低壓變頻器發(fā)射限值的設(shè)計(jì)研究

高成海,萬健如

(天津大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,天津 300072)

1 引言

作為電氣傳動(dòng)系統(tǒng)(power drives systems,PDS)中的一個(gè)重要部件,變頻器的電磁兼容性(electromagnetic compatibility,EMC)是指1臺(tái)變頻器在電磁環(huán)境中令人滿意地發(fā)揮其功能而本身不對(duì)該環(huán)境中的其他設(shè)備產(chǎn)生不可接受干擾的能力。對(duì)交-直-交結(jié)構(gòu)的低壓電壓源型變頻器的主回路分析可知,變頻器功率器件的整流部分要產(chǎn)生低頻諧波,是由換相缺口產(chǎn)生的高次諧波引起的;逆變器中的IGBT快速通斷(一般為1.25～8kHz)引起高頻干擾信號(hào)。這些開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生了很高的電壓上升dv/dt。逆變器輸出側(cè)電壓的快速變化會(huì)產(chǎn)生大量的高頻泄漏電流,這些電流經(jīng)過電機(jī)電纜和電機(jī)繞組的對(duì)地耦合電容流到大地,再返回變頻器。圖1描述了變頻器主回路、輸出電壓u與干擾電流Is的產(chǎn)生與路徑。

2 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)EMC適用類別

鑒于以上特性,針對(duì)調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng),特別是由變頻器組成的PDS的EMC特性,國(guó)際上在標(biāo)準(zhǔn)IEC 61800-3(2004)中對(duì)其明確了要求并描述了特定的試驗(yàn)方法,國(guó)內(nèi)則采用標(biāo)準(zhǔn)GB 12668.3-2003。GB 12668.3-2003主要來源于IEC 61800-3(1996)。因?yàn)椴煌h(huán)境對(duì)EMC有不同要求,因此從電磁兼容性角度首先將電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的工作環(huán)境和安裝位置分為兩類并定義如下。

第1類環(huán)境:不通過變壓器將傳動(dòng)系統(tǒng)連接到公共低壓電網(wǎng)上的住宅建筑物或場(chǎng)所。

第2類環(huán)境:通過單獨(dú)的變壓器由中壓電網(wǎng)供電的工業(yè)場(chǎng)所。

圖2為兩類環(huán)境的示意圖同時(shí)標(biāo)明了干擾的測(cè)量點(diǎn)和主要傳導(dǎo)路徑,其中,左側(cè)建筑為民用,規(guī)定PDS屬于1類環(huán)境;右側(cè)建筑為工業(yè)場(chǎng)所,規(guī)定PDS屬于2類環(huán)境。

圖2 第1類和第2類環(huán)境示意圖Fig.2 Description of the first and second environment definition

根據(jù)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)數(shù)據(jù)和將要使用的環(huán)境,IEC 61800-3(2004)又進(jìn)一步將PDS分為以下4類,對(duì)每一類都規(guī)定了詳細(xì)的EMC限值或特性指標(biāo),具體要求如下。

在實(shí)際問題中，團(tuán)體可以是學(xué)校、醫(yī)院、工廠、農(nóng)莊等企事業(yè)單位，也可以是國(guó)家、北約、APEC等政治、軍事、經(jīng)濟(jì)等組織.資源可以是活動(dòng)空間或場(chǎng)所、交通工具、辦公用具、通訊工具、醫(yī)療衛(wèi)生健身娛樂以及生活用具等物品或準(zhǔn)入票據(jù)(包括俱樂部的會(huì)員卡、影戲歌舞盛會(huì)的入場(chǎng)券、其他招待券通行證或門票)，也可以是各部門評(píng)優(yōu)獎(jiǎng)勵(lì)或參與團(tuán)體的會(huì)議、考察、旅游、宴會(huì)以及其他社交活動(dòng)的限定名額(相當(dāng)于席位問題的代表數(shù)).

