变频器EMC设计及典型试验方法的研究

1、变频器emc设计及典型试验方法的研究摘要：变频器以其节能显著，保护功能完善，调速性能好，使用维护方便优点，占据交流电机调速的主导地位。在工业推广应用中，电磁干扰问题日益突出。针对这一问题，本文研究了磁兼容性(emc)设计若干措施及典型的试验方法，提供了试验案例分析，具有很好的实用参考价值。关键词：变频器，电磁干扰，电磁兼容性，典型试验 design of inverter emc and research on typical experiment method abstract: the inverter has occupied dominant status of ac motor sp

2、eed-adjusting ,because of the advantages of energy-saving significance, perfect protection, better speed-adjusting performance and convenient maintenance. with popularizing application in industry, the problems of emi is increasing. aiming at the problems, several emc design measures and typical exp

3、erimental methods are researched, experimental analysis cases are provided, this has better practical reference value.keywords: inverter, emi, emc, typical experiment 引言 设备的电磁兼容性能是它能否“生存“的必要条件之一。电磁兼容设计的目的是使所设计的电子设备或系统在预期的电磁环境中实现电磁兼容。其要求是使电子设备或系统满足emc标准的规定并具有两方面的能力：一是能在预期的电磁环境中正常工作，无性能降低或故障; 其次对该电磁环境

4、不是一个污染源。交流变频器以其调速性能好、节能显著、保护功能完善、使用维护方便，在近年来迅速成为电机调速的主流。在工业推广应用中，电磁干扰问题日益突出，在二类环境或则更恶劣的工业环境中，电磁兼容性问题尤其突出，甚至影响到系统的正常工作，阻碍了产品的推广应用。就变频器设计中抗干扰设计实践并结合目前的使用标准提出了探讨研究，给出了变频器电气设计中部分有效的抗干扰方案，同时参照相关标准，设计了典型的试验方法，验证了所设计变频器的emc。1.变频器的电气电路构成按照不同的设计要求，变频器的电气电路各具特色。目前市场上广泛使用的通用变频器主要由以下几部分构成：主电路、驱动电路、控制电路、电源电路、吸收电

5、路、采样电路、外部接口电路、故障保护电路等，下图1 给出了通用变频器的电路构成。主电路由整流电路、中间直流电路（滤波电容其）、逆变器三部分组成，实现ac-dc-ac的能量变换。驱动电路是将控制电路产生的pwm信号加以隔离、放大、形成驱动各开关器件开关动作信号的电路。控制电路目前大多数以微机为核心的数字电路，接受各种设定信息和指令，形成驱动逆变工作的pwm信号，大致可分为两个部分：设定与显示，pwm信号生成部分。信号处理电路实现电压、电流、温度等信号的采样处理；故障保护电路实现欠电压、过电压、过电流、过载、短路等保护；电源电路采用开关稳压电源，为变频器控制、驱动电路提供能量。以上几部分电路是构成

6、变频器的必备，下面针对变频器emc设计密切相关的电路展开讨论。图1 通用变频器的电路构成 2.变频器中电路的emc方案设计2.1 主回路吸收电路与di/dt抑制电路整流电路在输入侧要接抗雷击过电压或操作过电压吸收电路，这种吸收电路由星形连接的高频、高压电容器（如470p/2kv）和压敏电阻(如20k/1kv)组成，具体电路见图1中r1、r2、r3 和c1、c2、c3。逆变器部分在高频开关状态时，产生电压尖脉冲，如果不加以处理将损坏igbt模块、干扰驱动电路。采用吸收电路可以抑制电压尖脉冲，当前变频器中常用的吸收电路有三种形式，如图2 所示，根据所用开关器件和功率等级来选择使用。 图2 igbt

