變頻調(diào)速系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計綜述

1、變頻調(diào)速系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計設(shè)計題目：變頻調(diào)速系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計指導(dǎo)教師：設(shè)計者：學(xué) 號：系 別：班 級：課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)院班學(xué)生課程設(shè)計課題：變頻調(diào)速系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計一、 課程設(shè)計工作日自 _年_月日至年月日二、同組學(xué)生：三、課程設(shè)計任務(wù)要求（包括課題來源、類型、目的和意義、基本要求、完成時間、主要參考資料等）：一、設(shè)計目的1）了解有關(guān)電磁干擾技術(shù)的基礎(chǔ)知識，如何消除電磁干擾；2）加深對設(shè)計中的電子電路方面知識的理解；3）能夠熟悉實際生活中電磁干擾的檢測以及應(yīng)用電路；4）能夠熟悉變頻器的干擾種類以及防止措施。二、設(shè)計要求本課題為設(shè)計分析類型。很多經(jīng)濟型數(shù)控機床調(diào)速系統(tǒng)中普遍采用變頻調(diào)速 系統(tǒng)

2、。由變頻器的工作原理可知，變頻器在工作運行時會產(chǎn)生諧波干擾。因此， 有必要分析機床主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)中的電磁兼容技術(shù)。此課題要求設(shè)計、分析變頻器主電路，分析、掌握每種防電磁干擾措施。指導(dǎo)教師簽字:教研室主任簽字:目 錄一、緒論 11.1設(shè)計目的 11.2設(shè)計要求 11.3課題背景及功能介紹 1二、變頻器主電路分析 22.1 主電路圖 22.2 交直部分 32.3直交部分 32.4制動電阻和制動單元 4三、變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)的主要電磁干擾源及途徑53.1 電磁干擾的產(chǎn)生 53. 2外來干擾及抑制53.3 變頻器產(chǎn)生的干擾 73.4變頻器干擾的抑制措施 7四、電磁兼容設(shè)計84. 1諧波產(chǎn)生的危害84.

3、 2主要電磁干擾源94.3變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計 12五、變頻器的電磁兼容標準 185.1 IEC（國際電工委員會標準）及GB（國標）對高次諧波限制的標準185 . 2變額器的國際和歐洲抗干擾標準1 9六、 課程設(shè)計總結(jié) 19七、 參考文獻 20課程設(shè)計評審表學(xué)院班 學(xué)生設(shè)計任務(wù)完成情況及指導(dǎo)教師評語答辯情況評定成績成績： 指導(dǎo)教師簽字： 日期： 教研室主任： 主任簽字： 日期： 日期：一、緒論1.1設(shè)計目的:1）了解有關(guān)電磁干擾技術(shù)的基礎(chǔ)知識，如何消除電磁干擾；2）加深對設(shè)計中的電子電路方面知識的理解；3）能夠熟悉實際生活中電磁干擾的檢測以及應(yīng)用電路；4）能夠熟悉變頻器的干擾種類以

4、及防止措施。1.2設(shè)計要求：本課題為設(shè)計分析類型。很多經(jīng)濟型數(shù)控機床調(diào)速系統(tǒng)中普遍采用變頻調(diào)速 系統(tǒng)。由變頻器的工作原理可知，變頻器在工作運行時會產(chǎn)生諧波干擾。因此， 有必要分析機床主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)中的電磁兼容技術(shù)。此課題要求設(shè)計、分析變頻器主電路，分析、掌握每種防電磁干擾措施。1.3課題設(shè)計背景及功能介紹：背景：變頻器作為變頻調(diào)速系統(tǒng)的重要組成部分是電力電子數(shù)字裝置，在運行中因其半導(dǎo)體開關(guān)器件的動作引起高次諧波和電磁干擾會對外圍電子設(shè)備產(chǎn)生不良 影響甚至不能正常工作，變頻器也會受外部侵入噪聲的干擾而引起誤動作，所以 變頻調(diào)速系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計是該系統(tǒng)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，變頻調(diào)速系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計

5、的好壞在很大程度決定了系統(tǒng)的可靠性。變頻調(diào)速技術(shù)在上世紀90年代得到了飛速的發(fā)展，其性能指標己經(jīng)超過了直流調(diào)速，在機電行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)開始逐 步取代直流調(diào)速和其他交流調(diào)速。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷成熟，變頻調(diào)速裝置 在電氣、化工、針織、石油等行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。例如在風(fēng)機水泵、起重機 械，數(shù)控車床、電梯、電站直至最近風(fēng)行的電動汽車上都可以看到變頻調(diào)速系統(tǒng) 的應(yīng)用。經(jīng)驗證明：在變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計的初始階段，同時進行電磁兼容設(shè)計，把電 磁兼容的大部分問題解決在設(shè)計定型之前，可得到最高的效率比功能介紹:本次課程設(shè)計的內(nèi)容為變頻調(diào)速系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計，變頻器調(diào)速技術(shù)以很好的調(diào)速、節(jié)能性能獲得了廣泛的應(yīng)用、由

6、于其采用軟啟動，可以減少設(shè)備和 電機的機械沖擊，延長設(shè)備和電機的使用壽命.因此經(jīng)濟型數(shù)控機床中普遍采用 變頻主軸調(diào)速系統(tǒng)，但隨之也帶來了一些干擾向題，現(xiàn)場的供電和用電設(shè)備會對 變頻器產(chǎn)生影響，變頻器運行時產(chǎn)生的高次諧波也會干擾周圍設(shè)備的運行。變頻 器產(chǎn)生的干擾主要有三種：對電子設(shè)備的千擾、對通信設(shè)備的干擾及對無線電等 產(chǎn)生的干擾。對計算機和自動控制裝置等電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾主要是感應(yīng)干擾.對通信設(shè)備和無線電等產(chǎn)生的干擾為放射干擾。如果變頻器的干擾問題解決不 好,不但系統(tǒng)無法可靠運行，還會影響其他電子電氣設(shè)備的正常工作。 下面主要 討論變頻器的干擾及其抑制方法。二、變頻器主電路分析2.1主電路圖下