1)C1類:PDS額定電壓＜1 000 V;不受限制地用于第1類環(huán)境中。

2)C2類:固定安裝傳動(dòng)系統(tǒng)PDS的額定電壓＜1000 V;用于第2類環(huán)境中。只有在由專業(yè)人員銷售和安裝時(shí)才用于第1類環(huán)境中。

3)C3類:PDS額定電壓＜1 000 V;僅用于第2類環(huán)境中。

4)C4類:PDS額定電壓≥1 000 V或者復(fù)雜系統(tǒng)中的額定電流≥400 A時(shí);用于第2類環(huán)境中。

雖然C1～C4是針對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)定義而不是變頻器,但作為PDS中的一個(gè)重要部件,變頻器的EMC特性即抗干擾性和干擾發(fā)射,如何達(dá)成標(biāo)準(zhǔn)中的要求卻是相當(dāng)重要的。分析表明EMC特性在不同頻率范圍具有各自的特點(diǎn)。下面以C3類的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中的低壓電壓源型變頻器為例詳細(xì)分析如何使變頻器的干擾發(fā)射值滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 低頻段發(fā)射限值分析試驗(yàn)

在低頻范圍(0≤f＜9 kHz)變頻器產(chǎn)生的干擾須在一定限值內(nèi)。依據(jù)IEC 61800-3(2004)產(chǎn)品的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)及其特定的試驗(yàn)方法對(duì)C3變頻器進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1 主要發(fā)射限值

1)檢驗(yàn)變頻器產(chǎn)生的換相缺口。換相缺口最大允許深度為40%或者和用戶達(dá)成的協(xié)議值。

2)諧波和諧間波。不適用 C3中單獨(dú)的PDS,應(yīng)考慮整體安裝系統(tǒng)。此限值和短路比(即:電源的短路功率與設(shè)備的額定基波視在功率之比)有相關(guān)性。

3)電壓波動(dòng)。不適用C3中單獨(dú)的PDS,應(yīng)考慮整體安裝系統(tǒng)。低壓電壓源型變頻器對(duì)此影響較小。

4)共模諧波。主要指低頻共模發(fā)射電壓,此信號(hào)與電話系統(tǒng)音頻信號(hào)為同一頻域,考慮將變頻器進(jìn)線電源電纜與敏感的信號(hào)電纜分開即可。

3.2 變頻器傳動(dòng)系統(tǒng)的分析

可以看出,對(duì)變頻器的低頻發(fā)射,在C3類別主要考察整流部分產(chǎn)生的換相缺口。由于一般在小功率段(截止到37 kW)變頻器的整流部分多采用二極管整流,這種情況下,產(chǎn)生的換相缺口的幅值較小可忽略。

對(duì)較大功率變頻器,雖然采用晶閘管整流,但僅在整流器開始通電瞬間(2 s左右)調(diào)整觸發(fā)角,使得直流電壓增長(zhǎng)到額定值。隨后整流器即全部開通,這時(shí)整流橋的功能和二極管橋相同,因此產(chǎn)生的換相缺口的幅值仍然較小。

為減少換相缺口產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)的影響,在變頻器進(jìn)線側(cè)要配有短路壓降為2%的進(jìn)線電抗。加上電網(wǎng)側(cè)至少為1%短路壓降的電感值,換相缺口產(chǎn)生的影響可被抑制。

由于變頻器的整流部分只在接通電源的開始瞬間為可控整流,然后就全部開通,所以換相缺口通過采用進(jìn)線電抗器來抑制就可以了。

4 高頻段發(fā)射限值分析試驗(yàn)

同樣,在高頻范圍(9 kHz≤f)變頻器產(chǎn)生的干擾也須在一定限值內(nèi)。

根據(jù)IEC 61800-3(2004)對(duì)變頻器系統(tǒng)主要做以下測(cè)試,具體試驗(yàn)方法參照IEC CISPR-11(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療設(shè)備-無線電頻率干擾-限值與測(cè)試方法)。

4.1 主要發(fā)射限值試驗(yàn)

主要發(fā)射限值試驗(yàn)包括:

1)電磁干擾電壓(radio interference voltage),從0.15MHz到30 MHz的干擾電壓測(cè)量,測(cè)試的是經(jīng)由電源電纜的傳導(dǎo)性輻射;

2)電磁干擾輻射(interference radiation),從30 MHz到1 000 MHz的輻射測(cè)量。

4.2 變頻器傳動(dòng)系統(tǒng)分析

以某變頻器為例,如僅采用圖1的結(jié)構(gòu),變頻器的高頻發(fā)射會(huì)超出限值。經(jīng)分析逐步采用以下措施。

1)為使變頻器輸出側(cè)的高頻泄漏電流有固定的路徑,采用屏蔽的電機(jī)電纜。這些高頻泄漏電流或稱為干擾電流會(huì)經(jīng)由屏蔽層流到PE母排或變頻柜內(nèi)的EMC屏蔽母排。如果變頻器內(nèi)沒有任何形式的電容可為這些高頻干擾電流提供一個(gè)返回逆變器的低阻抗通路,那么所有這些干擾電流會(huì)流經(jīng)變頻器進(jìn)線側(cè)的PE連接處到變壓器的中性點(diǎn)(流經(jīng)PE母排的電流=總的泄漏電流),再?gòu)哪墙?jīng)由三相供電電纜返回到變頻器(整流部分)。這種干擾電流會(huì)和進(jìn)線側(cè)的高頻干擾電壓疊加在一起,從而影響甚至損害和變頻器連接在同一電網(wǎng)接入點(diǎn)的其他負(fù)荷,這種情形下電源公共連接點(diǎn)上的干擾水平一般只能達(dá)到C4類別定義的值。

