变频器的电磁兼容及抑制
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例 2,某变频控制系统 ,由 3台变频器组成 ,这 3 台变频器被安装在同一控制柜体内 ,变频器调频方 式均为电位器手调方式 ,单独运行某一台变频器时 , 工作正常 ,任意两台或 3台同时运行时 ,变频器的设 定频率有时会突然发生抖动和漂移 ,甚至有时会莫 名其妙的停机 。这显然是由于变频器之间相互谐波 干扰引起的 。解决办法 :把电位器到各自变频器的 引线改用屏蔽信号线且屏蔽层可靠接地 ,同时将变 频器到电动机的连接线改成屏蔽电缆 ,且将电机的 地线与变频器的地 ( PE)相连 ,经过这样处理后 ,干 扰基本被消除 ,故障被排除 ,系统能正常运行 。
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电压波形和电流波形发生畸变 。图 2 ( a)为变频器 的整流电路 ,三相交流电经全波整流后 ,由电容进行 滤波 。图 2 ( b)画出了以 A 相为例的输入电压与电 流波形 ,可以看出 ,输入电流的波形发生了畸变 。
1. 3 变频器输出侧产生的高次谐波 变频器的输出电流和输出电压均有高次谐波 ,
对电压及电流波形 ,通过傅立叶分析 ,可得出各 次谐波的含量 。高次谐波电流对负载直接干扰 ;另 外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射 ,干扰邻近 电气设备 。
1. 4 变频器的电磁兼容性 ( EMC)
通常变频器能够运行在一个可能存在着较高电 磁干扰 ( EM I)的工业环境中 ,此时它即是噪声发射 源 ,可能又是噪声接受器 。 1. 4. 1 变频器作为噪声发射源
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基于基波的谐波的电流 百分比
4%进线阻抗 100. 0 76. 2 41. 3 14. 3 6. 3 6. 3 3. 2 100. 0 39. 4 14. 7 6. 9 3. 4
变频器的输入部分是整流电路 ,它具有非线性 特性 ,因此 ,产生高次谐波 ,此高次谐波将使输入的
收稿日期 : 2005 - 02 - 18 修订日期 : 2005 - 04 - 08 作者简介 : 朱玉堂 (1973 - ) ,男 ,浙江湖州人 ,硕士研究生 ,研究方向 :电气自动化 。
机电工程 2005年 第 22卷 第 5期 Mechanical & Electrical Engineering Magazine Vol. 22 No. 5 2005
1 变频器及其电磁兼容
1. 1 变频器的工作原理
图 1 电压源型变频器功能结构框图
图 1 为电压源型交 - 直 - 交变频器的结构框 图 ,由图可知 ,该变频器的主回路由整流器 、DC 环 节 、逆变器组成 。整流器将输入的交流电通过功率 二极管变成直流 。DC环节由大电容组成 ,该环节除 了滤波和缓冲负载的无功功率外 ,同时还使主回路 的直流电压保持平稳 。逆变器的作用是在 PWM 控 制器的控制下 ,将经过 DC 环节处理过的直流电变 成频率可调 、宽度可变的矩形波电压 。 1. 2 变频器输入侧产生高次谐波
图 2 变频器的输入电流波形
对输入电流进行频谱分析后 ,可以看到其 5次 、 7次谐波分量是很大的 ,比基波分量小不了多少 ,如 图 3所示 ,其纵坐标为谐波分量幅值与基波分量幅 值的比值 。这些高次谐波将干扰输入供电系统 。
图 5 变频器输出电压和电流波形
图 3 输入电流的频谱分析 图 4 PWM 变频器逆变部分结构图
图 6 变频器的输出电压 U 和噪声电流 Is 的波形图
对于高频干扰电流 Is , 如果使用非屏蔽电机电
图 7 带有屏蔽电机电缆的噪声电流流向
机电工程 2005年 第 22卷 第 5期 Mechanical & Electrical Engineering Magazine Vol. 22 No. 5 2005