7、面我們把變頻器的主電路單獨拿出來進行對其的電磁干擾和電磁兼容性 能分析，變頻器主電路如下圖2-1所示：duvrA%JPI圖2-1電壓源型交一直一交變頻器主電路的基本結(jié)構(gòu)圖主電路圖有整流電路、中間直流電路和逆變器三部分組成。 電壓源型交一直-交變頻器主電路的基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示2.2交一直部分(1) 整流電路 整流電路由VD仁VD6組成三相不可控整流橋，它們將電 源的三相交流全波整流成直流。整流電路因變頻器輸出功率大小不同而異。 小功 率的，輸入電源多用單相 220V,整流電路為單相全波整流橋；功率較大的，一般用三相380V電源，整流電路為三相橋式全波整流電路。設(shè)電源的線電壓為UL ,那么三相

8、全波整流后平均直流電壓 UD的大小是： UD= 1.35UL。我們?nèi)嚯娫吹木€電壓為380V,故全波整流后的平均電壓是 513V。(2) 濾波電容CF整流電路輸出的整流電壓是脈動的直流電壓，必須加以 濾波。濾波電容CF的作用是：除了濾波整流后的電壓紋波外，還在整流電路與 逆變器之間起去耦作用，以消除相互干擾，這就給作為感性負載的電動機提供必 要的無功功率。因而，中間直流電路電容器的電容量必須較大， 起到儲能的作用， 所以中間直流電路的電容器又稱儲能電容器。(3) 限流電阻RL與開關(guān)SL由于儲能電容大，加之在接入電源時電容器兩端的電壓為零，故當變頻器剛合上電源的瞬間，濾波電容CF的充電電流是很大

9、的。過大的沖擊電流將可能使三相整流橋的二極管損壞。為了保護整流橋，在變頻器剛接通電源厚的一段時間里， 電路內(nèi)傳入限流電 阻，其作用是將電容器CF的充電電流限制到允許的范圍以內(nèi)。開關(guān)SL的功能是： 當CF充電到一定程度時，令SL接通，將RL短路掉。在有些變頻器里，SL用晶閘管代替，如圖中虛線所示。(4) 電源指示HL HL除了表示電源是否接通以外，還有一個十分重要的功 能，即在變頻器切斷電源后，顯示濾波電容器 CF上的電荷是否已經(jīng)釋放完畢。由于CF的容量較大，而切斷電源又必須在逆變電路停止工作的狀態(tài)下進行， 所以CF沒有快速放電的回路，其放電時間往往長達數(shù)分鐘。又由于CF上的電壓 較高，如電荷不

10、放完，在維修變頻器時，將對人身安全構(gòu)成威脅。所以， HL完 全熄滅后才能接觸變頻器內(nèi)部的導(dǎo)電部分。2.3直一交部分（1）逆變管V1V6 V1V6組成逆變橋，把VDL VD6整流后的直流電， 在“逆變”成頻率、幅值都可調(diào)的交流電。這是變頻器實現(xiàn)變頻的執(zhí)行環(huán)節(jié)，因 而是變頻器的核心部分。當前常用的逆變管有絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、大功率晶體管（GTR、可關(guān)斷晶閘管（GTO及功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET等。（2、續(xù)流二極管VD7VD12續(xù)流二極管VD7VD12的主要功能： 電動機的繞組是電感性的，其電流具有無功分量。VD7VD12為無功電流返回直流電源提供“通道”。 V1V6進行逆變的基本工作

11、過程：同一橋臂的兩個逆變管，處于不停 的交替導(dǎo)通和截至狀態(tài)。在這交替導(dǎo)通和截至的換相過程中，也不時地需要 VD7VD12提供通路。（3）緩沖電路 不同型號的變頻器中，緩沖電路的結(jié)構(gòu)也不盡相同。圖中 所示是比較典型的一種。其功能如下：逆變管V1V6每次由導(dǎo)通狀態(tài)切換成截止狀態(tài)的關(guān)斷瞬間，集電極（C級） 和發(fā)射極（E級、間的電壓UCE各極為迅速地由近乎0V上升至直流電壓值UD 這過高的電壓增長率將導(dǎo)致逆變管的損壞。因此，C01C06上所充的電壓（等于UD將向V1V6放電。此放電電流的初始值將是很大的，并且將疊加到負載 電流上，導(dǎo)致V1V6損壞。因此R01R06的功能是限制逆變管在接通瞬間 C01

12、C06的放電電流。R01R06的接入，又會影響C01C06在V1V6關(guān)斷時降低電壓增長率的 效果。VD0VD06接入后，在C01C06的關(guān)斷過程中，使 R01R06不起作用； 而在V1V6的接通過程中，又迫使 C01C06的放電電流流經(jīng)R01R0& 2.4制動電阻和制動單元（1、制動電阻RB電動機在工作頻率下降過程中，異步電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將 超過此時的同步轉(zhuǎn)速處于再生制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動能要反饋到直流電路中， 使直流電壓UD不斷上升，甚至可能達到危險的地步。因此，必須將再生到直流 電路的能量消耗掉，使UD保持在允許范圍內(nèi)。制動電阻RB就是用來消耗這部分 能量的。（2）制動單元VB制動單元VB由

