详解变频器的干扰问题与处理方法.docx

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1、详解变频器的干扰问题与处理方法目录前言11.电磁兼容的概念1?电磁兼容的三要素2?电磁干扰源2?耦合途径3?传导耦合3?电容耦合5?电感耦合7?辐射干扰7?敏感设备8?工业现场常见的干扰的类型8? ?浪涌8? ?谐波干扰10?快速脉冲群干扰11?静电干扰13?辐射干扰15?工业设备的接地15?变频器的施波器和磁环20前言随着变频器应用的普及，由变频器产生的干扰问题也变得越来越突出，本 文将为最终用户详述EMC的相关知识，解决一些工程设备在工厂测试时一切正 常，但安装到现场就会出现和干扰相关的问题的原因，针对这些干扰现象将给 出相对应的解决方案。1 .电磁兼容的概念电磁兼容性(EMC)是指设备或

2、系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其 环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此，EMC包括两个方面的要求，一方面是指设备在正常运行过程中对所 在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中 存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。在国际电工委员会标准IEC中，对电磁兼容EMC（Electromagnetic COmPatibility）的定义为系统或设备在所处的电磁环境中能正常工作，同时不会 对其他系统和设备造成干扰。EMC包括EMI（电磁干扰）及EMS（电磁耐受性）两部分，所谓EMI电磁干扰, 是机器本身在执行应有功能的过程中所产生不利于其它系统的

3、电磁噪声；而 EMS则是指机器在执行应有功能的过程中不受周围电磁环境影响的能力。各种电气或电子设备在电磁环境复杂的共同空间中，以规定的安全系数满 足设计要求的正常工作能力。也称电磁兼容性。它的含义包括：电子系统或设备之间在电磁环境中的相互兼顾。电子系统或设备在自然界电磁环境中能按照设计要求正常工作。EMC在我们生活、工业设备等等是非常普遍的，可以说是无处不在，例如 我们在打座机电话时如果附近有手机在接收短信时，听筒会出现口兹啦口兹啦的噪 音，这就是常见的EMC现象。还有日常使用的微波炉，在前面板和外壳必须使 用电磁屏蔽，自然界中的闪电，人手上的静电等等这些都是常见的EMC现象。另外，在工业现场

4、中，变频器、整流器、电焊机等设备对PLC的干扰，步 话机对其它设备的干扰等等。电磁兼容的三要素系统要发生电磁兼容性问题，必须存在三个因素，即电磁干扰源、耦合途 径、敏感设备。所以，在遇到电磁兼容问题时，要从这三个因素入手，找到造 成干扰的根本原因，在工程实践中，往往要采取多种措施，才能解决电磁兼容 问题。电磁干扰源电磁干扰源分为自然的和人为的两种。自然干扰源主要包括大气中发生的各种现象，如雷电等产生的噪声。自然 干扰源还包括来自太阳和外层空间的宇宙噪声，如太阳噪声、星际噪声、银河噪声等。人为干扰源是多种多样的，如电铃、气体整流器、手机、电热器、步话机、 软起动器、变频器、伺服、整流器、接触器、

5、中间继电器、开关、荧光灯、发 动机点火系统、电弧焊接机、可控硅、逆变器、电晕放电、各种工业、科学和 医用高频设备、电气铁道引起的噪声以及由核爆炸产生的核电磁脉冲等。耦合途径即传输电磁干扰的通路或媒介。电磁干扰传播途径一般也分为两种：即传 导耦合方式和辐射耦合方式。耦合途径的详细划分如图1所示。传导揩合电磁干扰相合途径V1辐射耦合电路性耦合直接传导耦合电容性耦合电感性耦合+r4-4/公共阻抗揭合公共阻抗耦口 t共电源磔转移阻抗祸合f天线与天线的稿合场耦合与电缆的相合I导线与导线的相合图1电磁干扰的耦合途径划分传导耦合传导耦合是干扰源与敏感设备之间的主要耦合途径之一。传导耦合必须在干扰源与敏感设备

