电力电子装置的电磁兼容性和电磁干扰

第19卷第1期总　第　71　期1997年2月沈阳工业大学学报

Jour nal　of　Shenyang

Polytechnic　Univer sity

Vol.19No.1

Sum No.71

F eb.1997

电力电子装置的电磁兼容性和电磁干扰

林成武　刘焕生

(电子工程系)

摘　要　分析了电力电子装置产生电磁干扰的原因和种类以及抗电磁干扰的基本措施,并提出了分析电磁干扰和电磁兼容性之间关系的方法.

关键词:　电力电子装置;电磁干扰;电磁兼容性;基本措施

中图法分类:TN973.3

0　引　言

近年来,电力电子技术取得了飞速发展,成为电工领域最具活力的学科之一,并越来越对国民经济产生重大影响.同时电力电子装置所产生的电磁干扰对通讯系统和电子设备的正常运行也会产生不良影响.因此迫切需要抑制电力电子装置的电磁干扰和提高抗电磁干扰能力,即使电力电子装置具有电磁兼容性,能长期稳定可靠地运行.

1　电力电子装置的电磁兼容性

电磁兼容性是在不损失有用信号所包含的信息的条件下,信息和干扰共存的能力.电力电子装置在其使用环境下,在承受来自外部的电磁干扰的同时也向电网系统和周围环境释放电磁干扰.在设计制造电力电子装置时,应考虑到电力电子装置在工作时所产生的电磁干扰不对在同一环境中工作的其它电子设备的运行产生不良影响,同时来自外部环境的电磁干扰又不会影响电力电子装置的工作.能做到这一点,就称电力电子装置具有电磁兼容性.

电磁兼容性是一个与电气利用相关的环境问题.对现代技术社会的确立及确保其安全性具有重要意义.因此在电力电子装置的设计、制造过程中应引起高度的重视,并作为一个重要的课题进行研究.

电力电子装置对电磁干扰的承受水平以及装置自身所产生的电磁干扰水平均与电磁兼容性有关系.可用图1表示产生电磁干扰的水平、装置抗干扰的水平及与电磁兼容性之间的关系.

从电力电子装置设计制造的角度来看,如果允许产生较高的电磁干扰,而抗干扰水平又较低,设计制造要容易些.可是,若允许产生较高的电磁干扰,将会影响其它电子设备的正常工作.而且来自外部的电磁干扰又会影响电力电子装置自身的工作.所以,必须在两者之间取得平衡,满足电磁兼容性的要求.在正常使用环境中,应根据国家标准设定电磁兼容性的水平.电力电子装置自身所产生的电磁干扰必须低于电磁兼容性水平,而抗电磁干扰水平必须高于电磁兼容必须性水平.电力电子装置的主电路中的电流几乎都是工作在开关状态的,其控制系统多采用微电子技 本文收到日期:1996-05-31 第一作者:男.41.硕士.讲师

图1　电磁干扰和电磁兼容性的关系

术,因此,从自身安全运行的角度,在设计上也必须考虑电磁兼容性.

2　传导干扰和辐射干扰

根据国标GB 4365-84将沿导体传播的电磁干扰定义为传导干扰;将通过空间以电磁波形式传播的电磁干扰定义为辐射干扰.电力电子装置采用半导体开关器件使主电路中的电流工作在开关状态进行电能变换的.正因为如此,对交流电源而言,将会使电流波形发生畸变;若电源是直流电源,将会使直流电流发生脉

动;由于电源内存在阻抗,会使电源电压发生波动;由于电磁感应现象,向外辐射电磁波,将在通讯线路中产生干扰电压;另外主电路工作在开关状态,对电源而言,会产生象瞬间短路那样的电压波动.上述这些电磁干扰归纳起来可分为传导干扰和辐射干扰.2.1　传导干扰的种类

A )高次谐波电压畸变

电力电子装置从电网吸收的高次谐波电流,因电源内阻的存在使电源电压发生畸变.对于循环换流器和间接式的频率变换装置,由于电源频率和输出频率相互作用,在高次谐波中产生边频带.这个边频带和高次谐畸变是有区别的,称为中间高次谐波畸变.