13、大功率晶體管GTR及其驅(qū)動電路構(gòu)成其功能是控制流經(jīng)的RB放電電流IB三、變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)的主要電磁干擾源及途徑3.1電磁干擾的產(chǎn)生：電磁干擾產(chǎn)生于干擾源，他是一種來自外部和內(nèi)部的并有損于有用信號的電 磁現(xiàn)象。干擾經(jīng)過敏感元件、傳輸線、電感器、電容器、空間場等形式的途徑并 以某種形式作用，其干擾效應(yīng)、現(xiàn)象普遍存在，形式各異，稱之為傳導(dǎo)干擾，他 按帶不帶信息可以分為信息傳導(dǎo)干擾源和電磁噪聲傳導(dǎo)干擾源兩類。信息傳導(dǎo)干擾源是指帶有的無用信息對模擬通道的干擾。電磁噪聲傳導(dǎo)干擾源是指不帶任何 信息的電磁噪聲對變頻系統(tǒng)的干擾。傳導(dǎo)電磁干擾傳輸通道可以分為電容傳導(dǎo)耦合 （或稱電場耦合）、電阻傳導(dǎo)耦 合（或公共

14、阻抗耦合）及電感傳導(dǎo)耦合（或互感耦合）。電容傳導(dǎo)耦合是指干擾源和 信號傳輸線（包括印制電路線）之間通過導(dǎo)線以及部件的電容互相交鏈而構(gòu)成的 電磁傳導(dǎo)耦合。電阻傳導(dǎo)耦合是指干擾源和信號傳輸線（包括印制電路線）之間通 過公共阻抗上的電流或電壓交鏈而構(gòu)成的傳導(dǎo)電磁耦合。電感傳導(dǎo)耦合實質(zhì)上是磁場耦合。3.2外來干擾及抑制外來干擾得主要侵入渠道是變頻器的控制電纜，故控制電纜的鋪設(shè)須采取充分的抗干擾措施。1. 外界干擾的種類變頻器控制回路的控制電纜接受的外來干擾有以下幾點：（1）電磁波干擾?？刂齐娎|本身就可以作為接收天線，外界電磁波將在電 纜線路中感應(yīng)觸感應(yīng)電動勢來。（2）靜電耦合干擾。變頻器的控制回路電纜

15、與周圍電氣回路互相耦合得到 的感應(yīng)電動勢就是靜電偶合干擾。（3）電源線傳導(dǎo)干擾。變頻器的電源接入線不僅將電網(wǎng)電壓加到變頻器的 輸入側(cè)。同時也將電網(wǎng)上其他設(shè)備產(chǎn)生的干擾電動勢引入了變頻器的輸入側(cè)（4）接觸不良的干擾。由于控制回路中存在接觸不良的現(xiàn)象，也對控制電 路造成有害的干擾。2. 抗外界干擾的措施接受遠距離信號時需要采取一定的措施。當速度給定器使用模擬信號時，抗 干擾性也較弱，鋪設(shè)控制電纜時也須采用抗干擾措施。（1）抗電磁感應(yīng)干擾。電磁感應(yīng)干擾的大小有 3個因素決定：干擾源電纜 產(chǎn)生的磁通量大??；控制電纜形成的等效環(huán)路圍起的面積大??； 干擾源電纜與電 纜間的平面相對角度。所以抗電磁波干擾可從

16、以下方面考慮，參看下圖3-1所示。1）減輕干擾源電纜產(chǎn)生的磁通影響，將控制電纜與干擾源距離增大，分離 距離必須在30cm以上（最低限度10cm）。如分離困難，則將控制電纜穿過鐵管 進線，進行電磁屏蔽。2 ）為最大限度地減少由控制電纜形成的等效環(huán)所圍面積，以及使干擾源電 纜和控制電纜間等效平面盡量正交， 可把控制電纜導(dǎo)體絞合。導(dǎo)體間距越小，耐 干擾效果就越好。圖3-1產(chǎn)生電磁感應(yīng)干擾要素圖（2）抗靜電耦合干擾。靜電耦合干擾的大小同干擾源電纜與控制電纜間的雜散電容成比例。因此，抑制靜電耦合干擾需要減小電纜間的雜散電容。 方法是 對電纜進行屏蔽以及將電纜進行分離。 電纜間距離增加越多，雜散電容越小，

17、但 電纜距離達到電纜直徑40倍以上時，再加大距離，干擾減小的程度就不明顯了。用下面的方法進行電纜間的屏蔽：在兩電纜間設(shè)置屏蔽導(dǎo)體，使屏蔽導(dǎo)體與干擾源電纜電容耦合，即將干擾源電纜作為雜散等效電容的一個板極，將屏蔽導(dǎo)體作為另一個極板，使干擾源電纜發(fā)出的變化電場被限定在干擾源電纜與屏蔽導(dǎo) 體之間。采用這一方法時，應(yīng)將屏蔽導(dǎo)體接地。（3）抗電磁波干擾。干擾源電源產(chǎn)生電磁波干擾。干擾源通過輻射，使變 頻器的控制電纜產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，形成電磁波干擾。干擾的大小決定于干擾源電 纜產(chǎn)生的電磁輻射的強弱?？刹捎每闺姶鸥袘?yīng)干擾與抗靜電耦合干擾的方法進行 抑制。如果電磁輻射對小型變頻器影響較大， 可將變頻器置于金屬殼