2)除電機(jī)屏蔽電纜之外,在遵循EMC的一般規(guī)則的基礎(chǔ)上,可在變頻器內(nèi)部直流母排和進(jìn)線端,安裝用以實(shí)現(xiàn)C3類別的濾波器(line filter category C3)。高頻干擾電流就有了一個(gè)低阻抗的返回通路,很大一部分干擾電流可從變頻器內(nèi)的濾波器流過。電網(wǎng)就只有較少的干擾電流(＜),從而使公共連接點(diǎn)的干擾水平降到C3級(jí)別。

3)如果在變頻器的內(nèi)置濾波器之外,在變頻柜內(nèi)再增加一個(gè)進(jìn)線濾波器(line filter category C2),那么差不多全部的干擾電流都會(huì)在流出傳動(dòng)系統(tǒng)之前被分流。這樣進(jìn)線側(cè)的干擾負(fù)荷將進(jìn)一步減少(?I),即干擾水平可降到C2級(jí)別。

如圖3所示,變頻器輸出側(cè)改用屏蔽電纜、內(nèi)部增加兩類濾波器。

圖3 變頻器的干擾發(fā)射改進(jìn)措施示意圖Fig.3 Description of improvements in converter against radiation disturbance

對(duì)變頻器的輻射干擾,同樣是首先使變頻器的核心部件BDM(basic drive module)達(dá)到C2的要求,然后對(duì)變頻器柜CDM(complete drive module)作相應(yīng)測(cè)試,以最終實(shí)現(xiàn)滿足C3要求的目的。

在設(shè)備輻射測(cè)試沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí),應(yīng)先分析原因,確定是機(jī)箱泄漏,還是連接線共模電流輻射。

如果是機(jī)箱泄漏,實(shí)際上遇到較多的也是這種情況,可用近場(chǎng)磁場(chǎng)探頭找出泄漏點(diǎn)并加以改進(jìn)。此時(shí)變頻器殼主要應(yīng)起到屏蔽高頻交變電場(chǎng)、交變磁場(chǎng)以及交變電磁場(chǎng)影響的作用。要實(shí)現(xiàn)這種電磁屏蔽,重點(diǎn)改進(jìn)以下3點(diǎn)。

1)保證屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性,即整個(gè)屏蔽體必須是一個(gè)完整的、連續(xù)的導(dǎo)電體。

2)不能有穿過機(jī)箱的導(dǎo)體。

3)此外,變頻器殼的縫隙和其內(nèi)部的長(zhǎng)導(dǎo)線都有可能形成天線,增強(qiáng)輻射干擾,應(yīng)盡量減少。

遵循以上思路,對(duì)某變頻器反復(fù)試驗(yàn)優(yōu)化,最終發(fā)射值低于C3限值,如圖4、圖5所示。試驗(yàn)條件:10 m的標(biāo)準(zhǔn)半電波暗室(semi-anechoic room),變頻器帶電機(jī)空載運(yùn)行。從圖4、圖5也可以看出,如何在30MHz頻率點(diǎn)附近降低輻射值,是達(dá)標(biāo)與否的關(guān)鍵。

此外,如果是連接線共模電流輻射,可先在連接線上套鐵氧體磁環(huán)作試驗(yàn),以進(jìn)一步查明原因。

圖4 垂直天線極化輻射峰值與準(zhǔn)峰值測(cè)量結(jié)果Fig.4 Measured radiation peak and quasi peak value under vertical polarization

圖5 水平天線極化輻射峰值測(cè)量結(jié)果Fig.5 Measured radiation peak value under horizontal polarization

5 結(jié)論

實(shí)踐證明,如從變頻器的核心部分到外圍設(shè)計(jì)都嚴(yán)格遵循有關(guān)EMC準(zhǔn)則,為干擾電流建立適當(dāng)?shù)牡妥杩孤窂?分析并改善電磁輻射的抑制,整個(gè)變頻器是在可接受成本的基礎(chǔ)上,滿足C3發(fā)射限值的要求。

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修改稿日期:2010-06-26