7、常用吸收电路低频电路中频电路 高频电路 连接器模拟接 逻辑接口电路 口电路模拟电 路 连接器逻辑电 路 a)缩短高频走线布局图 b)数字与模拟电路分开线布局图图3 两种参考布局图2.2 控制及驱动电路的电路板emc设计 现代通用变频器的控制电路均已微处理器为核心的数字电路。性能完善、功能丰富、集成度高、运算速度高、体积紧凑。带来的问题是控制电路板设计的小体积、高密度、高速信号布线，解决干扰问题成为设计中的棘手问题，下面给出变频器用电路板emc设计实践中的若干措施。1)印制板（pcb）上存在的电磁干扰及产生原因电磁干扰可分为两类：内部干扰和外部干扰。pcb上的电磁兼容问题有: 公共阻抗的耦合、线

8、间串扰、高频载流导线的电磁辐射、印刷线路板对高频辐射的感应及波形在长线传输中的畸变等。导致变频器电气电路电磁干扰产生原因主要有以下几个方面： 封装措施的不当使用（金属与塑料封装）； 完成质量不高，电缆与接头的接地不良； 时钟和周期信号走线设定不当； pcb分层排列及信号布线层的设置不当； 共模与差模滤波设计不当； 接地环路处置不当； 旁路和去耦不足；2)布局与布线在小功率的变频器中，主要采用pcb板完成电路元件和器件的支撑以及电器连接。pcb设计的好坏对系统抗干扰能力影响很大。其中布局作为布线前的准备工作，是一个重要的环节，结果的好坏将直接影响布线效果。布局时考虑如下条件: pcb尺寸大小（过

9、大、过小均存在缺点）、特殊元件位置、电路功能单元安排；在确定特殊元件的位置时应遵循以下原则：尽可能缩短高频元器件之间的连线；加大存在较高电位差的元件或导线之间的距离；重量大、发热多的元器件尽量不要安装在pcb上；电位器、可调线圈、微动开关放在方便调节的地方；预留足够的固定孔位。下图3提供了两种布局方案供参考。在整个pcb中，布线过程限定最高、技巧最细、工作量最大，布线不当会产生严重的电磁干扰。以变频器控制电路为例，布线中应遵循如下基本原则：电路板尽量采用四层板；印制导线的布设应尽可能短，拐弯成圆角；印制导线宽度最小不宜小于0.2mm,间距一般可取0.3mm,公共地线应尽可能的粗；布线顺序应遵循

10、先布高频线（如pwm 信号线）、干扰线（如晶振走线）, 后布普通线；数字区与模拟区尽可能隔离，并且数字地与模拟地要分离；多层线路板的电源和地线是由不蚀刻的铜箔板形成,这种大的接地平面形成了极低的电源阻抗。因此多层板的优点在于对公共耦合阻抗不太敏感，且提供了屏蔽。下图4给出四层板布线示意图。图 4 四层板布线实例 信号线 地线 电源线 信号线 最安全层 会通过耦合得到电源线上的干扰3)旁路和去耦旁路和去耦可防止能量从一个电路传到另一个电路，近而提高配电系统的质量。通过合理布置去耦电容可以为器件提供局部化的dc电源，减少跨板浪涌电流以及进入到电路板的高频能量。通过增加旁路电容产生ac通路来消除无意

11、义能量进入敏感部分，另外还可以提供带宽受限滤波。 a) 电容器实际模型 图5 去耦电容模型及安装图 b) 两种安装方法对照 信号线 地线 信号线 地线上图5 a)给出了去耦电容的实际等效电路，b)给出了正确安装方法（右图）和错误安装方法（左图）的对照。可以得知，去耦电容引线尽可能短才能减小寄生参数、达到很好的去耦效果。4)pcb接地接地是使不希望的噪声干扰极小化并对电路进行划分的一个重要方法。适当应用pcb的接地方法及电缆屏蔽将避免许多噪声问题。设计变频器时，在设计期间考虑接地是最经济的，不仅从pcb，而且能从系统的角度防止辐射和进行敏感度防护，具体考虑如下几方面：对pcb系统分区时，使高带宽