例 1,某变频恒压控制系统 ,变频器正常启动运 行后 ,压力计的反馈值不准且不稳 。有时实际压力 未达到设定上限值时 ,反馈值却达到上限 ,迫使变频 器停止运行 ,从而使恒压失败 。这显然是变频器的 高次谐波干扰压力计 ,干扰传播途径是压力计的电 源回路或信号线 。解决办法 :将压力计的供电电源 取自另一供电变压器 ,谐波干扰减弱 ,再将信号线改 成屏蔽线并穿入钢管敷设 ,屏蔽层接地 ,同时与变频 器主回路线隔开一定距离 ,经这样处理后 ,谐波干扰 被基本抑制 ,压力计工作正常 ,恒压得以实现 。
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1. 4. 2 变频器作为噪声接受器 图 8 中高频噪声电流 Is 可以通过电势和耦合
电容进入变频器并且在阻抗 Zi 上产生一个压降 ,导 致扰动噪声 ,此时变频器就成为噪声接受器 。
图 8 无屏蔽信号电缆的耦合电容
最有效的方法是严格隔离噪声源和信号电缆 , 且信号电缆的屏蔽一定要在两端接地 ,如图 9所示 。
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Mechanical & Electrical Engineering Magazine Vol. 22 No. 5 2005 机电工程 2005年 第 22卷 第 5期
变频器进线电压 /VAC
1相. 230
3相 , 230 (变频器 ≤22kW )
3相 , 230 (变频器 > 22kW )
关键词 :变频器 ;电磁兼容 ;谐波 ;措施 ;实例 中图分类号 : TM921. 51 文献标识码 : B 文章编号 : 1001 - 4551 (2005) 05 - 0040 - 05
The Convertor’s Electromagnetic Com pa tib ility and Its Suppression ZHU Yu - Tang, XU L i
在工业现场使用的各种电气设备 ,如 PLC、数控 设备 、变频器 、低压电器 、工控仪表等 ,都有自己的电 磁兼容标准 。国际电工委员会 ( IEC)对电磁兼容性 的定义是“电磁兼容性是电子设备的一种功能 ,电 子设备在电磁环境中能完成其功能而不产生不能容 忍的干扰 ”。我国最近颁布的“电磁兼容性 ”国家标 准中 ,对电磁兼容性作了如下定义 :“设备或系统在 其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事 物构成不能承受的电磁干扰 ”。显然电磁兼容性含 有双重含义 : 抗干扰性和干扰性 。
线 。低压数字信号线最好使用双屏蔽的双绞线 ,也 可以使用单屏蔽的双绞线 。模拟信号和数字信号的 传输电缆应该分别屏蔽和走线 。
(4)电动机电缆应独立于其它电缆走线 ,同时 应避免电机电缆与其它电缆长距离平行走线 ,用以 减少变频器输出电压快速变化而产生的电磁干扰 。 如果控制电缆和电源电缆交叉 ,应尽可能使它们按 90°角交叉 ,同时必须用合适的夹子将电机电缆和控 制电缆的屏蔽层固定到安装板上 。
图 4为变频器逆变部分的结构图 。 对于 PWM 控制的电压源型变频器 ,其输出电
压波形为矩形波 。其中谐波频率的高低与变频器调 制频率有关 ,调制频率低 (如 1～2kHz) ,人耳能听得 见高次谐波频率产生的电磁噪声 (尖叫声 ) 。若调 制频率高 (如 20kHz以上 ) ,人耳听不见 ,但高频信 号是客观存在 ,图 5 为变频器的输出电压和电流波 形。
变频调速具有回路简单 、功率因素高 、起动平 稳 、调速范围宽等优点 ,在电动机的各种调速方式 中 ,占有极其重要的地位 。变频器大多运行在恶劣 的电磁环境中 ,同时作为电力电子设备 ,他们内部由 电子元器件 、微处理芯片等组成 ,会受到外界的电磁 干扰 ;另外 ,变频器的输入和输出侧的电压 、电流含 有丰富的高次谐波 ,成为干扰源 ,对其他电子设备进 行干扰 。
3 工程实例及解决方法
图 9 使用屏蔽信号电缆增加抗干扰
2 将变频器 EMC 影响降为最小的措施
综合对变频器 EMC分析 ,结合工业现场和笔者 的工作调试经验 ,总结了以下几点将变频器 EMC影 响减为最小的措施 :
