变频器电磁兼容性及抑制技术

中矿传动技术交流

理论动态

2021年7月19日发布

        随着电力电子技术的快速发展，电磁兼容性（EMC）研究从最初的解决无线电通讯免受干扰，在军事领域标准化并渗透工业和民用领域，并逐步发展成一门综合性的现代科学技术。变频器作为电力电子技术的产物，其电磁兼容性（EMC）是指变频器在其电磁环境中正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。任何电磁干扰现象产生都是骚扰源、传播路径和敏感设备共同作用的结果，三要素者缺一不可。

     变频器的电磁兼容性国际通用标准为IEC 61800-3-2012，而我国目前的国内通用标准为GB 12668-3-2012《调速电气传动系统 第3部分 电磁兼容性要求及其特定的试验方法》。

      变频器的电磁兼容性由两个特性组成：1）噪声发射，2）电磁抗扰度。

       标准GB12668-3-2012对变频器的使用环境进行了如下分类：第一类环境(民用环境)和第二类环境(工业环境)。不同的环境根据电压电流等级又把产品分为C1、C2、C3、C4，相对应的标准也不一样。图1对不同环境下电磁发射和抗扰度进行了介绍。

 图1  不同环境下的调速系统的电磁发射和抗扰度

C1产品：该调速系统额定电压小于1000V，用于第一环境

C2产品：该PDS额定电压小于1000V，运用在第一环境中，由专家安装调试。

注意：专家是指拥有安装调试PDS及其EMC专业技能的人或组织。

C3产品：该PDS额定电压小于1000V，用于第二环境而不用于第一环境。

C4产品：该PDS额定电压等于大于1000V，或额定电流等于大于400A，或用于第二环境的复杂系统中。

      目前工业用变频器属于C3和C4产品，其标准参照GB12668.3-2012中C3和C4产品对应的噪声发射和骚扰抗扰度的等级。

     变频器的电磁干扰（EMI）的传播路径包括传导和辐射。

      目前变频器的主要功率器件是IGBT,其传导EMI产生的本质是IGBT开通关断时的、与B变频器的各种寄生电感、电容作用产生的电磁效应。功率半导体器件的开关频率从工频到数百千赫兹，在传导射频系统中同样会产出大量的开关频率的谐波，同时其暂态变化过程中与周围的寄生参数作用，这一干扰频段的可高达数兆赫兹，干扰频谱相当宽。

图2三电平变频调速系统传导噪声传播路径

       传导EMI信号按照传播路径可分为共模和差模信号。三电平变频调速系统传导噪声传播路径如图2所示。由于变频器内部的寄生参数的不对称性，电路中的差模和共模信号共存并相互转化最终趋于平衡。在实际问题中，大多数数电磁兼容问题都是共模传导原因引起的。

       目前，工业用变频器产品的电磁骚扰研究的频谱为150kHz-1GHz，当0.15-30MHz时，骚扰信号以传导的形式在电源线上传播，当频率高于30MHz时，以空间电磁场的形式向空间传播。

       减少干扰源、阻断传播路径，提高设备的敏感性是解决电磁干扰的主要思路。变频器工作时不可避免的会产生电磁骚扰，在电磁干扰源无法继续优化的情况下我们通常利用合理的布局搭接、接地、滤波、屏蔽等技术来阻断传播路径来抑制变频器产生的电磁骚扰。

4.1 布局搭接

       设计控制柜体时要注意 EMC 的区域原则，把不同的设备规划在不同的区域中。每个区域对噪声的发射和抗扰度有不同的要求。区域在空间上最好用金属壳或在柜体内用接地隔板隔离。在各个腔体之间的连接处需要进行特殊处理：1、如果使用EMI滤波器要靠近电源的进线端；2、各个腔体之间的孔洞缝隙要做好屏蔽处理。

图3  腔体内的单元划分

4.2 接地技术

       设备有三种基本的参考接地方法：即浮地、单点接地和多点接地。及由单点接地和多点接地派生出来的混合接地。考虑到变频器工作环境的恶劣性，接地保护尤为重要。尤其是对于高频信号更为重要，要求更加苛刻。下面重点介绍变频设备接地系统的配置。