12、的噪声电路与低频电路分开；设计pcb时，使干扰电流不通过公共的接地回路影响其它电路；仔细选择接地点以使环路电流、接地阻抗及电路的转移阻抗最小；把非常敏感（低噪声容限）的电路连接到稳定的接地参考源上；变频器系统设计中，按照安全地、数字信号地、模拟信号地来考虑。安全地采用黄绿相间标识的铜线或铜排将变频器内的导电部分连接到接地端子，主要防止故障情况下系统带电威胁人体安全。信号地是一个低阻抗的路径，信号电流经此路径返回其源。对于变频器系统中所应用的高速数字信号电路，优先采用多点接地（即多个低阻抗路径并联），目的在于建立一个统一电位共模参考系统。 不正确单点串联接地 正确单点接地 i2+i3 r2 r1

13、 i3 i1+i2+i3 电路1 电路2 电路3 i1 i2 r3 c i3 图6 单点接地对照图c点电位：v=i3r3+(i2+i3)r2+(i1+i2+i3)r1可见串联接地容易引起干扰。对于模拟电路，具有工作与低频状态、灵敏度高的特点，采用单点接地（即接地路线与单独一个参考点相连，图6给出了正确与错误单点接地方式对照）可防止来自其它噪声元件（如数字逻辑器件、电源、继电器、电动机）的大接地电流争用敏感的模拟地线。同时系统采用光耦将数字地与模拟地隔离，抑制地点平摆动带来的影响；采用铁氧体垫片来防止寄生电容形成接地环路。在实际设计中应注意采用多点接地时的谐振问题，在每个电源与接地之间的地连接中

14、应使用高质量的去耦电容。5)抗串扰串扰是指走线、导线、电缆束、元件及任意其它易受电磁场干扰的电子元件之间的不希望有的电磁耦合，是由网络中的电压和电流产生的。对于控制板上的数据线、地址线、控制线、和i/o都会受到串扰的影响，大多数问题来自时钟和周期信号。通过增加走线间距离（必须是单一走线宽度的三倍），可使走线间的耦合最小，这一原则主要针对产生影响的高干扰信号。2.3 电源电路设计中抗干扰措施当前变频器电源大多采用开关电源来实现，具有体积小、工作电压范围宽、功率密度大、损耗小、带载能力强的特点。但是采用高频开关管、二极管、变压器等带来的大di/dt干扰问题值得慎重考虑。变频器系统开关电源输入侧取电

15、的方法目前有两种：一种是直接从直流母线上取；另一种是采用独立的220v整流电源提供，两种方法各有其优点及应用范围。 图7 直接从直流母线取电开关电源抗干扰设计示意图第一种方法的抗干扰设计考虑如图7所示，图中的高频电容c1用来吸收高频脉冲，二极管d2用来抑制线路寄生电感与电容c1振荡。 图8 220v独立供电开关电源抗干扰设计示意图第二种方法的抗干扰设计考虑如图8所示，图中在交流输入通道上设计线路滤波器对系统抗干扰具有很好的作用。其中cx为差模滤波电容（又称x电容）跨接在输入端之间，对差模电流起旁路作用,容值一般为0.11uf. ly为共模电感，用来抑制共模干扰电流。cy为共模电容（又称y电容）

16、，跨接在线路与机壳之间，对共模电流起旁路作用，但电容值不能过大，否则会超过安全标准中对漏电流的限制要求，一般在10000pf以下。3 变频器的emc标准及典型试验方法探讨 3.1 变频器装置的电磁兼容性标准在我国,反映变频器电磁兼容的标准有国标 gb12668.3-2003（等同于国际标准iec61800-3:1996）。下面就标准规定强制执行的抗扰度和安全性的最低要求进行简要介绍。1)标准适用范围规定了电气传动系统（pds）的电磁兼容性要求，提出了电磁兼容的限值和测量方法，包含了对抗扰度和防电磁辐射两方面的要求。标准所提出的要求对pds来说都是最低的电磁兼容性要求。当pds作为其它设备的一部