(1) 要确保电气传动柜中的所有设备接地良 好 ,要求使用短和粗的接地线连接到公共接地点或 接地母排上 。特别重要的是 ,连接到变频器的任何 控制设备 (比如一台 PLC)都要与其共地 ,供地时也 要使用短和粗的导线 。同时电机电缆的地线应直接 连接到相应变频器的接地端子 ( PE) 。
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3. 2
( 5 )如果变频器运行在一个对噪声敏感的环境 中 ,可以采用 RF I滤波器减小来自变频器的传导和 辐射干扰 。
(6)进线电抗器用于降低由变频器产生的谐 波 ,同时也可用于增加电源阻抗 ,并帮助吸收附近设 备投入工作时产生的浪涌电压和主电源的电压尖 峰 。进线电抗器串接在电源和变频器功率输入端之 间 。如果还使用了 RF I滤波器 ,则 RF I滤波器应串 接在进线电抗器和变频器之间 。当对主电源电网的 情况不了解时 ,最好加进线电抗器 。
(2)为有效的抑制电磁波的辐射和传导 ,用变 频器驱动的电动机电缆必须采用屏蔽电缆 ,屏蔽层 的电导必须至少为每相导线芯的电导的 1 /10。
(3) 控制电缆最好使用屏蔽电缆 。模拟信号的 传输线应使用双屏蔽的双绞线 。不同的模拟信号线 应该独立走线 ,有各自的屏蔽层 ,以减少线间的耦 合 。不要把不同的模拟信号置于同一个公共返回 230 (变频器 > 37kW )
谐波 (1 =基波 )
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表 1 变频器的谐波分量
基于基波的谐波电流 基于基波的谐波的电流
百分比
百分比
1%进线阻抗
2%进线阻抗
( Z hejiang U n iversity, Hangzhou 310027, Ch ina) Abstract: This paper analyzes the convertor’s components, develop ing p rincip le of harmonic wave, electromagnetic compatibility of the convertor。 Some measures which m inim ize the affection of convertor’s EMC and correlative engineering examp les are p roposed。 Key words: convertor; electromagnetic compatibility; harmonic wave; measure; examp les
图 6中的寄生电容 Cp 存在于电机电缆和电机 内部 ,变频器通过寄生电容将产生一个高频脉冲噪 声电流 Is ,此时变频器成为一个噪声源 。由于噪声 电流 Is的源是变频器 , 因此 , 它一定要流回变频器 。 图中 ZE为大地阻抗 , ZN 为动力电缆与地之间的阻 抗 。噪声电流流过此二阻抗所造成的电压降将影响 到同一电网上的其它设备造成干扰 。此外 ,变频器 的整流部分也会产生低频谐波 ,导致电网电压产生 畸变 。当电网的短路阻抗小于 1%时 ,建议加进线 电抗器来抑制低频干扰 。具体的谐波分量如表 1所 示 (数据来源于对西门子 MM3 变频器的测试 ) 。
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Mechanical & Electrical Engineering Magazine Vol. 22 No. 5 2005 机电工程 2005年 第 22卷 第 5期
变频器的电磁兼容及抑制
朱玉堂 ,许 力
(浙江大学 电气工程学院 ,浙江 杭州 310027)
摘 要 :对变频器的组成 、谐波产生原理 、电磁兼容进行了分析 ,给出了将变频器 EMC 影响减 为最小的措施以及相关的工程实例 。
100. 0 37. 8 13. 2 7. 1
