变频器电磁兼容性分析

1.变频器的噪声

变频器是电力电子数字装置，其运行在高载波频率方式下，所以变频器运行中将产生大量的电磁噪声，从而对外围电子设备产生干扰，甚至产生误动作或停机。变频器运行中产生的噪声有变频器自身和变频器主回路的输出、输入连线辐射两种。变频器产生的噪声按其传播方式，可分为静电感应噪声、静磁感应噪声、公共阻抗噪声、空中传播噪声。其空中传播噪声是由变频器自身的直接辐射噪声和其电源线及输出线的辐射噪声组成，因传播路径在空中传播，若其他电子设备与变频器装在同一柜内，由于其相对距离在噪声的辐射范围内，又因其布线相对较近，变频器的辐射噪声将干扰这些电子设备的稳定运行。变频器也受外部侵入噪声的干扰，从而引起误动。因此变频器的电磁兼容性是变频器及其构成的调速系统设计中的重要环节，也是保证系统可靠运行的必要条件。变频器的电磁兼容性在很大程度上决定了交流变频调速传动系统的可靠性，因此电磁兼容性已成为交流变频调速领域需要迫切解决的重要技术问题。

在各种工业控制系统中，随着变频器等电力电子装置的广泛使用，系统的电磁干扰日益严重，相应的抗干扰设计技术已经变得越来越重要。变频器系统的干扰有时能直接造成系统的硬件损坏，有时虽不能损坏系统的硬件，但常使微处理器的系统程序运行失控，导致控制失灵，从而造成设备和生产事故。因此，如何提高系统的抗干扰能力和可靠性是变频器研制和应用中不可忽视的重要内容。

变频器的外部干扰源首先是来自外部电网的干扰，电网中的谐波干扰主要是通过变频器的供电电源干扰变频器。电网中存在大量的谐波源，如各种整流设备、交直流变换设备、电子电压调整设备、非线性负载等。这些非线性负载使电网的电压、电流产生波形畸变，从而对电网中的其他设备产生干扰。若对变频器的供电电源中的干扰不加处理，电网噪声就会通过电网电源电路干扰变频器。供电电源的干扰类型主要有：过电压、欠电压、瞬时掉电、浪涌、电压跌落、尖峰电压脉冲和射频干扰。

当供电网络内有容量较大的晶闸管换流设备时，由于晶闸管总是在每相半周期内的部分时间内导通，容易使电网电压出现凹口，波形严重失真，使变频器输入侧的整流电路有可能因出现较大的反向回复电压而受到损害，从而导致输入回路击穿而烧毁。变频器作为噪声源如图3-1所示，把一个在装置中由于电容C_p耦合作用而产生的噪声电流I_S看作噪声源，噪声电流I_S在阻抗Z_i上产生压降。如噪声电流流经敏感电子元件板（如微处理器），都能导致噪声。

图3-1 变频器作为噪声源

变频器的整流桥对电网来说是非线性负载，它所产生的谐波会对同一电网的其他电子、电气设备产生谐波干扰。另外，变频器的逆变器大多采用PWM技术，当其工作于开关模式并做高速切换时，产生大量的耦合性噪声。因此，变频器对系统内其他的电子、电气设备来说是一个电磁干扰源。变频器的输入和输出电流中，都含有较多的谐波成分，除了能构成电源无功损耗的较低次谐波外，还有许多频率很高的谐波成分，将以各种方式将能量传播出去，形成对变频器本身和其他设备的干扰信号。变频器作为噪声源如图3-2所示，变频器整流电路产生的谐波对电网将产生传导干扰，引起电网电压畸变（电压畸变率用THDv表示，变频器产生谐波引起的THDv在10%～40%），影响电网的供电质量。变频器内由于IGBT等开关器件高速开关工作，故在电路中出现分布电感和分布电容，在它们之间产生磁能和静电能的转换，出现震荡现象，因而形成了电磁波发射。在输出能量的同时将在输出线上产生较强的电磁辐射干扰，影响周边电气设备的正常工作。

图3-2 变频器作为噪声源

变频器的输入侧是二极管整流桥和电容滤波电路，显然只有电源的线电压U_l大于电容器两端的直流电压U_d时，整流桥中才有充电电流。因此，充电电流总是出现在电源电压的振幅值附近，呈不连续的冲击波形式。它具有很强的谐波成分。有关资料表明，输入电流中的5次谐波和7次谐波的谐波分量最大，分别是50Hz基波的80%和70%。变频器噪声的类型主要有：

