低压变频器的电磁兼容性及其试验

内容提要：本文为变频调速装置系列标准介绍的第二篇。主要介绍《GB/T12668.3-2003调速电气传动系统 第3部分：产品的电磁兼容性标准及其特定的试验方法》有关低压变频器的电磁兼容性及其试验，其中抗扰度要求与安全性的最低要求是国家规定的强制性要求。 1 电磁兼容(EMC)技术 1.1 电磁兼容现象综述 　　什么是电磁兼容(EMC)？电磁兼容是指在电磁环境中的装置，要具有良好工作能力，而不对在此环境中工作的其他装置产生不能接受的电磁骚扰。电气设备或系统总是受外部电磁骚扰所困扰，另一方面，电气设备本身就是强、弱电不等的骚扰源。骚扰以不同的途径产生，但主要是由于电压、电流的突变引起的。如高能量的切换动力电源、短路、大电机起动引起的电压降、高频的分断短路电流、控制设备切换、雷电引起的过电压等。表1给出了电气设备的各类电磁兼容现象。 表1 EMC现象 1.2 变频器电磁兼容性分析 　　电磁兼容性更多地适于环境而不都是与产品本身相关，民用环境中发射限值与工厂里轧机所用的限值完全不同。抗扰度是描述装置在遭受电磁噪声/骚扰时抵抗能力。 (1)变频器作为噪声源 　　让我们看一个变频器(电压源)供电的系统(见图1)。这里变频器作为噪声源。它含有快速半导体开关，通过寄生电容Cp (每个开关翼部和电机电缆之间)对地流过脉冲型噪声电流。 (2)变频器作为噪声接受器 　　这里变频器作为噪声接受器(见图2)。把一个在装置中由于电容Ck耦合作用而产生的噪声电流Is看作噪声源，Is在阻抗Zi上产生压降。如噪声电流流经敏感电子元件板(如微处理器)，甚至ms级的小脉冲(刚刚几伏)，都能导致噪声。 (3)低压变频器兼容等级 　　低压变频器兼容等级典型值见表2. 表2 兼容等级典型值 2 标准主要内容 2.1 标准适用范围： 　　本标准不适用于牵引传动和电动车辆传动；适用于连接交流电源电压1kV以下、 50Hz或60Hz，负载侧频率达600 Hz的电气传动系统。高于1kV的电磁兼容性要求(正在制定中)，由制造厂/供货者和用户之间协议解决。 2.2 标准术语 (1)不受限销售：设备的供应与买主或用户对传动应用所具备的EMC技术能力无关的一种销售方式。 (2)受限销售：制造厂将设备只限制供应给单独或联合起来能满足电动机传动应用所具备EMC技术能力的供应商、买主或用户的一种销售方式。为深入理解，下面将二种销售方式作一对比，见表3。 表3 两种销售方式对比 (3) 第一类环境：民用环境，同时还包括那些不经过中间变压器而直接连接到向民用供电的低压供电电网的应用环境。 (4)第二类环境：除了直接连接到向民用供电的低压供电电网的应用环境之外的所有环境。即工业环境。用表4将两类环境的概念、差异性及应用作一对比： 表4两类环境的概念、差异性及应用对比 2.3 抗扰度要求 (1)抗电磁骚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影响程度(严酷等级)，分为A、B、C三类，见表5。 表5 检验低压变频器抗扰度的验收准则及等级 　　上表中按其对低压变频器的影响程度，A类是影响最轻(要求抗扰度最高)，最难做到。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) 基本抗扰度要求-低频骚扰 　　低频骚扰包括谐波和换相缺口/电压畸变；电压波动、电压跌落和短时中断；电压不平衡和频率变化；电源的影响等。每个制造厂可以用试验、计算或模拟方式验证其是否符合要求。 　　所谓低频骚扰指的是频率在0≤f＜9kHz范围内的骚扰。具体要求是： ____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。 瞬态条件下（少于15 s），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。 ___换相缺口 抗扰度等级为A类，试验周期为小于1小时。 ___电压波动-短时中断 规定持续时间小于1小时，抗扰度等级为A类。 ___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（PC）兼容性等级。 ___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。 ___对电源影响 工频磁场:用于发电厂，要进行脉冲磁场试验。 对中压或高压变电站-要进行阻尼脉冲磁场试验。 工频共振:是指出在受骚扰环境中电线超过2m会遇到干扰问题。 (3)基本抗扰度要求-高频骚扰： 　　所谓高频骚扰指的是频率在f ≥9kHz范围内的骚扰。例如：无线电干扰。判断高频骚扰抗扰度将分别对两类环境分开列出(见表6、表7)。 表6 第一类环境最低的抗扰度要求 表7 第二类环境的最低的抗扰度要求 　　对比上面两个表，可以看出第二类环境的电气传动系统最低的抗扰度要求，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。 2.4 发射要求 (1)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2kHz ～ 9kHz频率范围的谐波和谐间波)、电压波动、共摸谐波(变流器三相输出瞬时值不对称引起)发射等。 (2)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，没有对其它的装置和设备产生骚扰，所以它们是兼容的。对于传导性和辐射性的发射，原则是骚扰的可能性越高，其发射限值越要严格。 2.5 安全性的最低要求 (1) 抗扰度试验时，要将安全放在首位。 (2)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，由用户负责。 (3)与本部份相关的安全性 本标准给出的要求是对低压变频器的最低要求，并且是从安全角度出发提出的最低要求，而实际上对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。在有关标准中仍要制订其他安全要求。 3 试验 　　给出的实验是低压变频器专用的特定试验方法。规定的所有试验确保与基本的EMC要求一致，并且只是型式试验。试验应采用制造厂家推荐的布线方法来进行。 3.1 抗扰度试验 　　低压变频器的子部件，如电力电子电路、驱动电路、保护电路、控制电路及显示和控制面板，对电磁骚扰的抗扰度可通过各自的试验来验证。低压变频器的各个端口或接口的试验可从表6和表7中选取有关的试验方法和试验等级来进行。 3.2发射要求 　　低压变频器的低频领域中基本发射限值的试验是很困难的，也是不经济的，除非制造厂与用户有协议外，可通过计算或仿真来验证是否符合要求。高频试验条件包括一般测量要求(含传导与辐射)、连接要求，这几乎都与低压变频器的dv/dt值相关，可通过使其输出电流低于额定电流来获得。所以，这些试验都是轻载试验。要以定义明确且可复现的方式，对存在的相关端口逐个进行这些试验。 3.3 试验报告 　　应以试验报告的形式确认试验结果。报告明确与试验相关信息(如负载条件，电缆敷设等)，制造厂应提供功能说明以及验收准则中技术规范限值的定义，并在试验报告上纪录。 3.4 用户文件 　　制造厂要向使用者提供正确安装到所应用的环境中所有文件。 4 依照EMC导则进行传动系统设计 　　我们推荐国外成功经验见图3，列出西门子公司设计手册中提出的设计原则。供大家学习标准，贯彻标准时参考。 规则1～13为通用规则，规则14～19偏重于限制噪声的发射。 　　规则1：接地原则，也称抗骚扰接地。所有柜体金属部分必须通过最大可能表面积进行连接。柜门必须通过尽可能短的接地线同柜子相连。安装接地是生产机械一项根本保护措施。但是在传动系统情况下，它将影响噪声发射和抗扰度。一般系统或者采用星形方法接地，或采用每个元件单接地。但应优先采用后一种接地系统，即使系统安装的所有部件通过它们的表面或在一个网路结构中进行接地。 　　规则2：信号电缆和动力电缆必须分开敷设（为了消除耦合噪声）。最小间隔20cm。在动力电缆和信号电缆之间设计隔板，隔板沿其长度上必须有几个接地点。 　　规则3：柜中接触器、继电器、电磁操作机构及其电磁操的元件，必须使用抑制元件，如RC、二极管、压敏电阻。这些抑制元件必须直接接在线卷上。 　　规则4：在同一电路中（出口和入口导体）的非屏蔽电缆必须绞接，或在出口和入口导体间的表面尽可能小，以防止不<