17、分时，除了自身的电磁兼容性试验外，还要做系统的电磁兼容性试验。2)pds抗扰度的要求(1)试验条件试验一般可以在轻载时进行。对存在的相关端口（包括所选辅助设备的端口）要进行试验，但要依据定义，明确且可复现的方式逐个进行试验，对于有几个相同物理配置的测量、控制和信号端口，则试验该类型的一个端口或接口就可以。若pds不能在试验场地投入运行时，应采取子部件验收准则来验收子部件。(2)验收准则通过必要的试验，运用适当的验收准则来检验pds抵抗外部干扰能力是十分必要的。下表1给出了检验pds及子部件抗扰度的a、b、c三种验收准则。表1 检验pds及子部件抗扰度的a、b、c三种验收准则项目验收准则abc特

18、定性能：一般的工作特性未有明显变化，在规定的允许误差范围内，能正常工作。工作特性有明显变化，能自行恢复。停机;或工作特性发生变化;或保护器触发不能自行恢复子部件性能：电力电子电路和驱动电路电力半导体器件没有失控有暂时性失控，不会引起驱动系统停机停机;或保护器触发不能自行恢复子部件性能：信息处理和检测电路与外部设备的通信和数据交换不受干扰暂时性的通信受干扰，但不会引起内部或外部设备停机的错误报告通信错误；或数据和信息丢失，不能自行恢复子部件性能：显示与控制板led显示信息不发生变化，但亮度稍有变化，或字符稍有变动信息有可见的暂时性变化；led亮度不理想停机; 或信息永久性丢失；或出现不允许的工作

19、方式；以及显示出的信息有明显错误 3.2 典型emc试验方法的探讨 针对变频器和各类工业现场的复杂状况，电磁兼容性试验需要专门设计。由于专门的电磁兼容试验方案代价非常昂贵，因此利用典型的应用环境，对装置进行特定电磁兼容试验是即有效又实用的办法。下面就几种典型试验方法展开探讨。1)电快速瞬变脉冲群抗扰度试验干扰信号特点及产生原因：以脉冲群形式出现，脉冲上升时间短、重复率高和能量低、频谱分布较宽等特点。在同一供电回路中，多种用电器（或设备）在工作过程中（如开关、继电器等的使用）会产生瞬态脉冲。为了评定产品对这类电快速瞬变脉冲群抗扰度的水平，需要进行本试验。试验等级、方法见第4节内容。2)静电放电抗

20、扰度试验干扰信号特点及产生原因：静电高压放电，产生大电流、强磁场。由于人体或其它物体接近或接触电器设备表面而发生。该试验是模拟操作人员或物体在接触设备时的放电以及人或物体对对邻近物体放电，以评估电气和电子设备遭受静电放电时的性能，分为接触放电和空气放电，其中接触放电是优先选择的方法。详细的试验方法参见相关的国家标准。3)浪涌抗扰度试验 干扰信号特点及产生原因：在不同环境和安装条件下可能受到的雷击或开管切换过程带来的浪涌电压和浪涌电流。该试验是评定设备的电源线、输入输出线以及通信线的抗干扰能力提供依据。详细的试验方法参见相关的国家标准。4)射频场感应的传导干扰抗扰度试验干扰信号特点及产生原因：由

21、射频发射机产生空间电磁场，这些电磁场可以在敏感设备的各种连接馈线上感应电流或电压，作用于设备的敏感部分。详细的试验方法参见相关的国家标准。以上所给出的几种典型试验方法在变频器emc试验设计中均需考虑，但是在实践中发现，对于大多数工业应用环境而言，试验1)是最重要的也是必须做的，下面就此项试验给出具体案例分析。4 emc试验实施案例设计及结论分析4.1 试验实施案例设计 由前面讨论可知，模拟具有较高重复频率的快速瞬态脉冲的试验，以覆盖各种情况下的电磁干扰是必要的。由于各种试验发生器和试验配置的有关参数差异很大，所以设计合理的试验方案十分关键。下面以ens-24xa高频噪声模拟器为例设计相应的em