18、體中，并將 外殼接地即可，這種情況適應(yīng)變頻器裸機。如果是殼、箱式變頻器，將金屬箱體 接地即可。（4）抗接觸不良干擾。這種干擾是由于電氣連接或接觸部分的接觸狀態(tài)不 好而造成的。典型的接觸不良干擾是繼電器或接觸器觸點的接觸不良和電纜線間 連接點的接觸不良。防止繼電器或接觸器接點接觸不良的方法是： 在控制信號產(chǎn)生側(cè)或變頻器側(cè) 采用并聯(lián)觸點，以保證觸點的工作可靠。為了使繼電器、接觸器觸點接觸狀態(tài)經(jīng) 常保持良好，可選用密閉式繼電器或無腐蝕性氣體的設(shè)置場所。 對于電纜線連接 點接觸不良，可用定期擰緊加固及對連接點用加壓式緊固件連接的方法消除之。（5）抗電源線傳導(dǎo)干擾。對于電網(wǎng)上其他設(shè)備通過電源線竄入變頻器

19、及控 制電路的干擾采用以下措施消除：變頻器的控制電源單獨供電；在控制電源的輸 入側(cè)裝設(shè)線路濾波器，濾除外部設(shè)備產(chǎn)生的干擾電壓及干擾電流； 還可以裝設(shè)抗 干擾絕緣變壓器，使用設(shè)備時須將絕緣變壓器的屏蔽接地。3.3變頻器產(chǎn)生的干擾變頻器整流產(chǎn)生的高次諧波，在其輸入端將使電源的電壓波形和電流波形發(fā) 生畸變，對與其共電源的其它設(shè)備直接造成干擾。其輸出端的高次諧波，通過感 應(yīng)、輻射和地線系統(tǒng)等途徑，對相關(guān)聯(lián)設(shè)備亦造成干擾。高次諧波主要通過以下 途徑對其它設(shè)備造成干擾：1 靜電耦合干擾。靜電耦合干擾是由于干擾源電纜和周圍線路間的雜散電 容耦合而形成的，其大小正比于雜散電容。2 電磁感應(yīng)干擾。由于變頻器電源

20、電纜產(chǎn)生的磁通變化在周圍線路中感應(yīng)出電勢，從而形成感應(yīng)干擾。其大小取決于干擾電纜間生成的磁通大小，控制線 路形成的閉環(huán)面積和二者間相對角度。3. 電磁場輻射干擾。變頻器輻射的電磁場在周圍線路中感應(yīng)而產(chǎn)生的干擾。 干擾電勢大小取決于電磁場的大小和輻射源與受感物間的距離。4 電源線傳導(dǎo)干擾。當變頻器和其它設(shè)備共用電源時，將對其它設(shè)備直接 產(chǎn)生干擾。變頻器產(chǎn)生的諧波輻射干擾能量主要是經(jīng)電源線和電機電纜線的傳導(dǎo)向外 傳播的。按其輻射強度排列如下：1. 電機電纜線。連接電機的電纜線有較強的電磁干擾電流，但它對周圍產(chǎn) 生的電磁干擾隨距離的增加而迅速衰減。2. 電源線。電源線上的電磁干擾電壓比電機電纜線上的

21、要低，但電源線布 線長，面積大，相當于一個發(fā)射天線。電磁干擾也經(jīng)傳導(dǎo)途徑對電網(wǎng)上的其它設(shè) 備產(chǎn)生影響，因此電源線是電磁干擾的主要傳播源。3. 接地線。變頻器及電機機座的接地線間存在著電磁干擾電壓。變頻器輸 出端有電磁干擾電流，電機電纜和繞組對地的分布電容對電磁干擾電流呈低阻抗，因而電磁干擾電流經(jīng)過地和變頻器接地線流回變頻器，故處在變頻器和電機接地點附近的電氣設(shè)備易受到電磁干擾的影響。3.4變頻器干擾的抑制措施(1) 電子設(shè)備的干擾抑制。將電子設(shè)備的電源系統(tǒng)與變頻器主回路電源分 離，即采用不同的電源；單獨提供電源為電子設(shè)備供電；使用隔離變壓器、濾波 器抑制電源側(cè)的干擾。電子設(shè)備的輸入輸出電纜與變

22、頻器主回路電纜距離加大并且使電子設(shè)備的 電纜以最短路徑敷設(shè)。將金屬箱體對電子設(shè)備進行屏蔽。電子設(shè)備有自己的接地， 不能與變頻器主回路的地連接。電子設(shè)備的地應(yīng)盡量的短和粗。(2) 通信及無線電設(shè)施的干擾抑制。將通信設(shè)備的電纜盡量與變頻器的電源輸入線遠離，可在變頻器電源輸入側(cè)串入電抗器以吸收來自變流回路的高次諧 波電流，使之竄入電網(wǎng)側(cè)的高頻諧波電流成分大大減弱。對于無線電設(shè)施的干擾抑制措施采用以下措施：1)將無線電干擾干擾濾波器接入變頻器的電源輸入端子( R、S、T)，然后在將接地線牢固接地如下圖3-2所示冋路屯源 尢線電r-FR_BIP擾濾波器圖3-2無線電干擾濾波器示例圖2）對于防止變頻器進行