6、之间存在有完整的电路连接，电磁干扰 沿着这一连接电路从干扰源传输电磁干扰至敏感设备，产生电磁干扰。传导耦合的连接电路包括互连导线、电源线、信号线、接地导体、设备的 导电构件、公共阻抗、电路元器件等。传导耦合按其耦合方式可以划分为三种基本方式：电路性耦合电容性耦合?电感性耦合实际工程中，这三种耦合方式同时存在、互相联系。其中：电路性耦合是最常见、最简单的传导耦合方式。最简单的电路性传 导耦合模型如图2所示。开路时，电路1耦合到电路2的电压为2 Z+Z2 1当两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路的电流在该公共阻抗上 形成的电压就会影响到另一个电路，这就是共阻抗耦合，通过公共地线阻抗的 耦合如

7、图3所示，对于这种耦合应把接地线尽量缩短和加粗，降低公共地线阻 抗。电路1电路2：I1I I 地线电流IGlI地线电流G2 I电路J号地电压y公共地线阻抗电路2,地电压I=I 1图3两个设备同时接一个公共地线出现的公共阻抗干扰多个接地点因为对地阻抗不同将产生干扰电压，解决这个问题的办法是采 用一点接地，多个变频器的一点接地示意图如图4所示。ATV930ATV930ATV9306 B I共阻抗干扰的解决方法:让两个电流回路或系统彼此无关。信号相互独立，避免电路的连接，以避 免形成电路性耦合。限制耦合阻抗，使耦合阻抗愈低愈好，当耦合阻抗趋于零时，称为电路去 耦。为使耦合阻抗小，必须使导线电阻和导线

8、电感都尽可能小。电路去耦：即各个不同的电流回路之间仅在唯一的一点作电的连接，在这 一点就不可能流过电路性干扰电流，于是达到电流回路间电路去耦的目的。隔离：电平相差悬殊的相关系统(比如信号传输设备和大功率电气设备之 间)，常采用隔离技术电容耦合电容性耦合(The Capacitive CoUPling)也称为电耦合，它是由两电路间的电 场相互作用所引起。一对平行导线所构成的两电路间的电容性耦合模型及其等 效电路如图5所示。图5耦合模型和等效电路Un的等效公式如下:UN) C12R u1 + j G R(CI2 + Qg)当如果R为低阻抗，且满足j (C12 +Cg)那么，以上公式可简化为UNjC

9、12RUl电容性耦合的干扰作用相当于在导体2与地之间连接了一个幅度为In = jC12Ul的电流源。此公式是描述两导体之间电容性耦合的最重要的公式，它清楚地表明了拾 取(耦合)的电压依赖于相关参数。假定干扰源的电压Ul和工作频率f不能改变，这样只留下两个减小电容性 耦合的参数C12和Ro减小耦合电容的方法：干扰源系统的电气参数应使电压变化幅度和变化率尽可能地小；被干扰系统应尽可能设计成低阻；两个系统的耦合部分的布置应使耦合电容尽量小。例如电线、电缆系统，则应使其间距尽量大，导线尽量短，并且要避免平行走线；可对干扰源的干扰对象进行电气屏蔽，屏蔽的目的在于切断干扰源的导体 表面和干扰对象的导体表面

10、之间的电力线通路，使耦合电容变得最小。电感耦合电感耦合(IndUetiVe CoUPling)也称为磁耦合，它是由两电路间的磁场相互作 用所引起。当电流I在闭合电路中流动时，该电流就会产生与此电流成正比的磁 通量。电感的值取决于电路的几何形状和干扰源和敏感电路的环路面积、方向、 距离以及干扰源和敏感有无屏蔽。电动势的公式是：抑制电感耦合的方法：干扰源系统的电气参数应使电流变化的幅度和速率尽量小；被干扰系统应该具有高阻抗；减少两个系统的互感，为此让导线尽量短，间距尽量大，避免平行走线， 采用双线结构时应缩小电流回路所围成的面积；对于干扰源或干扰对象设置磁屏蔽，以抑制干扰磁场。采用平衡措施，使干扰

