使用變頻器時的電磁兼容性

電磁兼容性 (EMC) 這是電氣或電子設備在存在電磁場的情況下正常運行的能力。同時，設備不得乾擾附近其他設備或系統的運行。

國際能源委員會 (IEC) EMC 指令規定了歐洲經濟區使用的電氣設備的抗擾度和輻射要求。 EMC EN 61800-3 標準涵蓋了對變頻器的要求。

變頻器僅在電源正弦波的瞬時值高於直流鏈路電壓（即在峰值源電壓區域。結果，電流不是連續流動的，而是斷斷續續的，具有非常高的峰值。

這種類型的電流波形包括基本頻率分量，或多或少的高比例諧波分量（電源諧波）。

在三相變頻器中，它們主要由5次、7次、11次和13次諧波組成。這些電流會導致電源電壓波形失真，從而影響同一網絡中的其他用電設備。

此外，交流電引起的波動 功率因數校正電路 在一些可能導致過電壓的臨界條件下。

在以下情況下，條件很關鍵：

• 至少 10 - 20% 的裝置功率由變頻器的逆變器和不可控整流器形成；

• 補償電路不間斷工作；

• 最低補償級與電源變壓器一起創建諧振電路，諧振頻率接近 50 Hz 的 5 次或 7 次諧波，即大約 250 或 350 赫茲。

由於逆變器晶體管在 脈衝寬度調製 觀察到聲學效應，這對電網和電動機有負面影響。

逆變器晶體管開關的快速切換會產生寬帶乾擾信號，通過電機電纜影響環境。由 PWM 和 DTC 控制電壓間隔引起的電感的連續變化導致電機鐵芯片長度的輕微變化（磁致伸縮），從而導致電機定子鐵芯疊層中的特徵調製噪聲。

變頻器輸出電壓為高頻 矩形脈衝序列 具有相同幅度的不同極性和持續時間。電壓脈衝前沿的陡度由逆變器功率開關的開關速度決定，並且在使用不同的半導體器件時會有所不同（例如：對於 IGBT晶體管 即 0.05 — 0.1 微秒）。

具有陡峭前沿的脈衝信號的通過會導致電纜中的波過程並導致電機端子中的過電壓。

電機電纜的長度取決於通過它傳播的高頻波（脈衝前沿）的長度。關鍵是電纜長度等於電壓脈衝施加到感應電機繞組的波長的一半，這是幅度接近直流母線電壓的兩倍。

在電壓等級為 0.4 kV 的電力驅動器中，過電壓可達 1000 V。這個問題稱為長電纜問題。

帶有輸入和輸出濾波器的變頻器框圖

為了滿足 EMC 標準的要求，變頻器驅動器中使用了線路扼流圈和 EMC 濾波器。

EMC 濾波器可降低換能器發出的噪聲，對於大多數類型的換能器，出廠時已內置在探頭外殼中。線路電抗器旨在降低高浪湧電流，從而降低線路電流的諧波，並改善調頻驅動器的浪湧保護。

“長電纜”問題的解決方案是需要應用技術解決方案來限制電動機端子中的過電壓和浪湧電流。其中包括安裝輸出扼流圈、濾波器、正弦濾波器。

變頻器接線圖

輸出扼流圈主要用於限制由於電纜插座過度充電而在長電機電纜中出現的電流尖峰，並略微降低電機端子處的電壓升高，但它們不會降低電機端子處的電壓峰值。

線性扼流圈

濾波器通過限制電壓上升並將電機端子處的電壓峰值降低到非臨界值來保護電機絕緣，同時濾波器降低電纜容器定期充電時出現的電流峰值。

EMC 濾波器

正弦濾波器在轉換器的輸出端提供接近正弦的電壓。

此外，正弦濾波器將電機端電壓的上升率降低到一個值，去除電壓尖峰，減少電機中的附加損耗並降低電機噪音。

對於長電機電纜，正弦濾波器可減少電纜容器定期充電產生的電流峰值。

除了上述限制電動機端子浪湧電壓的方法外，還應注意兩種解決長電纜問題的有效方法，這兩種方法不需要大量投資，用戶可以直接進行：

1、在變頻器輸出端加裝串聯LC—濾波器，降低變頻器輸出電壓脈衝前沿的陡度；

2.將並聯 RC 濾波器直接安裝到電機端子以匹配電纜的波阻抗。

除了上述保證電磁兼容性的方法外，還需要注意的是變頻器與電動機之間的連接需要使用屏蔽電纜。為有效抑制輻射高頻干擾，屏蔽層的導電率至少應為相導體導電率的1/10。

允許評估屏幕電導率的參數之一是它的電感，它應該很小並且盡可能少地依賴於頻率。使用銅或鋁屏蔽（鎧裝）很容易滿足這些要求。

連接變頻器和電機的電纜的屏蔽層必須在兩端接地。屏蔽層越好越緊，輻射水平越低，電機軸承中的電流幅度也越小。

變頻器電機電纜屏蔽

屏蔽層由同心銅線層和盤繞銅帶組成。

通常，控制電纜的屏蔽層直接接地到變頻器。屏蔽層的另一端不接地或通過幾 nF 的高壓高頻電容器接地。

建議使用帶兩層屏蔽層的雙絞線連接模擬信號。還建議使用這種電纜連接來自脈衝速度傳感器的信號。每個信號應使用一根帶有單獨屏蔽層的電纜。

對於低壓數字信號，也推薦使用雙屏蔽雙絞線，但也可以使用多根共用屏蔽層的雙絞線。

雙屏蔽雙絞線電纜（a）和帶有多對雙絞線和一個公共屏蔽層的電纜（b）