23、屏蔽。變頻器本身是一個輻射源，用鐵制箱體將變 頻器安置其中，對于防止變頻器向外輻射電磁波有很好的效果。3）也可將抗干擾濾波器接入變頻器的電源側(cè)（ R S、T）和電機側(cè)（U、V、 W端子之間，如下圖3-3所示。圖中的金屬管接在抗干擾濾波器與電機之間的 電纜上，金屬管務(wù)必牢靠接地。鐵箱圖3-3干擾濾波器示列圖四、電磁兼容性設(shè)計4.1諧波產(chǎn)生的危害1、諧波使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電，輸電及用電設(shè)備 的效率，大量的3次諧波流過的中性線會使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。2、諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作， 使電機發(fā)生機械振動，噪聲和過熱, 使變壓器局部嚴重過熱，使電容器，電纜等設(shè)備過熱，使絕緣老

24、化，壽命縮短以致?lián)p壞。3、諧波會引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，會使 上述1）和2）兩項的危害大大增加，甚至引起嚴重事故。4、諧波會導(dǎo)致繼電保護和 自動裝置的誤動作，并使電氣測量儀表計量不準 確。5、諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重 者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。4.2主要電磁干擾源A. 高次諧波干擾源于變頻器輸入側(cè)的非線性整流，以及輸出側(cè)PWM脈寬圖4-1-a為三相交流電壓波形，圖4-1-b為輸入電流波形，圖4-2為實測輸 入電壓、電流波形，可以明顯看出輸入電流波形發(fā)生了畸變。b）輸入電圖4-1輸入電壓、電流波形圖4-2實測電壓電流

25、波形變頻器輸出側(cè)咼次諧波干擾。變頻器輸出側(cè)干擾是由于PWM脈寬調(diào)制形成的，這就與脈寬調(diào)制頻率的高低 及脈寬調(diào)制方式有關(guān)。如GTR GTO SCF變頻器采用的調(diào)制頻率低，高次諧波低 頻分量大，人耳就易聽到；IGBT脈寬調(diào)制頻率咼，可達20又Hz,調(diào)制頻率咼， 低頻諧波小，人耳聽不見。脈寬調(diào)制方式不同，圖4-3所示為變頻器輸出電流波 形，電流為正弦包絡(luò)的鋸齒波?？刂品绞讲煌C波產(chǎn)生的量也不同，以SVPWM控制方式與SPW控制方式相比較，SPW控制輸出的諧波量要小得多。圖4-3 變頻器輸出波形B. 變頻器投入運行時取決于電源電網(wǎng)狀況引起的干擾(I)變頻器接入配電網(wǎng)絡(luò)，配電網(wǎng)絡(luò)三相電壓不平衡時變頻器

26、輸入電流波形 畸變。配電網(wǎng)絡(luò)三相電壓不平衡率記為不平衡率=(最大相電壓一最小相電壓”三相平均電壓X 100 此時輸入電壓、電流波形如圖4-4所示，有較大的輸入電流峰值。*）吐圧at形b）電溫誡形圖4-4三相電壓不平衡時變頻器輸入電壓、電流波形 變頻器接入配電網(wǎng)絡(luò)，配電變壓器網(wǎng)絡(luò)同時接有功率因數(shù)補償電容器和 晶閘管整流裝置等，此時變頻器電流波形畸變。如圖4-5所示，此時變頻器輸入 電壓波形畸變，輸入電流畸變的峰值變大，加重了整流二極管的電壓負擔。圖4-5配電網(wǎng)絡(luò)接有電容及整流裝置時變頻器輸入電壓的畸變C. 變頻器調(diào)節(jié)控制時的頻譜干擾變頻器作為電動機調(diào)節(jié)控制器時不僅涉及輸入輸出側(cè)的諧波，也不僅是對

27、輸 入電源波形發(fā)生畸變，而且還加重變額器二極管的負擔， 產(chǎn)生過流和過壓等。此 外，變頻器中脈沖、振蕩、數(shù)字開關(guān)電路、繼電器和風(fēng)扇等均將產(chǎn)生可觀的輻射、 傳導(dǎo)干擾，此種電磁干擾屬頻譜效應(yīng)，而不是某次諧波。敏感單元在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，各個電子部件、元器件都可能成為被干擾的敏感單元。 但只有當干擾源的信號超過了電子部件容許的范圍，并且干擾源的信號頻率可以被電子部件響應(yīng)時電磁干擾才能發(fā)生。 顯然，欲改善系統(tǒng)的EMC能力，就要從這 兩個方面入手。干擾信號的傳播途徑干擾信號可以通過多種途徑從干擾源藕合到敏感單元上，通常歸結(jié)為以下3種方式： 傳導(dǎo)禍合:干擾信號通過電源線、信號線和控制線路等導(dǎo)體進行傳播； 公共

28、阻抗禍合：干擾信號通過流進公共阻抗的電流將干擾禍合到其它電路之中，其產(chǎn)生的主要原因是不良的接地方式； 輻射禍合：起因于元器件或?qū)Ь€內(nèi)的電荷運動所產(chǎn)生的輻射電磁場，進而 可區(qū)分為近場和遠場。遠場的藕合方式以磁輻射為主；近場藕合分為電容性藕合（由分布電容引起）和電感性禍合（由于存在互感）。由于在VFD變頻調(diào)速）方式 下，主電路的高速切換無法避免電機兩端的電壓呈脈沖狀態(tài)，du/dt值很高， 電樞電流di/dt在開關(guān)切換時的變化量也很大，因此：輻射干擾在VFD中是最為 嚴重的，通常以4種方式傳遞：沿電樞導(dǎo)線直接傳導(dǎo)；干擾源導(dǎo)線和附近的其它導(dǎo)線之間的電容禍合；導(dǎo)線之間的感應(yīng)藕合；由于“天線效應(yīng)”而由電機