11、磁场以及耦合的干扰信号大部分相互抵消。如使被 干扰的导线环在干扰场中的放置方式处于切割磁力线最小，两根导线垂直，则 耦合的干扰信号最小；另外如将干扰源导线平衡绞合，可将干扰电流产生的磁 场相互抵消国辐射干扰当敏感设备离干扰源比较远时，干扰通过其周围的媒介以电磁波的形式向 外传播，干扰电磁能量按电磁场的规律向周围空间发射。辐射耦合的途径主要有天线、电缆、导线、机壳的发射对组合。通常将辐射耦合划分为三种，即天线与天线的耦合、场耦合与电缆的耦合 以及导线与导线的耦合。其中，工业现场主要是场与线的耦合，指的是空间电磁场对存在于其中的 导线实施感应耦合，从而在导线上形成分布电磁干扰源；另外，设备的电缆线

12、一般是由信号回路的连接线、电源回路的供电线以及 地线一起构成，其中每一根导线都由输入端阻抗、输出端阻抗和返回导线构成 一个回路。因此，设备电缆线是设备内部电路暴露在机箱外面的部分，它们最 容易受到干扰源辐射场的耦合而感应出干扰电压或干扰电流，沿导线进入设备 形成辐射干扰。对于导线比较短、电磁波频率比较低的情况，读者可以把导线和阻抗构成 的回路看作为理想的闭合回路。电磁场通过闭合回路引起的干扰属于闭合回路 耦合。对于电缆比较长、电磁波频率比较高的情况，导线上的感应电压是不均匀 一致的，需要将感应电压等效成许多分布电压源，采用传输线理论来处理。抑制辐射干扰的措施：辐射屏蔽：在干扰源和干扰对象之间插

13、入一金属屏蔽物，以阻挡干扰的传 播。距离隔离：拉开干扰源与被干扰对象之间的距离，这是由于志在近场区， 场量强度与距离平方或立方成比例，当距离增大时，场衰减很快。对于场对电缆的辐射干扰一般要采取屏蔽的方法，对于变频器等设备来说, 使用RFl滤波器削弱传导干扰，同时削弱辐射干扰，另外接线要遵守变频器的 接线规则。敏感设备实际工程中。敏感设备受到电磁干扰侵袭的耦合途径是传导耦合、辐射耦 合、感应耦合以及它们的组合。敏感设备(ViCtim)是指当受到电磁干扰源所发出 的电磁能量的作用时，会受到伤害的将发生电磁危害，导致性能降级或失效的 器件、设备、分系统或系统。许多器件、设备既是电磁干扰源又是敏感设备

14、。 工业现场常见的敏感设备包括PLC、现场仪表等。?.工业现场常见的干扰的类型工业现场常见的干扰类型有浪涌、谐波干扰、快速脉冲群干扰、静电干扰 和辐射干扰等等类型。?. 1.浪涌浪涌也叫突波，通俗点说就是超出正常工作电压的瞬间过电压。从本质上 讲，浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲。可能引起浪涌的原因有重型设备、短路、电源切换或大型发动机。目前实 验证明含有浪涌阻绝装置的产品是可以有效地吸收突发的巨大能量，以保护连 接设备免于受损的。其中，雷击引起的电涌危害最大，在雷击放电时，以雷击为中心1.52kM 范围内，都可能产生危险的过电压。雷击引起（外部）电涌的特点是单相脉冲型， 能

15、量巨大。外部电涌的电压在几微秒内可从几百伏快速升高至20kV,可以传输 相当长的距离。按ANSI/IEEE C62.41-1991说明，瞬间电涌高达20kV,瞬间电流可达10kA） 根据统计，系统外的电涌，主要来自于雷电和其它系统的冲击，大约占20%, 雷电的浪涌电压如图6所示。Duree du front:1 1.67 T = 1.2 s 30 %Duree jusqua Ia mi-valeur: T2 = 50 s 20 %图6浪涌电压的波形雷击产生的危害主要包括以下几个方面：感应雷击电涌过电压：雷击闪电产生的高速变化的电磁场，闪电辐射的电 场作用于导体，感应很高的过电压，这类过电压具有很陡的前沿并快速衰减。直接雷击电涌过电压：直接落雷在电网上，由于瞬间能量巨大，破坏力极 强，还没有一种设备能对直接落雷进行保护。雷击传导电涌过电压：由远处的架空线传导而来，由于接于电力网的