1） 单点接地

       单点接地是在一个电路或设备中，只有一个物理点被定义为参考接地点，其它凡是需要接地的点都被连接到这一点上。如果在一个系统中包含有许多机柜，则每个机柜的“地”都是独立的（即机柜内的电路采用自己的单点接地），然后各机柜的“地”再被连到系统中唯一的参考点上。单点接地又分为并联单点接地和串联单点接地，如图5 所示，我们通常说的单点接地为并联单点接地，单点接地的优点是简单。但是单点接地的最大缺点是，当系统工作频率很高，以致波长小到与系统接地线长度可以比拟时（如达到λ/4时），就不能再用单点接地了。此时，这根接地线就好像是一根天线，通过它向外辐射电磁波，影响周围设备和电路的工作，在这种情况下，我们应当转而采用多点接地。如图5（2）所示，如果导线R1、R2、R3换成一个大的金属面，就演变成多点接地了。

图4 并联单点接地

图5 串联单点接待

2） 多点接地

       多点接地是指设备（或系统）中凡是需要接地的点都是直接接到离它最近的接地平面上（就近接地），以便使接地线的长度为最短，如图6所示。这里所说的接地平面可以是设备的底板、专用接地母线、甚至是设备的框架。多点接地的这一特点使得它在高频场合下的应用有上佳表现（而单点接地在低频时的性能为最好）。

       多点接地的形式看似比较简单，但对系统中的众多接地线的维护提出了更高的要求。因为任何接地点上的腐蚀、松动都会使接地系统出现高阻抗，从而使接地效果变差。由于多点接地系统中形成了各种地线回路，它们对于设备内同时使用具有较低频率的电路会产生不良的影响。如果出现了这种情况，可以采用混合接地方法。

图6 多点接地

图7 混合接地

3） 混合接地

       如果电路某部分用单点接地，某部分用多点接地，在这种情况下可以使用混合接地，对于电路的低频部分（小于1MHz）采用单点接地，而高频部分（如果大于1MHz）采用多点接地。

变频器系统内部的接地规范图8所示。

图8  系统内部接地规范

4.3屏蔽技术

       屏蔽是抑制干扰通过空间耦合的措施，按照被屏蔽的场的种类，屏蔽基本分为静电屏蔽、低频磁屏蔽和高频电磁屏蔽，其中静电屏蔽用于屏蔽静电场或似稳态低频电场，低频磁屏蔽用于屏蔽静磁场或似稳态低频磁场，这两种屏蔽对象都是近场，而高频电磁屏蔽是用于屏蔽远场，即电磁波。

       如果波源的电压高、电流小，则电场的作用比磁场的作用明显，可采用电场屏蔽。

        如果波源的电压低、电流大，则磁场起主导作用，应采用磁场屏蔽。

       电场屏蔽——用法拉第屏蔽来消除电场的影响，静电屏蔽主要是通过金属屏蔽体并接地达到屏蔽的效果,如铝、铜等。

       磁场屏蔽——使用铁磁性材料进行磁场屏蔽；低频磁屏蔽也称静磁屏蔽，可以使用高磁导率铁和铁氧体构成磁屏蔽罩，使磁力线全部在低磁阻的屏蔽体内构成通道；高频电磁屏蔽主要屏蔽的是远场的电磁波，屏蔽体为高电导率的金属，如高导磁率合金和铁,屏蔽体是否接地不影响高频电磁屏蔽效果。

4.4滤波技术

       电磁屏蔽是抑制空间的耦合的措施，与其对应的滤波则是抑制干扰电路的耦合路径的措施。滤除高频干扰最常见的就是低通EMI滤波器，EMI滤波器分为反射式和吸收式两种，反射式主要是由LC网络组成，对于高频电路，串联电感的阻抗很高，阻止了高频信号通过，并联电容的阻抗很低，可以旁路高频信号，两者结合起到了滤除高频信号的作业，当然了，电容电感里面都有寄生电阻，高频信号也会以热能的形式消耗一部分。

  我公司的1140V/630-1000kW，3300V/ 2.25MW防爆变频器的电磁兼容性认证测试结果如图9，10所示。

图9 传导EMI测试

图10  辐射EMI测试

 注：图9，图10为1140V/1MW防爆变频器的EMI测试结果该测试结果，执行标准为：GB12688.3-2003。

  （本稿件由中矿传动市场部整理编辑，经中矿传动技术支持团队审核授权发布！）

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