低壓變頻器發射限值的設計研究

高成海,萬健如

(天津大學 電氣與自動化工程學院,天津 300072)

1 引言

作為電氣傳動系統(power drives systems,PDS)中的一個重要部件,變頻器的電磁兼容性(electromagnetic compatibility,EMC)是指1臺變頻器在電磁環境中令人滿意地發揮其功能而本身不對該環境中的其他設備產生不可接受干擾的能力。對交-直-交結構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生低頻諧波,是由換相缺口產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。這些開關動作產生了很高的電壓上升dv/dt。逆變器輸出側電壓的快速變化會產生大量的高頻泄漏電流,這些電流經過電機電纜和電機繞組的對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的產生與路徑。

2 電氣傳動系統EMC適用類別

鑒于以上特性,針對調速電氣傳動系統,特別是由變頻器組成的PDS的EMC特性,國際上在標準IEC 61800-3(2004)中對其明確了要求并描述了特定的試驗方法,國內則采用標準GB 12668.3-2003。GB 12668.3-2003主要來源于IEC 61800-3(1996)。因為不同環境對EMC有不同要求,因此從電磁兼容性角度首先將電氣傳動系統的工作環境和安裝位置分為兩類并定義如下。

第1類環境:不通過變壓器將傳動系統連接到公共低壓電網上的住宅建筑物或場所。

第2類環境:通過單獨的變壓器由中壓電網供電的工業場所。

圖2為兩類環境的示意圖同時標明了干擾的測量點和主要傳導路徑,其中,左側建筑為民用,規定PDS屬于1類環境;右側建筑為工業場所,規定PDS屬于2類環境。

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

根據電氣傳動系統的技術數據和將要使用的環境,IEC 61800-3(2004)又進一步將PDS分為以下4類,對每一類都規定了詳細的EMC限值或特性指標,具體要求如下。

在實際問題中，團體可以是學校、醫院、工廠、農莊等企事業單位，也可以是國家、北約、APEC等政治、軍事、經濟等組織.資源可以是活動空間或場所、交通工具、辦公用具、通訊工具、醫療衛生健身娛樂以及生活用具等物品或準入票據(包括俱樂部的會員卡、影戲歌舞盛會的入場券、其他招待券通行證或門票)，也可以是各部門評優獎勵或參與團體的會議、考察、旅游、宴會以及其他社交活動的限定名額(相當于席位問題的代表數).

1)C1類:PDS額定電壓＜1 000 V;不受限制地用于第1類環境中。

2)C2類:固定安裝傳動系統PDS的額定電壓＜1000 V;用于第2類環境中。只有在由專業人員銷售和安裝時才用于第1類環境中。

3)C3類:PDS額定電壓＜1 000 V;僅用于第2類環境中。

4)C4類:PDS額定電壓≥1 000 V或者復雜系統中的額定電流≥400 A時;用于第2類環境中。

雖然C1～C4是針對電氣傳動系統定義而不是變頻器,但作為PDS中的一個重要部件,變頻器的EMC特性即抗干擾性和干擾發射,如何達成標準中的要求卻是相當重要的。分析表明EMC特性在不同頻率范圍具有各自的特點。下面以C3類的電氣傳動系統中的低壓電壓源型變頻器為例詳細分析如何使變頻器的干擾發射值滿足標準要求。

3 低頻段發射限值分析試驗

在低頻范圍(0≤f＜9 kHz)變頻器產生的干擾須在一定限值內。依據IEC 61800-3(2004)產品的電磁兼容性標準及其特定的試驗方法對C3變頻器進行試驗。

3.1 主要發射限值

1)檢驗變頻器產生的換相缺口。換相缺口最大允許深度為40%或者和用戶達成的協議值。

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

3)電壓波動。不適用C3中單獨的PDS,應考慮整體安裝系統。低壓電壓源型變頻器對此影響較小。

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

3.2 變頻器傳動系統的分析

可以看出,對變頻器的低頻發射,在C3類別主要考察整流部分產生的換相缺口。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,產生的換相缺口的幅值較小可忽略。

對較大功率變頻器,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)調整觸發角,使得直流電壓增長到額定值。隨后整流器即全部開通,這時整流橋的功能和二極管橋相同,因此產生的換相缺口的幅值仍然較小。