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缆 ,则高频噪声电流 Is 以一个不确定的路线流回变 频器 ,并在此回路中产生高频分量压降 ,影响其它设 备 。为使高频噪声电流 Is 能沿着给定路线流回变 频器 ,需要采用屏蔽电机电缆 。电缆屏蔽层必须连 接到变频器外壳和电机外壳上 ,此时高频噪声可以 得到抑制 。
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电压波形和电流波形发生畸变 。图 2 ( a)为变频器 的整流电路 ,三相交流电经全波整流后 ,由电容进行 滤波 。图 2 ( b)画出了以 A 相为例的输入电压与电 流波形 ,可以看出 ,输入电流的波形发生了畸变 。
1. 3 变频器输出侧产生的高次谐波 变频器的输出电流和输出电压均有高次谐波 ,
对电压及电流波形 ,通过傅立叶分析 ,可得出各 次谐波的含量 。高次谐波电流对负载直接干扰 ;另 外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射 ,干扰邻近 电气设备 。
1. 4 变频器的电磁兼容性 ( EMC)
通常变频器能够运行在一个可能存在着较高电 磁干扰 ( EM I)的工业环境中 ,此时它即是噪声发射 源 ,可能又是噪声接受器 。 1. 4. 1 变频器作为噪声发射源
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基于基波的谐波的电流 百分比
4%进线阻抗 100. 0 76. 2 41. 3 14. 3 6. 3 6. 3 3. 2 100. 0 39. 4 14. 7 6. 9 3. 4
变频器的输入部分是整流电路 ,它具有非线性 特性 ,因此 ,产生高次谐波 ,此高次谐波将使输入的
收稿日期 : 2005 - 02 - 18 修订日期 : 2005 - 04 - 08 作者简介 : 朱玉堂 (1973 - ) ,男 ,浙江湖州人 ,硕士研究生 ,研究方向 :电气自动化 。
机电工程 2005年 第 22卷 第 5期 Mechanical & Electrical Engineering Magazine Vol. 22 No. 5 2005
1 变频器及其电磁兼容
1. 1 变频器的工作原理
图 1 电压源型变频器功能结构框图
图 1 为电压源型交 - 直 - 交变频器的结构框 图 ,由图可知 ,该变频器的主回路由整流器 、DC 环 节 、逆变器组成 。整流器将输入的交流电通过功率 二极管变成直流 。DC环节由大电容组成 ,该环节除 了滤波和缓冲负载的无功功率外 ,同时还使主回路 的直流电压保持平稳 。逆变器的作用是在 PWM 控 制器的控制下 ,将经过 DC 环节处理过的直流电变 成频率可调 、宽度可变的矩形波电压 。 1. 2 变频器输入侧产生高次谐波
图 2 变频器的输入电流波形
对输入电流进行频谱分析后 ,可以看到其 5次 、 7次谐波分量是很大的 ,比基波分量小不了多少 ,如 图 3所示 ,其纵坐标为谐波分量幅值与基波分量幅 值的比值 。这些高次谐波将干扰输入供电系统 。
图 5 变频器输出电压和电流波形
图 3 输入电流的频谱分析 图 4 PWM 变频器逆变部分结构图
图 6 变频器的输出电压 U 和噪声电流 Is 的波形图
对于高频干扰电流 Is , 如果使用非屏蔽电机电
图 7 带有屏蔽电机电缆的噪声电流流向
机电工程 2005年 第 22卷 第 5期 Mechanical & Electrical Engineering Magazine Vol. 22 No. 5 2005
例 1,某变频恒压控制系统 ,变频器正常启动运 行后 ,压力计的反馈值不准且不稳 。有时实际压力 未达到设定上限值时 ,反馈值却达到上限 ,迫使变频 器停止运行 ,从而使恒压失败 。这显然是变频器的 高次谐波干扰压力计 ,干扰传播途径是压力计的电 源回路或信号线 。解决办法 :将压力计的供电电源 取自另一供电变压器 ,谐波干扰减弱 ,再将信号线改 成屏蔽线并穿入钢管敷设 ,屏蔽层接地 ,同时与变频 器主回路线隔开一定距离 ,经这样处理后 ,谐波干扰 被基本抑制 ,压力计工作正常 ,恒压得以实现 。