B)电压波动

可控式变流装置在换流重叠的情况下,因开关器件的动作而使电源出现瞬间短路,从而引起电源电压波动.另外,对输出功率的调整将引起从电源吸收的无功功率的变化.因电源内阻的存在,也将引起电源电压的波动.

C)三相电压不平衡

电力电子装置多采用三相交流电源供电,由于其控制系统运行不佳等原因,将使三相电源不平衡,从而引起三相电压不平衡.

D)对电力线载波系统的影响

对电力系统的波动控制和自动引导系统,有时采用配电线来传送控制信号.电力电子装置所产生的不正常的或过大的电磁干扰,应注意不要影响配电线中的信号传送.2.2　辐射干扰的种类

A )感应干扰

电力电子装置所产生的高次谐波等引起电磁辐射,其能量依照波的传播规律在空间传播因电磁感应而在周围的信号线和通讯线路中产生干扰信号.比如交流电气铁路的回流线和直流供电线路流过比较大的畸变电流的设备,如电话线等与其平行将会在电话中产生噪声.

B)静电耦合干扰

由于存在线路对地电容以及和线路间耦合电容,因静电耦合会感应出高频干扰电流.电力电子装置如没有过高频率的干扰成分时,可以将耦合电容对应的电纳与干扰电压的乘积看成是等值的噪声电流源.

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第　1　期林成武等:电力电子装置的电磁兼容性和电磁干扰

C)电磁辐射

对于远离干扰源的电子设备,也将承受来自干扰源的电磁波的干扰.与电力电子装置有关的一个典型的例子是具有天线作用的直流供电线路,会在很大范围内产生电磁辐射干扰.当然对电力电子装置之中的和距离电力电子装置近的控制设备所承受的直接干扰也会影响控制设备的正常工作.

3　电磁干扰的基本对策

电力电子装置所产生的电磁干扰,不仅影响工作环境中的其它电子设备正常工作,而且也对自身的控制系统产生不良影响.表1和表2为部分传导性干扰源和辐射性干扰源的参数,表3为电流不超过16A的带半导体器件的调节控制器的干扰电压允许值.其它电子产品的干扰电压允许值请参阅相关的技术标准.

表1传导性干扰源

干　扰　源　频谱

日　光　灯0.1～3MHz

计算机机箱50KHz～20MHz 信　号　线0.1～25MHz 电　源　线1～25MHz

转换开关0.1～25MHz 电力控制器2～15MHz

真空吸尘器0.1～1MHz

电 晕0.1～10MHz

表2辐射性干扰源

来　源 频谱　

谐振发生器30～1000M Hz

电 机10～400KHz

开关电弧30～200MHz

固态开关300～500KHz

电力开关装置100KHz～300M Hz 电力线50KHz～4MHz

继电器10KHz～200MHz 双稳电路10KHz～200MHz

目前,电力电子装置发展的趋势日趋自动化、小型化,对其工作可靠性的要求进一步提高,对电磁干扰的裕量进一步降低.因此在设计电力电子装置时必须进行抗干扰设计,其基本任务是使系统或装置既不因外界电磁干扰的影响而误动作或丧失功能;也不向外界发送过表3带半导体器件的调节控制器的干扰电压允许值频段允许值频段

/MHz

允　许　值/L V

电源端 负载端　辅助端0.15～0.50668080 0.50～5.0607474 5.0～30607474

大的噪声干扰,以免影响其它系统或装置的正常工作,抗干扰设计主要遵循下列三条原则:

(1)抑制噪声源,直接消除干扰产生的原因;

(2)切除电磁干扰的传递途径,或者提高传递途径对电磁干扰的衰减作用,以消除噪声源和受扰设备之间的噪声耦合;

(3)加强受扰设备抵抗电磁干扰的能力,降低其噪声敏感度.

抗干扰技术的基本方法是基于上述的三条原则进行的.一般来说,对于噪声源,可采用滤波、阻尼、屏蔽、阻抗匹配、对称或平行配线,以及电路去耦等措施;对于被于扰设备,可采用信噪比、增加开关时间、提高功率等级,以及对电源和信号滤波等措施.这些措施在系统或装置中既60沈　阳　工　业　大　学　学　报第　19　卷