29、外露的軸直接輻射。4.3變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計功率器件開關(guān)干擾的抑制由于VFD的控制方式是將直流電壓離散為相應(yīng)的電壓脈沖序列，故調(diào)制波的頻率起著相當重要的作用。頻率低則電磁噪音避不開入耳的聽覺， 但如果功率器 件開關(guān)頻率提高則功率器件的電壓上升率du/dt、尖峰電流幅度及dl /dt也 大，EMI將隨之增加。因此，適當減緩功率器件的開通速率將有效地減小EMI。但應(yīng)指出，此時相應(yīng)的開通損耗將增加，故需要綜合考慮。元器件的合理布局與布線正確布置系統(tǒng)中的元器件及導(dǎo)線，是解決 VFD電磁兼容性問題的有效途徑， 由此不僅可以減小各種寄生藕合，而且可使結(jié)構(gòu)簡化、調(diào)試方便、成本降低。對于功率轉(zhuǎn)換電

30、路及基極驅(qū)動電路的布局， 應(yīng)注意元器件的對稱性，并力求 按照功率模塊廠家的推薦；強干擾源與敏感電路盡可能遠離，功率轉(zhuǎn)換電路輸出 到電機的引線要盡量短而粗。布線時，根據(jù)電路功能要求，應(yīng)按功率大小、信號強弱與性質(zhì)等因素，分配 線束，分別集中布線。印刷板上元器件應(yīng)力求安排緊湊、密集，以縮短引線。本 著盡量減小導(dǎo)線的引線電感和導(dǎo)線間分布電容的原則，應(yīng)盡力縮減導(dǎo)線的平行部分；電源線和地線要盡量粗并且遠離信號線，采取輻射狀，避免形成回路，并盡 可能覆蓋印制板的空余處，防止在地線上形成較大電位差 ；模擬地、數(shù)字地、電 源地等要各自分開走線、自成系統(tǒng)，然后通過輻射狀把它們匯集到一個公共接地 點；信號線在板上盡

31、量靠近地線。同時應(yīng)遠離大電流信號線及電源線；雙面板正、反面的走線盡可能垂直，以減少電磁藕合。4.3.1接地設(shè)計接地問題在系統(tǒng)抗干擾中占有重要的地位。 接地設(shè)計的兩個基本目的是消除 各支路電流流經(jīng)公共地線時所產(chǎn)生的噪聲電壓 ；避免受磁場和地電位差的影響， 即不使其形成地環(huán)路。在 VFD中，地線的種類繁多，歸納起來有以下幾種：數(shù)字 地、作為數(shù)字電路的零電位；模擬地，作為A/D轉(zhuǎn)換器、運算放大器、比較器等 模擬電路的零電位；信號地，作為傳感器的地線；交流地（噪聲地），作為交流電源 的地線；直流地，作為直流電源的地電位；屏蔽地（機殼地），為防止靜電感應(yīng)和磁 場感應(yīng)而設(shè)計的地。單點接地的應(yīng)用原則單點接地

32、就是把需要接地的電路、部件和屏蔽體連接到系統(tǒng)的同一個接地點 上。注意接地點應(yīng)設(shè)置在信號電平最接近于地電位的點。接地應(yīng)遵循的原則是把系統(tǒng)中包括所在電路單元的工作電平、 信號種類（模擬信號、數(shù)字信號）、功率等 級和抗干擾能力等分清，將相近的電路單元劃入同一組，可以分為“四組合”和“三組合”兩種方法?！八慕M合接地法”分設(shè)4組接地通道：小信號電路地，包括低電平電路、 A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路等，因其工作電平 低、信號幅值小而易受到干擾，因此單獨設(shè)地線；大信號地，包括高電平電路、末級驅(qū)動放大器、大功率電路等 因其工作 電流較大，地線中的電流也較大，因此必須和小信號電路的地線分開設(shè)置， 以避 免通過地線的鍋

33、臺對小信號電路造成干擾；干擾源地，包括電動機、繼電器、接電器等，因其工作時產(chǎn)生的火花或沖 擊電流等對信號檢測、處理、放大電路產(chǎn)生嚴重的干擾，因此除采取屏蔽隔離技 術(shù)外，地線必須分設(shè)；金屬構(gòu)件地、包括機殼、底板、面板等，為了防止發(fā)生人身觸電事故、外 界電磁場的干擾以及摩擦產(chǎn)生靜電等，必須將機殼等部件接地?！八慕M合接地法”由于將系統(tǒng)中的地劃分為4部分設(shè)置地線、是比較完善的 接地設(shè)計。有時為簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計及地線設(shè)計，可以將四組合接地中的其中2組合 并，成為“三組合接地法”。如將小信號電源地線、大信號電源地線和干擾源地 為分別為一組，金屬構(gòu)件的接地線省略，單元電路的地直接接到底板上底板和機殼連接在一起；

34、也可以將大信號電路及干擾源兩者的地線合并，同時接觸器、 繼電器需采取密封屏蔽措施。“三組合接地”，使接地大大簡化.結(jié)構(gòu)上便于處理。 數(shù)字地和模擬地在微機控制的VFD中。數(shù)字地和模擬地要避免有共同回路。A/D、D/A等芯片均提供了獨立的模擬地與數(shù)字地的引腳，在設(shè)計裝配時，應(yīng)將所在芯片的模擬 地和數(shù)字地引腳分別相連，而其公共端僅在一點相接，切不可多點共地。該公共 點應(yīng)盡量靠近信號源（對模擬輸入而言）。繼電器、接觸器的接地驅(qū)動繼電器，接觸器等開關(guān)器件的電源系統(tǒng)，由于電源線上存在著因線圈突 變磁場和觸點斷開瞬間產(chǎn)生的電弧而產(chǎn)生的噪聲， 不適宜再用來向控制電子電路 供電。開關(guān)電器電路應(yīng)該單點接地，并應(yīng)在