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1. 4. 2 变频器作为噪声接受器 图 8 中高频噪声电流 Is 可以通过电势和耦合
电容进入变频器并且在阻抗 Zi 上产生一个压降 ,导 致扰动噪声 ,此时变频器就成为噪声接受器 。
图 8 无屏蔽信号电缆的耦合电容
最有效的方法是严格隔离噪声源和信号电缆 , 且信号电缆的屏蔽一定要在两端接地 ,如图 9所示 。
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Mechanical & Electrical Engineering Magazine Vol. 22 No. 5 2005 机电工程 2005年 第 22卷 第 5期
变频器进线电压 /VAC
1相. 230
3相 , 230 (变频器 ≤22kW )
3相 , 230 (变频器 > 22kW )
关键词 :变频器 ;电磁兼容 ;谐波 ;措施 ;实例 中图分类号 : TM921. 51 文献标识码 : B 文章编号 : 1001 - 4551 (2005) 05 - 0040 - 05
The Convertor’s Electromagnetic Com pa tib ility and Its Suppression ZHU Yu - Tang, XU L i
在工业现场使用的各种电气设备 ,如 PLC、数控 设备 、变频器 、低压电器 、工控仪表等 ,都有自己的电 磁兼容标准 。国际电工委员会 ( IEC)对电磁兼容性 的定义是“电磁兼容性是电子设备的一种功能 ,电 子设备在电磁环境中能完成其功能而不产生不能容 忍的干扰 ”。我国最近颁布的“电磁兼容性 ”国家标 准中 ,对电磁兼容性作了如下定义 :“设备或系统在 其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事 物构成不能承受的电磁干扰 ”。显然电磁兼容性含 有双重含义 : 抗干扰性和干扰性 。
线 。低压数字信号线最好使用双屏蔽的双绞线 ,也 可以使用单屏蔽的双绞线 。模拟信号和数字信号的 传输电缆应该分别屏蔽和走线 。
(4)电动机电缆应独立于其它电缆走线 ,同时 应避免电机电缆与其它电缆长距离平行走线 ,用以 减少变频器输出电压快速变化而产生的电磁干扰 。 如果控制电缆和电源电缆交叉 ,应尽可能使它们按 90°角交叉 ,同时必须用合适的夹子将电机电缆和控 制电缆的屏蔽层固定到安装板上 。
图 4为变频器逆变部分的结构图 。 对于 PWM 控制的电压源型变频器 ,其输出电
压波形为矩形波 。其中谐波频率的高低与变频器调 制频率有关 ,调制频率低 (如 1～2kHz) ,人耳能听得 见高次谐波频率产生的电磁噪声 (尖叫声 ) 。若调 制频率高 (如 20kHz以上 ) ,人耳听不见 ,但高频信 号是客观存在 ,图 5 为变频器的输出电压和电流波 形。
变频调速具有回路简单 、功率因素高 、起动平 稳 、调速范围宽等优点 ,在电动机的各种调速方式 中 ,占有极其重要的地位 。变频器大多运行在恶劣 的电磁环境中 ,同时作为电力电子设备 ,他们内部由 电子元器件 、微处理芯片等组成 ,会受到外界的电磁 干扰 ;另外 ,变频器的输入和输出侧的电压 、电流含 有丰富的高次谐波 ,成为干扰源 ,对其他电子设备进 行干扰 。
3 工程实例及解决方法
图 9 使用屏蔽信号电缆增加抗干扰
2 将变频器 EMC 影响降为最小的措施
综合对变频器 EMC分析 ,结合工业现场和笔者 的工作调试经验 ,总结了以下几点将变频器 EMC影 响减为最小的措施 :
(1) 要确保电气传动柜中的所有设备接地良 好 ,要求使用短和粗的接地线连接到公共接地点或 接地母排上 。特别重要的是 ,连接到变频器的任何 控制设备 (比如一台 PLC)都要与其共地 ,供地时也 要使用短和粗的导线 。同时电机电缆的地线应直接 连接到相应变频器的接地端子 ( PE) 。