為減少換相缺口產生的諧波對電網的影響,在變頻器進線側要配有短路壓降為2%的進線電抗。加上電網側至少為1%短路壓降的電感值,換相缺口產生的影響可被抑制。

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線電抗器來抑制就可以了。

4 高頻段發射限值分析試驗

同樣,在高頻范圍(9 kHz≤f)變頻器產生的干擾也須在一定限值內。

根據IEC 61800-3(2004)對變頻器系統主要做以下測試,具體試驗方法參照IEC CISPR-11(工業、科學和醫療設備-無線電頻率干擾-限值與測試方法)。

4.1 主要發射限值試驗

主要發射限值試驗包括:

1)電磁干擾電壓(radio interference voltage),從0.15MHz到30 MHz的干擾電壓測量,測試的是經由電源電纜的傳導性輻射;

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

4.2 變頻器傳動系統分析

以某變頻器為例,如僅采用圖1的結構,變頻器的高頻發射會超出限值。經分析逐步采用以下措施。

1)為使變頻器輸出側的高頻泄漏電流有固定的路徑,采用屏蔽的電機電纜。這些高頻泄漏電流或稱為干擾電流會經由屏蔽層流到PE母排或變頻柜內的EMC屏蔽母排。如果變頻器內沒有任何形式的電容可為這些高頻干擾電流提供一個返回逆變器的低阻抗通路,那么所有這些干擾電流會流經變頻器進線側的PE連接處到變壓器的中性點(流經PE母排的電流=總的泄漏電流),再從那經由三相供電電纜返回到變頻器(整流部分)。這種干擾電流會和進線側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接入點的其他負荷,這種情形下電源公共連接點上的干擾水平一般只能達到C4類別定義的值。

2)除電機屏蔽電纜之外,在遵循EMC的一般規則的基礎上,可在變頻器內部直流母排和進線端,安裝用以實現C3類別的濾波器(line filter category C3)。高頻干擾電流就有了一個低阻抗的返回通路,很大一部分干擾電流可從變頻器內的濾波器流過。電網就只有較少的干擾電流(＜),從而使公共連接點的干擾水平降到C3級別。

3)如果在變頻器的內置濾波器之外,在變頻柜內再增加一個進線濾波器(line filter category C2),那么差不多全部的干擾電流都會在流出傳動系統之前被分流。這樣進線側的干擾負荷將進一步減少(?I),即干擾水平可降到C2級別。

如圖3所示,變頻器輸出側改用屏蔽電纜、內部增加兩類濾波器。

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

對變頻器的輻射干擾,同樣是首先使變頻器的核心部件BDM(basic drive module)達到C2的要求,然后對變頻器柜CDM(complete drive module)作相應測試,以最終實現滿足C3要求的目的。

在設備輻射測試沒有達到標準要求時,應先分析原因,確定是機箱泄漏,還是連接線共模電流輻射。

如果是機箱泄漏,實際上遇到較多的也是這種情況,可用近場磁場探頭找出泄漏點并加以改進。此時變頻器殼主要應起到屏蔽高頻交變電場、交變磁場以及交變電磁場影響的作用。要實現這種電磁屏蔽,重點改進以下3點。

1)保證屏蔽體的導電連續性,即整個屏蔽體必須是一個完整的、連續的導電體。

2)不能有穿過機箱的導體。

3)此外,變頻器殼的縫隙和其內部的長導線都有可能形成天線,增強輻射干擾,應盡量減少。

遵循以上思路,對某變頻器反復試驗優化,最終發射值低于C3限值,如圖4、圖5所示。試驗條件:10 m的標準半電波暗室(semi-anechoic room),變頻器帶電機空載運行。從圖4、圖5也可以看出,如何在30MHz頻率點附近降低輻射值,是達標與否的關鍵。

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作試驗,以進一步查明原因。

圖4 垂直天線極化輻射峰值與準峰值測量結果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量結果Fig.5 Measured radiation peak value under horizontal polarization

5 結論

實踐證明,如從變頻器的核心部分到外圍設計都嚴格遵循有關EMC準則,為干擾電流建立適當的低阻抗路徑,分析并改善電磁輻射的抑制,整個變頻器是在可接受成本的基礎上,滿足C3發射限值的要求。

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修改稿日期:2010-06-26