高成海,萬健如

(天津大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院,天津 300072)

1 引言

作為電氣傳動系統(tǒng)(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(huán)境中令人滿意地發(fā)揮其功能而本身不對該環(huán)境中的其他設(shè)備產(chǎn)生不可接受干擾的能力。對交-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。這些開關(guān)動作產(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 電氣傳動系統(tǒng)EMC適用類別

鑒于以上特性,針對調(diào)速電氣傳動系統(tǒng),特別是由變頻器組成的PDS的EMC特性,國際上在標(biāo)準(zhǔn)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(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)。因為不同環(huán)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(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系統(tǒng)連接到公共低壓電網(wǎng)上的住宅建筑物或場所。

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

圖2為兩類環(huán)境的示意圖同時標(biāo)明了干擾的測量點和主要傳導(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，也可以是國家、北約、APEC等政治、軍事、經(jīng)濟(jì)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(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(yōu)獎勵或參與團(tuán)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(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;用于第2類環(huán)境中。

雖然C1～C4是針對電氣傳動系統(tǒng)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(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。下面以C3類的電氣傳動系統(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

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)及其特定的試驗方法對C3變頻器進(jìn)行試驗。

3.1 主要發(fā)射限值

1)檢驗變頻器產(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。不適用C3中單獨的PDS,應(yīng)考慮整體安裝系統(tǒng)。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(fā)射電壓,此信號與電話系統(tǒng)音頻信號為同一頻域,考慮將變頻器進(jìn)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(tǒng)的分析

可以看出,對變頻器的低頻發(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(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

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)對變頻器系統(tǒng)主要做以下測試,具體試驗方法參照IEC CISPR-11(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療設(shè)備-無線電頻率干擾-限值與測試方法)。

4.1 主要發(fā)射限值試驗

主要發(fā)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(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的輻射測量。

4.2 變頻器傳動系統(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返回逆變器的低阻抗通路,那么所有這些干擾電流會流經(jīng)變頻器進(jìn)線側(cè)的PE連接處到變壓器的中性點(流經(jīng)PE母排的電流=總的泄漏電流),再從那經(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)接入點的其他負(fù)荷,這種情形下電源公共連接點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,安裝用以實現(xiàn)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(nèi)的濾波器流過。電網(wǎng)就只有較少的干擾電流(＜),從而使公共連接點的干擾水平降到C3級別。

3)如果在變頻器的內(nèi)置濾波器之外,在變頻柜內(nèi)再增加一個進(jìn)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(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,然后對變頻器柜CDM(complete drive module)作相應(yīng)測試,以最終實現(xiàn)滿足C3要求的目的。

在設(shè)備輻射測試沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求時,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(jìn)。此時變頻器殼主要應(yīng)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(xiàn)這種電磁屏蔽,重點改進(jìn)以下3點。

1)保證屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性,即整個屏蔽體必須是一個完整的、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)部的長導(dǎo)線都有可能形成天線,增強輻射干擾,應(yīng)盡量減少。

遵循以上思路,對某變頻器反復(fù)試驗優(yōu)化,最終發(fā)射值低于C3限值,如圖4、圖5所示。試驗條件: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(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,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量結(jié)果Fig.5 Measured radiation peak value under horizontal polarization

5 結(jié)論

實踐證明,如從變頻器的核心部分到外圍設(shè)計都嚴(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