22、c试验。1) 关于ens-24xa高频噪声模拟器 ens-24xa高频噪声模拟器符合日本jis技术标准，功能与电快速瞬变脉冲群发生器雷同，可以做电源线和信号线的抗扰度试验，且试验方法也相同（电源线试验用耦合/去耦网络；信号线用电容耦合夹）。主要技术性能如下：输出脉冲: 正/负极性的方波；脉冲幅度: 2kv(50匹配负载时测)，连续可调；脉冲上升时间：1ns30%;脉冲宽度： 50ns-1000ns(每50ns为一个增量，可调)；操作方式： 手动（按一次按钮，产生一个脉冲）、自动（20hz-80hz，可调节）及电源同步（50/60hz）;相位：在电源同步的情况下，脉冲在电源波形上的相位自0。-3

23、60。连续可调； 采用同轴输出，对试验环境要求较低；2) 试验设计 试验对象：kvfc+437g 变频器。 试验目的：评定kvfc+437g变频器对电快速瞬变脉冲群抗扰度的水平。 试验配置：ens-24xa高频噪声模拟器、电源线耦合/去耦网络、电容耦合夹、7.5kw电机、厚度大于0.25mm的同或铝参考接地板。试验方法： (1) 对电源线，通过耦合/去耦网络来施加试验电压。 (2) 对信号、控制线通过电容耦合夹来施加试验电压，具体见图9。 kvfc+437g 变频器 图9 试验接线图 ens-24xa高频噪声模拟器 同轴电缆 耦合夹 接地板 信号线 4.2 试验实施案例结论分析标准依据工业现场

24、环境不同，可划分为一类环境（指连接到民用供电的低压电网上的pds）和二类环境（指用在工业环境的pds,其抗干扰能力要比一类环境要求高）。下表2给出了对这两类环境中的pds应有的试验项目，抗扰度要求，参考执行的标准，以及验收准则。 表2 两类不同环境下的端口现象一类环境的抗扰度要求二类环境的抗扰度要求参考执行标准验收准则机壳端口静电放电6kv接触放电或8kv控制放电6kv接触放电或8kv控制放电gb/t17626.2b高频电磁场26mhz-1000mhz 3v/m26mhz-1000mhz 3v/mgb/t17626.3a电源端口电快速瞬变脉冲群1kv/5khz对 100a的电源，直接用耦合/去

25、耦网络；对 100a的电源，用直接注入，或电容耦合夹注入实验电平2kv/5khz2kv/5khz对100a的电源，直接用耦合/去耦网络；对 100a的电源，用直接注入，或电容耦合夹注入实验电平4kv/2.5khzgb/t17626.4b浪涌（仅适用于交流电源端口）1.2/50us和8/20us综合波：差模1kv 共模2kv1.2/50us和8/20us综合波：差模1kv 共模2kvgb/t17626.5b电源接口电快速瞬变脉冲群1kv/5khz仅适用于电缆线长度超过2m得端口或接口，试验采用电容耦合夹注入2kv/5khz仅适用于电缆线长度超过2m得端口或接口，试验采用电容耦合夹注入gb/t17

26、626.4b信号线接口电快速瞬变脉冲群05kv/5khz仅适用于电缆线长度超过2m得端口或接口，试验采用电容耦合夹注入1kv/5khz仅适用于电缆线长度超过2m得端口或接口，试验采用电容耦合夹注入gb/t17626.4b过程测量和控制线端口电快速瞬变脉冲群05kv/5khz仅适用于电缆线长度超过2m得端口或接口，试验采用电容耦合夹注入1kv/5khz仅适用于电缆线长度超过2m得端口或接口，试验采用电容耦合夹注入gb/t17626.4b 在实验室内，以kasuga 生产的kvfc+ 3.7kw变频器构成的pds为对象,采用ens-24xa高频噪声模拟器设计的试验平台进行电磁兼容性试验，试验结果如下表3。 表3 试验结果试验端口模拟现象脉冲极性符合验收准则电源接口电快速瞬变脉冲群 1.9kv/5khz正a信号线接口电快速瞬变脉冲群 1.9kv/5khz正a过程测量和控制线端口电快速瞬变脉冲群 1.9kv/5khz正b可见本试验结果符合并超出二类环境的标准要求，根据各种工业现场的使用反馈，实际系统的工作具有很好的抗干扰性。采用产品