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( 5 )如果变频器运行在一个对噪声敏感的环境 中 ,可以采用 RF I滤波器减小来自变频器的传导和 辐射干扰 。
(6)进线电抗器用于降低由变频器产生的谐 波 ,同时也可用于增加电源阻抗 ,并帮助吸收附近设 备投入工作时产生的浪涌电压和主电源的电压尖 峰 。进线电抗器串接在电源和变频器功率输入端之 间 。如果还使用了 RF I滤波器 ,则 RF I滤波器应串 接在进线电抗器和变频器之间 。当对主电源电网的 情况不了解时 ,最好加进线电抗器 。
(2)为有效的抑制电磁波的辐射和传导 ,用变 频器驱动的电动机电缆必须采用屏蔽电缆 ,屏蔽层 的电导必须至少为每相导线芯的电导的 1 /10。
(3) 控制电缆最好使用屏蔽电缆 。模拟信号的 传输线应使用双屏蔽的双绞线 。不同的模拟信号线 应该独立走线 ,有各自的屏蔽层 ,以减少线间的耦 合 。不要把不同的模拟信号置于同一个公共返回 230 (变频器 > 37kW )
谐波 (1 =基波 )
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表 1 变频器的谐波分量
基于基波的谐波电流 基于基波的谐波的电流
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1%进线阻抗
2%进线阻抗
( Z hejiang U n iversity, Hangzhou 310027, Ch ina) Abstract: This paper analyzes the convertor’s components, develop ing p rincip le of harmonic wave, electromagnetic compatibility of the convertor。 Some measures which m inim ize the affection of convertor’s EMC and correlative engineering examp les are p roposed。 Key words: convertor; electromagnetic compatibility; harmonic wave; measure; examp les
图 6中的寄生电容 Cp 存在于电机电缆和电机 内部 ,变频器通过寄生电容将产生一个高频脉冲噪 声电流 Is ,此时变频器成为一个噪声源 。由于噪声 电流 Is的源是变频器 , 因此 , 它一定要流回变频器 。 图中 ZE为大地阻抗 , ZN 为动力电缆与地之间的阻 抗 。噪声电流流过此二阻抗所造成的电压降将影响 到同一电网上的其它设备造成干扰 。此外 ,变频器 的整流部分也会产生低频谐波 ,导致电网电压产生 畸变 。当电网的短路阻抗小于 1%时 ,建议加进线 电抗器来抑制低频干扰 。具体的谐波分量如表 1所 示 (数据来源于对西门子 MM3 变频器的测试 ) 。
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Mechanical & Electrical Engineering Magazine Vol. 22 No. 5 2005 机电工程 2005年 第 22卷 第 5期
变频器的电磁兼容及抑制
朱玉堂 ,许 力
(浙江大学 电气工程学院 ,浙江 杭州 310027)
摘 要 :对变频器的组成 、谐波产生原理 、电磁兼容进行了分析 ,给出了将变频器 EMC 影响减 为最小的措施以及相关的工程实例 。
100. 0 37. 8 13. 2 7. 1
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缆 ,则高频噪声电流 Is 以一个不确定的路线流回变 频器 ,并在此回路中产生高频分量压降 ,影响其它设 备 。为使高频噪声电流 Is 能沿着给定路线流回变 频器 ,需要采用屏蔽电机电缆 。电缆屏蔽层必须连 接到变频器外壳和电机外壳上 ,此时高频噪声可以 得到抑制 。