变频驱动系统的EMC及对策 EMC and game of frequency converter driving system 1前言 交流变频调速是20世纪80年代飞速发展起来的调速技术，通过改变频率实现无级调速。具有调速范转广、传动效率高、运行节能等众多优点，因而获得迅速推广和应用。 变速驱动（VSD）中，为达到动态响应中的高性能，需要有高的开关频率，快速切换的电力半导体器件与现代交流驱动时出现的高频现象密切相关。变频器中使用的元件已从普通大功率晶体管（GTR）发展到高速开关的IGBT，电磁干扰对外围设备及变频器控制电路均产生不利影响，使得周边的CPU、测试仪器、传感器、漏电保护开关等不断发生误动作，电压源变换器（VSI）还将不利影响馈送至电动机。且在使用过程中发现，低频运行时受高次谐波的影响引发电磁噪声、振动和损耗。这种运行中的干扰和不可靠性，以及日益加剧的电磁环境污染，引起了人们的普遍关注。 在固定式驱动系统及电力拖动中，交流电机驱动已获得广泛应用，其基本配置如图1所示。变频器从远离配电网处取得的非正弦电流波，含有较高频率的分量。这些谐波分量传输到配电网，将使电源电压产生畸变；传输到所连接的设备（如脉动控制装置，调谐电源滤波器，补偿单元等）会造成干扰。因此，带IGBT整流桥和电压源变换器的变频器，虽具备上述很多优点，但也经常伴随着一些不利因素。从电磁兼容的要求看，变频器的不利影响已成为必须考虑和研究的重要课题。 2系统的基本配置及电路模型 交流电机变频驱动的基本配置（图1），是由配电网、带桥式整流器和VSI的变频器、电缆以及感应电动机等组成。变频器可分为整流器和变换器两部分，整流器对直流母线之间的电容器馈电。图2是作为变频器输入部分的三相桥式整流器的电路模型；而作为VSI的输出，根据电源电压等级的需要，可能将配置升压变压器。因为对大多数工业驱动系统，连接变频器至电动机的电缆虽不超过100m，但用于石油开采、造纸和矿井工业的驱动器，其馈电线可能超过1km的长度，须借助变压器的升压以降低线损。 VSI以产生梯形脉冲的电压源替代，因du/dt高，脉冲近似呈矩形。馈电电缆被模拟为带分布参数的电路。电缆的数学模型为双曲线偏微分方程组的形式，该方程组利用wendroff近似公式的有限差分法求解。已建立的单相和三相电缆模型，不仅能跟踪电缆两端的电压和电流，而且能研究电缆中电压和电流的分布。 含电阻、电感和电容的单相及三相电动机模型也已提出。分布（寄生）电容可视为影响电动机瞬时过电压的最重要电机参数。图3所示为被驱动电动机的线路模型之一。该模型由相位对地电容（Cio，i=1、2、3）和相间电容（Cij，i、j=1、2、3；i≠j）所组成。在此模型中忽略了匝间电容。电动机的寄生电容可用等值电容Cm表示，Cm能易于描述分析结果，并被用于确定电动机高频特性的参数。 按照实际情况，分析综合得出有关的电路模型，然后便可借计算机算出有关EMI的幅值。 3谐波分析和类别 3.1高次谐波的不利影响 运用谐波分析，对单相绕组的磁势进行分析。设A相绕组产生的矩形波磁势幅值为FA，分解出的基波和各次谐波幅值分别为：基波幅值；三次谐波幅值；五次谐波幅值； ……n次谐波幅值。FA随绕组电流的变化而作脉动变化，因而其分解出的基波和谐波磁势的幅值也变化。变频电机在低频时磁通因频率的降低而增大，磁势随磁通的增大而增强，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。 3.2特性谐波和非特性谐波 相电流的非正弦波形产生较高频率的电流分量。通过傅立叶级数的分析方法，发现在相电流的频谱中只有一定次数（5、7、11、13等）的谐波出现。这些次数的谐波被称为特性谐波。变频器对配电网产生的不利影响就与这些特性谐波的电流有关，这是我们比较熟悉的。而对实际上还存在的非特性谐波及中间谐波的电流分量却注意甚少。在真实情况下，对幅值和相位不对称的不平衡电源，应考虑的问题更复杂，且在频谱中不还能发现非特性谐波分量。非特性谐波起因于不均衡电源，谐波的次数仅为3的奇数倍，其幅值与电源电压的不对称度相关。非特性谐波随电压不对称度的升高而增加，并导致特性谐波稍微下降。图4为单相电源电压不对称时的电压、电流波形。由于电源的不对称引起相电流的畸变以及相电流对相电压基波的偏移。图中相电流的频谱中仅含3的奇数倍（3、9、15…）次的非特性谐波，其幅值取决于电压的不对称值。 按图1方案利用频率分析仪测量了各类谐波分量。图5、图6均为模拟与试验结果的比较，分别显示了一定的（Lg、Lss、Css等）电路结构下的非特性谐波和特性谐波。