SINAMICS S120变频器的运行原理

1.SINAMICS S120变频器的运行原理

SINAMICS变频器包含网侧的整流单元和逆变器，整流单元为直流母线供电，逆变器采用脉宽调制技术斩波直流母线输出电压V（即方波电压）。由于电动机电感的滤波作用形成正弦波电动机电流I。SINAMICS S120变频器运行原理及其输出电压，电动机电流波形示意图如图4-4所示。

图4-4 SINAMICSS120变频器运行原理及其输出电压，电动机电流波形示意图

2.变频器作为高频干扰源

高频噪声信号主要来源在于电动机侧逆变器中的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的快速通断，这种工作方式产生非常陡的电压边沿，作用于变频器输出侧的寄生电容，将会产生脉冲状的漏电流或干扰电流。逆变器输出电压与干扰电流的示意图如图4-5所示。

通过电动机电缆与电动机绕组中的寄生电容C_p所产生的干扰电流必须通过合适的路径返回至源（变频器）。干扰电流通过接地阻抗Z_Ground及供电系统阻抗Z_Line（供电系统阻抗包括变压器各相对地阻抗的并联值以及供电电缆的寄生电容对地的阻抗）回流至变频器。干扰电流以及由阻抗Z_Ground及Z_Line引起的干扰电压降将会影响到连接到同一供电系统及接地系统的其它设备。

图4-5 逆变器输出电压与干扰电流的示意图

干扰电流的产生及其流回变频器路径的示意图如图4-6所示。

图4-6 干扰电流的产生及其流回变频器路径的示意图

3.高频传导噪声信号的抑制措施

在采用非屏蔽电动机电缆时，干扰电流通过电缆桥架、接地系统和供电系统阻抗回流至变频器，由于是高频信号，将在阻抗Z_Ground和Z_Line上产生较高的干扰电压。

通过采用屏蔽的电动机电缆最大程度地减小阻抗Z_Ground及Z_Line，配合SINAMICS S120设备中标配的进线滤波器或EMC滤波器（RFI抑制滤波器）（符合EMC产品标准EN 61800-3的C3类别），使噪声电流I_I在驱动系统内通过低阻抗回路流回至变频器。噪声信号的回流路径为电动机电缆的屏蔽层——PE或EMC屏蔽母线——进线滤波器，从而大幅减小噪声电流和噪声信号发射对接地与供电系统的干扰。在采用屏蔽电动机电缆及变频器中的EMC滤波器时干扰电流路径如图4-7所示。

为抑制干扰必须保证整个驱动系统的正确安装，给噪声电流I_I提供一个连续、低阻抗的路径使其回流至变频器，这个路径（从电动机电缆至PE或EMC屏蔽排至变频器）不能中断或虚接。

为了满足EMC产品标准EN 61800-3的C2和C3类规范，要求电动机电缆采用屏蔽电缆。对于SINAMICS S120装置型和柜机型的大功率设备，推荐选用对称3芯电缆。

如图4-8所示。Prymian生产的PROTEOFLEX EMV电缆，型号2YSLCY-J或2XSLCY-J，对称的三芯L1，L2，L3，分别集成3根对称的PE线，是理想的屏蔽电缆。

替代电缆方案：采用对称的3芯屏蔽电缆，比如NYCWY类型。此时，独立的PE线必须尽可能近的平行于3芯相线电动机电缆走线。

图4-7 在采用屏蔽电动机电缆及变频器中的EMC滤波器时干扰电流路径

图4-8 对称放置的3相导体集成了3芯PE导线的屏蔽电缆

对于书本型和紧凑型，以及输出功率很小的装置型和柜机型变频器，也可采用非对称4芯电缆（L1，L2，L3及PE），比如MOTION-CONNECT类型的电缆。

同轴屏蔽层的3相屏蔽电缆如图4-9所示。(www.xing528.com)

图4-9 同轴屏蔽层的3相屏蔽电缆

有效的屏蔽连接方式：一方面通过EMC电缆密封套使电缆屏蔽层与电动机端子接线盒形成360°有效接触面；另一方面在变频柜内通过EMC屏蔽夹使电缆屏蔽层与EMC屏蔽母排形成360°有效接触面。

电缆屏蔽层编成“猪尾辫”后连接至PE母线的方式，不能起到很好的屏蔽效果。较长的“猪尾辫”流过高频噪声信号时将呈高阻抗。

若电动机电缆的屏蔽层出现中断（如使用过渡端子箱），则抑制噪声信号向外传播的作用会大大削弱，所以不要这样做。屏蔽电缆双端屏蔽连接如图4-10所示。

带有标准的符号C3环境标准的输入滤波器的SINAMICS装机装柜式的外壳，与柜内的PE母线和EMC屏蔽排必须低阻连接。为此必须使用柜子的金属组件来保证大面积低阻连接，连接表面必须是裸露的金属而且每个接触点必须保证最小几平方厘米的接触面。或用大截面（≥95mm²）的短接地导线。必须使用扁平或圆的铜编织线为宽频率范围的噪声信号提供低感回路。

图4-10 屏蔽电缆双端屏蔽连接

通过这样设计，实现SINAMICS S120柜机内装置的机壳与PE母排和EMC屏蔽母排低阻抗连接。

C2类进线滤波器（选件）到PE母排和EMC屏蔽排的连接原则同上，且必须与进线电抗器配合使用方能实现最佳滤波效果。

4.抑制高频、辐射电磁干扰发射的措施

SINAMICS变频器之所以成为高频电磁干扰源是因为以下3个主要原因：变频器中IGBT的每次通断产生的陡峭电压沿；其内部的高频开关电源；控制单元的高频微处理器。

为限制干扰辐射，需采用能够形成法拉第笼效应的封闭变频器柜体，配合屏蔽的电动机电缆和信号电缆。且电缆屏蔽层双端接地以获得最优的屏蔽效果。

若S120装置型单元集成于开放的机架内，设备的辐射强度无法有效抑制。为满足EMC产品标准EN 61800-3中C3类别，安装设备的主电室必须采用相应高频屏蔽措施（如：将开放式机架置于封闭的金属壳内）以确保屏蔽效果。

若安装SINAMICS装置的变频柜使用涂层钢板时，为满足EMC产品标准EN 61800-3 C3类别要求，必须采取如下措施：

1）变频器柜内的所有金属机壳组件和安装底板通过很高电导率的尽可能大的接触面相互连接至柜体框架上。基于此，理想的连接方式可通过采用具有优良高频特性的接地带来实现；

2）除保护接地外，柜体必须多点、低阻抗接地以抑制高频电流。

3）机柜扣板（比如门、侧板、背板、顶板、底板）需通过具有优良高频特性的、高电导率的导体连接至柜体框架上。

4）使用螺栓连接于涂层或电镀处理的金属组件时，必须清除涂层或使用爪垫；

5）从EMC方面考虑，通风孔的面积尽可能的小。但从流体力学的方面考虑，为确保足够的冷却风量必须保证一定的通风孔面积。基于对此两方面的平衡考虑，在SINAMICS S120柜机内的典型的冷却网开口截面积面孔约为190mm²。

门板、底板、背板、顶板与柜体框架的连接如图4-11所示。

依照上述安装原则，当设备运行过程中关闭柜门，SINAMICS S120柜机将自动满足EMC产品标准EN 61800-3所定义的C3类别的辐射干扰限值要求。

图4-11 门板、底板、背板、顶板与柜体框架的连接