35、最大電流匯結(jié)處接地，電源線和回線 應(yīng)緊靠在一起，使它們構(gòu)成的面積最小。屏蔽體接地為了減少電路間不需要的禍合，在系統(tǒng)中往往設(shè)置許多屏蔽體。在VFD中，各種屏蔽體都應(yīng)使用短、粗、直的接地線以做到良好接地屏蔽體應(yīng)與地之間實現(xiàn)低阻抗聯(lián)接屏敝與隔離屏蔽是降低系統(tǒng)電磁干擾的可行方法，隔離是斷開地環(huán)路禍合的有效途徑。 屏蔽指利用金屬板、網(wǎng)或者盒將電磁場限制在一定的空間， 或?qū)㈦姶艌鰪姸冉档?到一定數(shù)量級的措施。通?？煞譃殪o電屏蔽、電磁屏蔽和磁屏蔽。靜電屏蔽是為了防止靜電場的影響，通常利用低電阻金屬材料容器使其內(nèi)部 的電力線傳不到外部，同時外部的電力線也不影響內(nèi)部，用以消除兩個電路間由 于分布電容藕合而產(chǎn)生的

36、干擾。在變頻系統(tǒng)中，電機電樞傳輸線與其它傳輸線間 的電容性藕合和電感性藕合是系統(tǒng)中的一種主要干擾源，因而需要用靜電屏蔽的辦法加以抑制，電樞傳輸線和敏感器件傳輸線均需采用雙絞線電纜屏蔽。有時除傳輸線需要屏蔽外，在結(jié)構(gòu)布局設(shè)計上，往往采用低電阻的金屬板（銅板或鋁板） 將功率轉(zhuǎn)換電路中功率開關(guān)與其它電路隔離開來，即安裝EMI保護罩。電磁屏蔽主要用來抑制高頻開關(guān)干擾，它利用電磁場在屏蔽體內(nèi)產(chǎn)生渦流而 起屏蔽作用，使用的材料和靜電屏蔽相同，只是后者接地才有效，而對于電磁屏 蔽.即使不接地，對抑制高頻電磁干擾也是有效的。但由于導(dǎo)體沒有接地，因靜 電禍合效應(yīng)，也增加了對干擾電壓的感應(yīng)所以在VFD中，屏蔽接地

37、兼有靜電屏 蔽和電磁屏蔽的作用。為防止磁路禍合用高磁導(dǎo)率的材料將相關(guān)部分隔離。另外，在變頻調(diào)速系統(tǒng)中廣泛使用開關(guān)電源， 盡管它有眾多優(yōu)點，但存在較 嚴重的射頻干擾。所以在設(shè)計結(jié)構(gòu)時.一定要考慮電磁屏蔽，應(yīng)把存在嚴重干擾 源的印刷板（如開關(guān)電源板，數(shù)字電路板）與模擬信號、微弱信號檢測放大的印刷 板間屏蔽隔離，或者在底板上對某些器件（如接觸器、GTR勸口隔板、圍框、盒 罩，在印刷板上對某些器件加圍框或盒罩等。隔離是消除因地環(huán)路而引起的公共阻抗藕合干擾的有效措施。一般的隔離方法是采用隔離變壓器、隔離放大器或光電藕合器。由于光藕具有單方向傳遞信號 的頻帶寬、抗干擾能力強、絕緣電壓高、體積小、成本低、耐

38、沖擊振動等顯著優(yōu) 點，故在變頻系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。差分電路和平衡電路均可以減小地環(huán)流， 起到抑制干擾的作用。4.3.2濾波濾波是抑制噪聲傳導(dǎo)的最有效的手段之一，其實質(zhì)是將信號頻譜劃分為有用頻率分量和干擾頻率分量，剔除干擾部分。濾波器根據(jù)頻率特性可分成以下4類：低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器。常用方法有后述幾種。電網(wǎng)噪聲濾波器不干凈的電網(wǎng)電源本身就是一個噪聲源。 電源進線、輸出線更易拾取工業(yè)現(xiàn) 場的各種干擾噪聲?？梢圆捎酶哳l電感與旁路電容以防止從交流進線引入高頻噪 聲；在主電路的輸入端接入交流電抗器或?qū)Ｓ玫摹盁o線電抗干擾濾波器”，可以有效地抑制干擾。直流電源的去禍濾波：控制電路共用

39、電源是引起干擾的主要原因。 常在供電電路中接入由電阻和電 容構(gòu)成的去藕濾波電路，有助于減小電源線過長引起的電感效應(yīng)。 為了使去藕作 用能在較寬的頻帶內(nèi)起作用，有時還在電解電容器兩端并聯(lián)一個小電容量的瓷介 電容器，以彌補大容量低頻電容器因引線電感在高頻時感抗變大而對高頻失去的 去信號濾波器變頻系統(tǒng)在工業(yè)環(huán)境中可以利用小體積的無源 RC尤其構(gòu)成閉環(huán)反饋時為 避免交流噪聲及諧波成分，一階濾波電路。為有效抑制強干擾、且不增大時間常 數(shù)，可采用二階有源低通濾波器。4.3.3微機系統(tǒng)的電磁兼容問題變頻傳動系統(tǒng)的核心控制單元是微機系統(tǒng)。為保證微機控制系統(tǒng)在工業(yè)環(huán)境 中免受電磁干擾，除以上介紹的措施外，還要注

