进线滤波器：SINAMICS S120的C2类选件

1.概述

进线滤波器（无线频率干扰RFI抑制滤波器或EMC滤波器）抑制由调速系统产生的高频（频率范围为150kHz～30MHz）传导性干扰，从而有助于提高整个系统的EMC。

SINAMICS S120产品完全可应用在C3/C4所定义的“第二类”环境。标配的进线滤波器满足“第二类”环境的C3类别要求。同时，满足于TN或TT中性点接地系统。

SINAMICS S120提供的进线滤波器选件满足“第一类”环境的C2类别。可满足TN或TT中性点接地系统。

由于流过进线滤波器的干扰电流或漏电流随电缆长度的增加而增加（参考进线滤波器的运行原理），所以随电缆长度的增加进线滤波器的干扰抑制能力下降。在采用进线滤波器选件时，为保证干扰等级在C2类别所定义的限值内，电动机电缆长度必须满足表5-1中要求。

表5-1 为保证干扰等级在C2类别，S120最大允许的电动机电缆/屏蔽长度

在单电动机驱动系统中，一台电动机由一台变频器或一台整流+逆变单元供电，电动机总电缆长度为电动机与变频器或逆变单元之间走线的长度，同时对于较高功率输出的驱动装置需要考虑多个电缆并行走线。

在多电动机驱动系统中，由整流装置供电的直流母线连接多台逆变单元，电动机总电缆长度为每个逆变单元与对应电动机之间的电缆长度总和。同时对于较高功率输出的驱动装置需要考虑多个电缆并行走线。

最大电缆截面积及允许的电动机电缆并联数量参考对应的装置要求，参考《SINAMICS低压工程师手册》及D21.3选型样本。

2.进线滤波器的工作原理

逆变器中IGBT的高速通断造成了变速驱动系统中的高频噪声。这种高速通断产生很高的电压上升率（dv/dt）。较高的电压变化率在逆变器的输出端产生很大的高频漏电流，这些高频漏电流通过电动机电缆与电动机绕组的分布电容对地泄漏。因此，必须提供一个有效的途径，使其回到它们的“源”——逆变器。在采用屏蔽的电动机电缆时，高频漏电流或干扰电流I_Leak通过柜内屏蔽层到PE母排或EMC屏蔽母排的路径回流，如图5-2所示。

如果变频调速柜没有安装滤波器（为高频干扰电流提供一个流回到逆变器的低阻抗回路），那么所有的干扰电流将通过变频调速柜输入侧的PE母排流到变压器的中性点（I_PE=I_Leak），然后再通过3相电源返回到变频器。这些干扰电流造成的高频噪声电压会叠加在电源上，从而影响甚至损坏那些连接在公共接入点的其它设备及变频器本身。在该公共接入点的噪声电平将达到C4的水平。

SINAMIC装机装柜型变频器标配进线滤波器，为高频干扰电流提供了一个低阻抗路径使其返回到噪声源。从而使大部分干扰电流I_Leak通过滤波器在装置内部流动。这样一来，电源中的干扰电流会很小（I_PE<I_Leak），公共接入点的噪声电平将降到C3的水平。

如果除了SINAMIC装机装柜型变频器标配的进线滤波器之外，又安装了选配的进线滤波器，那么电源的干扰电流就会进一步减小（I_PE≪I_Leak），公共接入点的噪声电平将降低到C2的水平。

不同功能滤波器下的，在网侧PE连接点处的高频干扰电流如图5-3所示。

图5-2 I_PE与I_Leak的传导路径

图5-3 不同功能滤波器下的，在网侧PE连接点处的高频干扰电流

3.漏电流或干扰电流的幅值

高频漏电流的大小取决于很多驱动相关参数，主要的影响因素如下：

1）进线电压等级V_Line，或变频器直流母线电压V_DCLink。(www.xing528.com)

2）逆变器的IGBT高速通断产生的电压上升率dv/dt。

3）逆变器的脉冲频率f_p。

4）变频器的输出端是否带输出电抗器或滤波器。

5）电动机电缆的阻抗Z_W或电容C。

6）接地系统、所有接地和屏蔽的电感。

通常我们不知道接地系统的电感和实际的接地情况，所以很难精确计算实际漏电流。但是，如果假定接地系统的电感可以忽略，进线滤波器也是理想的，我们就可以计算出理论上流过电动机电缆屏蔽层的漏电流I_Leak的最大值。此时可由直流母线电压V_DCLink和电动机电缆阻抗Z_W，计算漏电流的峰值如下：

对于SINAMICS系列变频器和逆变器，假定电源为3相交流400V，且电动机电缆并联数达最大值（n_max），屏蔽电缆截面积达最大（A_max），由上面公式可计算出流过电动机电缆屏蔽层的漏电流的理论峰值，对不同型式装置分别为：

1）书本型1.5～100kW：=10～30A。

2）装机装柜型100～250kW：=30～100A。

3）装机装柜型250～800kW：=100～300A。

若符合下列条件，相应的漏电流的有效值近似为上述值的1/10：

1）脉冲频率f_p等于工厂设定值。

2）300m长的电动机屏蔽电缆（在最大并联电缆数n_max和最大导线截面A_max下）。

漏电流的峰值和有效值与直流母线电压成正比。漏电流峰值不受脉冲频率或电缆长度的影响，而漏电流的有效值与上述两个因素成正比。上述分析并没有考虑接地系统的感抗作用，所以实际的漏电流小得多。若在电动机侧安装了输出电抗或滤波器，漏电流会进一步减小。

正如上面分析，电动机电流屏蔽层承载的高频漏电流I_Leak流入进线侧PE线的多少决定于柜内是否安装了进线滤波器。图5-3为功能不同的滤波器下，在网侧PE连接点处的高频干扰电流的波形图，仅给出了在采用进线滤波器与否对于PE线路上漏电流的抑制程度的示意。尽管标配安装了符合C2标准的进线滤波器，书本型变频器中PE点处可能产生的漏电流峰值仍可达到1A，而最大功率变频器的漏电流峰值可达10A。

通过上述分析，即使采用了抑制RFI干扰措施，进线PE线中的高频漏电流仍不可忽视。所以，对于SINAMICS S120变频器的进线开关不要选用带进线漏电流保护断路器（RC-CB）或一般类型AC/DC差动式电流监控设备。同样不能采用基于人员保护门限为30mA的RCCB，和基于放火保护门限为300mA的RCCB。经验表明：仅在电动机电缆长度小于10m，功率不超过0.5kW的可以采用保护门限为30mA的RCCB。同样，电动机电缆长度小于10m，功率不超过5kW的可以采用保护门限为300mA的RCCB。

4.进线滤波器和IT系统

适用于C3环境的标准进线滤波器和适用于C2环境的进线滤波器选件都仅适用于接地系统（TN或TT供电系统）。若SINAMICS装置运行在非接地供电系统（IT），则需要注意以下内容：

1）若使用标准的进线滤波器（EMC滤波器），在设备安装或调试阶段就需把滤波器同地断开。参照相应设备手册中的操作说明，仅拆下一个金属短接片即可。

2）不能使用基于C2环境的进线滤波器。

如果不遵循上述规定，当电动机侧发生接地故障时，进线滤波器将过载甚至损坏。当断开RFI无线电抑制滤波器（EMC滤波器）的短接片时，设备仅能满足EN 61800-3的C4类标准。