由图可知，这些电路参数的变化将影响到相电流，当然，也影响到各次谐波的值。但Lss值对谐波电流的抑制是有利的。 3.3中间谐波 实际上很多因素影响谐波的频谱，除上述特性谐波和非特性谐波以外。我们还可发现频谱上介于二者之间的中间谐波分量。中间谐波的电流值较小，但它却能对系统内和系统之间的其它电子设备或器件构成危害，对脉动控制和电源滤波器等产生干扰。 中间谐波值取决于电源的相电压、相电流的频率等参量的动态度化。配电网是相对稳定的，频率的变化很小。我们主要考虑电源电压的变化。当设备接入电网或从电网断开设备时，或者接入电网设备的负荷改变时，均能导致电压的变化（△u），这是对中间谐波的主要影响。从测试结果看到，中间谐波电流随△u 的升高而增大（几乎是线性关系）。 由于单相电源电压的变化，相电流波形严重畸变，中间谐波的频谱上可见到直流母线的电压同样畸变，有较大的波动幅度和较少的脉冲。当△u值较小时，中间谐波对△u的相关性，与三相电源电压变化时的相同（中间谐波增加）。但在△u值较大时，中间谐波分量减小。这是因为在较大△u值下，相电流的畸变很大，以致于相电流惯常的双脉冲波形变成单脉冲，这一变化对中间谐波分量的抑制有利，会随△u的增大而减小。但另方面，对谐波分量则不利，尤其是对3次的非特性谐波会有明显的增加。 4变频驱动系统对设备、器件的不利影响 4.1干扰产生的机理 变频器内存在IGBT等高速的开关工作，在电路中有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+KHz至1GHz电磁噪声或EMI的机理。噪声电流I可用下式表示： 式中fc—变频器的载波频率，普通晶体管为1~2MHz，IGBT为3~12MHz；C—分布电容；—不同开关速度下高频的电位变化率。一般，IGBT与普通晶体管相比，fc大5.3倍，大3倍，故按上式求得的电流应增大约16倍。 4.2高次谐波电流与高频电流的对比 见表1 4.3变频器的VSI对电动机的危害 电压源变换器（VSI）输出一系列电压脉冲，脉冲上升时间和下降时间均很短（IGBT的du/dt≈10~15kv/μs）。这些脉冲经电缆传输到电动机。由于电动机和电缆振荡阻抗之间的不匹配，电压波在电动机端被反射。在变换器端，传输的电压波以近似（-1）的反射系数进行反射；电动机端会出现因波动现象引起的电压振荡，其最大幅值约为直流母线电压（Udc）的2倍，而频率在几十KHz到几十MHz之间。特殊情况下（关系到变换器的控制模式），该电动机瞬时过电压能>3Udc，理论上可达到4Udc。这一振荡电压主要危及电动机的绝缘，因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。由于高变化率的du/dt，电动机过电压或其绝缘寿命下降时，电动机则可能很快损坏。 5改善电磁兼容（EMC）的对策 5.1 EMI的对策 一般认为改善EMC的三大对策是：a.减小EMI源的强度；b.切断EMI的传输；c.提高弱电电子设备的抗干扰能力（见表2）。 现在所用IGBT载波频率高达3~12MHz，仅考虑高次谐波影响是不够的，必须从配电工程和接地方面消除高频的干扰。 5.2设备本身的EMC措施 图7是在变频器的输入端装有EMI滤波器，输出端装有电抗器的原理示意图。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合为一体，也即，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与输出端隔开。因它们的输入端和输出端之间仍然存在着电磁耦合，如果由变频器的屏蔽将其隔开，就是加强控制（类似切断）它们之间存在的电磁耦合，这点对实际安装EMI滤波器和电抗器时至关重要。 此外，对变频器、UPS等(不中断电源)等干扰源，应按EMI规程减少噪声发射强度。主要手段是接入宽带衰减特性的滤波器（LC型）；对变频器附近的弱电测量仪器，应按EMI有关规程，提高抗干扰性能，例如提高绝缘强度、接入滤波器、电位浮动等。 5.3配电工程的EMC措施 5.3.1屏蔽及扭绞线 采用屏蔽电缆后抗干扰性提高，但此方式对付电磁感应噪声效果差。一般应选用扭绞式的信号线。 5.3.2隔离 规程要求电力线和信号线之间的距离至少为30cm。图8（a）为电磁感应噪声的隔离；（b）为静电噪声的隔离，图中M为互感，C为分布电容。 5.3.3接地 变频器的接地电极与其它设备的强电接地极之间最小距离为5m，与弱电设备接地极间的最小距离为10m。由于接地线内流过高频电流，考虑集肤效应，线径不能太细，一般地线截面应为（22~100）mm2。