40、意下列問題：1）電源系統(tǒng)的干擾抑制要考慮到微機控制系統(tǒng)通常是由交流電源供電的，工業(yè)現(xiàn)場的電源中存在大量的電磁噪聲， 直接影響微機工作的可靠性。因此，可在 微機系統(tǒng)與供電電源間加入專用隔離變壓器、 交流電源濾波器或采取電源分組供 電的方式;微機或單片機的最小系統(tǒng)板、仿真器應(yīng)采用穩(wěn)壓性能好、紋波系數(shù)小 的整流穩(wěn)壓電源，甚至應(yīng)用二次穩(wěn)壓電源；為防止各芯片工作時發(fā)出的不同頻率信號通過電源藕合造成的互相干擾，應(yīng)并接10 一 lOOyF低頻電解電容和0.01一 0.1 H高頻陶瓷電容。2）輸入和輸出通道抗干擾的考慮。在不影響采樣速度的前提下，模擬量檢測 通道輸入加RC濾波器；設(shè)置隔離電路，用光禍等器件把模

41、擬地、信號地、功率 地與數(shù)字地全都加以隔離，使共模干擾不能構(gòu)成回路 ；檢測電路中采用差動放大 器；對于特別惡劣的電磁環(huán)境，由傳感器輸入微機的測量信號線應(yīng)考慮采用光纖 傳輸線。3）布線的抗干擾措施：電路連線要短，對一般信號傳輸線可采用雙絞線；對 重要的控制信號傳輸線，除自身采用同軸電纜加以屏蔽外，在敷設(shè)時還應(yīng)專設(shè)屏 蔽槽或穿線鐵管進行2次屏蔽;信號線與電源線必須分開布線，特別是信號線不 能與交流供電線平行布線，并應(yīng)相距一定距離；各種信號線要盡量分開獨立布線， 交流、直流線要分開，輸入、輸出線要分開，并遠離強電設(shè)備等干擾源?？闺姶鸥蓴_的軟件措施把微機的硬件和軟件結(jié)合起來處理 EMI是微機的優(yōu)越性之

42、一。用適當?shù)某绦蚺懦M入微機系統(tǒng)的電磁干擾，實質(zhì)上是充分利用微機特有的存儲程序、 邏輯處 理和高速運算功能，使控制系統(tǒng)能夠及時識別錯誤并處理， 從而保證微機始終保持在正常情況下有效地工作。軟件抗干擾的手段主要有：數(shù)字信號多次讀入。保證每次的采樣信號絕對一致；數(shù)字信號多次讀出；模擬量輸入的數(shù)字濾波處理。數(shù) 字濾波由于成本低、可靠性高、調(diào)試靈活、功能強等優(yōu)點，在微機系統(tǒng)中得到了 廣泛的應(yīng)用。4.3.4數(shù)字濾波數(shù)字濾波方法很多，需要注意的是應(yīng)該根據(jù)實際信號特性選擇適合的方法。F面概述常用的幾種數(shù)字濾波技術(shù)。I）算術(shù)平均值法：常用于存在周期性干擾的情況，取連續(xù) N個采樣數(shù)據(jù)x.（i=l ，2,，N）的

43、算術(shù)平均值作為輸入信號2）滑動平均值法：對于硬件采樣速度慢或?qū)Σ蓸铀俣纫蟾叩膶崟r系統(tǒng)，為保證必要的速度，可以將采樣得到的（N 一 1）個數(shù)據(jù)按時間順序存放在存儲器中， 以后每采樣1個新數(shù)據(jù)，就取最新的N個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，最后一個舊數(shù)據(jù)滑3）防脈沖干擾平均值法：由于脈沖干擾的無規(guī)律性，可在軟件上采取 n次排 隊取中值的方法，以某一采樣周期連續(xù)采樣若干次，從所得的I組數(shù)中去掉認為 最不可能的數(shù)據(jù)，取剩余數(shù)據(jù)的平均值，便能得到與實際值相近的數(shù)據(jù)。如對輸 入量采樣12次，去掉其中的最大值和最小值，取余下的10個采樣數(shù)據(jù)的平均值作為實際值，即|174）中值與限幅雙重濾波法:這種方法是把本米樣周期內(nèi)經(jīng)

44、n次米樣排隊中值后的數(shù)值與前次采樣經(jīng)濾波后的數(shù)值相減， 再將差值與限幅值比較，若差值小于限幅值，則取本次的中值作為本次的采樣濾波值， 否則便作為出錯處理。限幅值 應(yīng)根據(jù)被控對象在正常運行時可能出現(xiàn)的最大值或最小值來確定。5）加權(quán)濾波法：速度較快，實時性強適用于快速系統(tǒng)其計算公式如下式中匕第用次采樣濾波后的數(shù)值：耳第F次集祥濾波后的數(shù)值;兒第n撫采樣濾波前的數(shù)值;0第0次權(quán)值;0第n次權(quán)值.至于權(quán)系數(shù)氏，通常需要在現(xiàn)場經(jīng)多次試驗后才能確定。除上述措施外，還可以采用軟件冗余技術(shù)，即設(shè)置備用程序或設(shè)置“軟件陷阱”，即在程序可能跑飛的空間強制執(zhí)行I條指令.使程序跳轉(zhuǎn)到程序復(fù)位地址。同時，要解決程序跑 飛問題，還必須加上軟、硬件結(jié)合的監(jiān)控定時器（watchdog）系統(tǒng)，以及采用軟件 容錯技術(shù)。使系統(tǒng)的誤動作減少。五、變頻器