1）发射性噪声。变频器开关元件形成的du/dt和电路中的分布电感，产生高频振荡，把配电线路作为天线，发射出电磁波。

2）静电感应噪声。若其他用电设备的信号线靠近变频器的输出线，由于静电感应就会有感应电压产生，而使其他用电设备误动作。

3）电磁感应噪声。若其他用电设备的信号线靠近变频器的输出线，由于电磁感应就会有感应电压产生，使其他用电设备误动作。

4）传输噪声。变频器主回路的开关产生的高频电流进入电源系统，将对同一电源的用电设备产生影响。

5）漏电流噪声。PWM控制高达12kHz的载波频率，将在电动机的绕组间、绕组和机座间、机座和大地间通过分布电容产生漏电流，通过接地系统将噪声传到其他用电设备上，从而引起误动作。

对变频器进行电磁兼容性设计之前，必须分析预期的电磁环境，并从电磁干扰源、耦合途径和敏感设备入手，找出其所处系统中存在的电磁干扰，然后有针对性地采取措施，就可以消除或抑制电磁干扰。变频器所处电磁环境中存在的电磁干扰源主要有：

1）高频开关器件快速通断形成大脉冲电流而引起的电磁干扰。

2）供电电源的负载突变。

3）系统内部及其周围的强电元件造成的强电干扰。

4）电动机电枢传输线与其他传输线间的电容性耦合和电感性耦合引起的干扰。

5）由连续波干扰源等造成的空间辐射干扰。

变频器中各个电子部件、元器件都可能成为被干扰的敏感受扰设备，当干扰信号电平低于系统门槛电平时，不会对系统造成危害；若高于低限门槛电平时，就可能导致电子器件的误触发，对系统产生干扰。干扰信号可以通过多种途径从干扰源耦合到敏感受扰设备上。

2.低压变频器的兼容等级

低压变频器的兼容等级典型值见表3-1。

表3-1 低压变频器的兼容等级典型值

3.抗扰度要求(www.xing528.com)

（1）抗电磁干扰的验收准则及等级

验收准则是用来检验低压变频器抗扰度的性能。验收准则按其对低压变频器系统的影响程度（严酷等级），分为A、B、C三类。检验低压变频器抗扰度的验收准则及等级见表3⁃2。

表3-2 检验低压变频器抗扰度的验收准则及等级

表3-2中A类是影响最轻（要求抗扰度最高），最难做到的。C类抗扰度最差，对低压变频器的影响最恶劣。按严酷、抗扰度难易，依次是A>B>C。

（2）低频干扰

所谓低频干扰指的是频率在0≤f<9kHz范围内的干扰，每个制造厂可以用试验、计算或模拟的方式验证其是否符合要求。具体要求是：

1）谐波。稳态条件下，与总谐波畸变和各个谐波次数相关的、设计所用的抗扰度为永久兼容性等级，验收准则为A类。设计所用抗扰度等级应至少为永久兼容性等级的1.5倍，这时要求的验收准则为B类。

2）换相缺口。抗扰度等级为A类，试验周期为小于1h。

3）电压波动和短时中断。规定持续时间小于1h，抗扰度等级为A类。

4）电压不平衡。电压不平衡可能是由于三相系统中某个单相负载引起的。设计所用的抗扰度等级应等于所考虑的连接点的兼容性等级。

5）频率变化。在兼容性等级限值之内频率变化可通过电子控制补偿。

6）对电源的影响。用于发电厂，要进行脉冲磁场试验，用于中压或高压变电站要进行阻尼脉冲磁场试验。

（3）高频干扰

所谓高频干扰指的是频率在f≥9kHz范围内的干扰，例如：辐射干扰。判断高频干扰抗扰度将分别对两类环境分开列出，见表3-3、表3-4。

表3-3 第一类环境的最低的抗扰度要求

（续）

表3-4 第二类环境的最低的抗扰度要求

对比表3-3和表3-4，可以看出第二类环境的电气传动系统为最低的抗扰度要求，与公共环境相比，增加了对信号接口的要求，因为工业环境更恶劣。

4.发射要求

低频领域中基本的发射限值包括换相缺口、谐波和谐间波（含在低压公共电网和工业电网以及2～9kHz频率范围的谐波和谐间波）、电压波动、共模谐波（变流器三相输出瞬时值不对称引起）发射等。

基本高频发射限值包括第一类环境和第二类环境，许多低压变频器在第二类环境下无滤波器都能正常工作，没有对其他的装置和设备产生干扰，所以它们是兼容的。对于传导性和辐射性的发射，原则是干扰的可能性越高，其发射限值越要严格。

5.安全性的最低要求

在抗扰度试验时，要将安全放在首位。在非兼容性环境中运行，当抗扰度不足、发射过量，危及到安全，应用中应采取必要的措施，以使其满足安全性要求。对于低压变频器的安全要求还有其他项，如防电击、绝缘配合和相关绝缘试验、不安全操作等。