响是不够的，必须从配电工程和接地等方面极力消除高频的干扰。

5.1 设备本身的EMC措施

图5 是在变频器的输入端装有EMC 滤波器、输出端装有电抗器的示意图。为了能有效地控制EMI 的影响，首先应把滤波器和电抗器分别安装在离变频器的输入/输出端最近的地方;其次，要把滤波器和电抗器的屏蔽与变频器的屏蔽有机地结合为一体，也就是除了要把它们的屏蔽接在一起，还要利用变频器的屏蔽将滤波器和电抗器的输入和输出端隔开。因为它们用输入端和输出端之间仍然存在着电磁耦合，如果用变频器的屏蔽将其隔开，可以起到加强控制(类似切断)它们之间存在的电磁耦合的作用。这一点在实际安装滤波器和电抗器过程中至关重要。

5.2 配电工程的EMC措施

5.2.1 屏蔽与噪声抑制

所有的变频器控制端子连接线采用屏蔽线，在变频器入口处将其屏蔽层就近接地。接地采用电缆夹层构成360毅环接。严禁将屏蔽层拧成辫子状在与变频器的“地”连接，这样会导致屏蔽效果大大降低，甚至失去屏蔽效果。

变频器与电动机的连接线(电机线)采用屏蔽线或独立的走线槽，电机线的屏蔽层或直线槽的金属外壳一端与变频器“地”就近连接，另一端与电机外壳连接，同时安装噪声滤波器可大幅度抑制电磁噪声。采用屏蔽电缆后，抗干扰性提高，但此方式对电磁感应产生的噪声的抑制效果不佳，一般选用扭绞式的信号线很有效。

5.2.2 现场配线

1)电力配线不同的控制系统中，电源进线从电力变压器处独立供电，一般采用5 芯线，其中3 根为火线，1 根零线，1 根地线，严禁零线和地线共用一根线。

2)设备分类同一控制柜内有不同的用电设备，如变频器、滤波器、PLC(可编程控制器)、检测仪表等，其对外发射电磁噪声和承受噪声的能力各不相同，这就要求对这些设备进行分类，可分为强噪声设备和噪声敏感设备，把同类设备安装在同一区城，不同类的设备间要保持20 cm 以上的距离。

3)控制柜内配线控制柜内一般有信号线(弱电)和电力线(强电)，对变频器而言，电力线又分为进线和出线。信号线易受电力线干扰，从而使设备误动作。在配线时，要将信号线和电力线分布于不同的区域，严禁二者在近距离(20 cm 内)平行走线或交错走线，更不能将二者捆扎在一起。如果信号电缆必须穿越动力线，二者之间应保持成90毅角。电力线的进线和出线也不能交错配线或捆扎在一起，特别是在安装噪声滤波器的场合，这样会使电磁噪声经过进、出线的分布电容形成耦合，从而使噪声滤波器失去作用。图6 为电磁感应噪声的隔离;图7 为静电噪声的隔离。图中M 为互感;悦为分布电容。

5.2.3 接地

变频器在工作时一定要安全可靠接地。接地不仅是为了设备和人身安全，而且也是解决EMC问题最简单、最有效、成本最低的方法，应优先考虑。

接地分三种：专用接地极接地、共有接地极接地、地线串联接地。不同的控制系统应采取专用接地级接地;同一控制系统中的不同设备应采取共用接地极接地;同一供电线中的不同设备应采取地线串联接地。变频器接地端子PE(图4)接地电阻越小越好，变频器的接地必须与动力设备接地点分开，不能共地。

变频器的接地电极和其他设备的强电接地极之间最小距离为5 m，和弱电设备接地极间的距离为10 m。由于接地线内流过高频电流，考虑到集肤效应，其直径不能太小，一般接地线截面积应为(22~100)mm2。信号输入线的屏蔽层应接至PE上，其另一端绝不能接于地端，否则会引起信号变化波动，使系统振荡不稳定。

5.2.4 漏电流的对策

漏电流包括线间漏电流和对地漏电流。它的大小取决于系统配线时分布电容的大小和变频器的载波频率。对地漏电流是指流过公共地线的漏电流，它不仅会流入变频器系统，而且可能通过地线流入其他设备。这些漏电流可能使漏电断路器、

继电器或其他设备误动作。线间漏电流是指流过变频器输入、输出侧电缆间分布电容的漏电流。漏电流的大小与变频器载波频率、电机电缆长度、电缆截面积有关，变频器载波频率越高，电机电缆越长，截面积越大，漏电流也越大。