电工技术|变频器应用中电磁兼容研究

水电之家讯：由于在运行中的半导体开关器件的PWM高速通断动作，导致输出电压波形中包含着许多谐波分量，引起高次谐波和电磁干扰，会对其本身及外围敏感电子设备（如对工厂自动化生产线、传感器、仪器仪表、显示器等及供电电网）产生干扰。变频器也会受外部侵入电磁噪声或自然界的许多干扰源，如静电、雷击甚至自太空的噪声等的影响而引起误动作。在生产中，要求变频器既不能干扰其他设备，也不能因其他干扰而动作异常。电磁干扰这种双重性和相容性在国际上用电磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility，EMC)来衡量。因此变频调速系统的电磁兼容设计是该系统设计中的重要环节，变频调速系统电磁兼容设计的好坏在很大程度决定了系统的可靠性。 按照国际电工委员会发布的IEC50-161《电磁兼容术语》的规定，电磁兼容性是电子设备的一种性能，该性能使电子设备受到电磁干扰而仍能完成其正常功能，且不产生不能容忍的电磁骚扰。所谓电磁是指任何可能引起装置、设备或系统性能降低或者对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。电磁干扰是指，由电磁骚扰引起的可能导致设备、传输通道或系统性能下降的现象。 电磁骚扰的来源包括雷电、核爆等强电磁脉冲、静电及所有正常和非正常的电气动作过程。可以说，凡有电磁现象存在的地方都有电磁兼容的问题：所有电器和电子设备工作时都会有各种各样的电压电流变化，这样会导致在不同频率内或一个频带间产生电磁能量，由电路发射到周围的环境中。高速飞行器与大气的相对运动、合成材料的缠绕、流体（石油、天然气等）的高速传输、化纤织物与人体的摩擦等都可能产生电磁能量，由于静电积聚的隐蔽性和释放过程的突发性，造成的危害程度不亚于谐波和强电磁脉冲。根据定义，一个电子、电工产品应在通电工作时，既不通过传导、辐射、耦合等方式向外部发出超过标准规定的电磁噪声，同时又能够承受一定程度的来自外部或系统自身的电磁噪声干扰而正常工作。 EMC国际标准分为辐射标准和防护标准。辐射标准用于限制电气、电子设备辐射的干扰波。防护标准则用于提高电气、电子设备对外干扰的耐受能力。EMC标准包含基本标准、通用标准、产品标准3类。基本标准主要是规定EMC的试验和测试方法等；通用标准规定了对于特定的产品和产品系列的允许值和具体测试方法的规定，主要是根据产品的性质而不是用途来制定的。按照频率的范围，EMC标准以9kHz为界限，将电气、电子设备的频率分成高频和低频两类。对电工、电子产品或系统使用的电磁环境而言，国际上将电磁环境分为第一类环境(A)、第二类环境(B)两类，并分别规定了电磁发射的限值电平。第一类环境(A)即工业环境，指有工、科、医射频设备的环境；频繁切断大感性负载、大容性负载的环境；大电流并有强磁场环境等。第二类环境(B)即民用环境，包括居民区、商业区及轻工业环境，指居民楼群、商业零售网点、商业大楼、公共娱乐场所、户外场所（如加油站、停车场、游乐场、公园、体育场等）。减少电磁干扰的发生并提高抗电磁干扰的能力是电磁兼容性的核心内容。 根据电磁感应、趋肤效应、电磁振荡与电磁波传播等基本物理规律可知，电磁物理量随时间变化越快，越容易感生电磁干扰；频率越高越容易产生辐射；电磁场强度与距离平方成反比；一些灵敏度高的未屏蔽电路容易产生耦合等。对于变频器的应用环境，电磁干扰源、电磁干扰传递途径可分为电磁干扰( Elec-tromagnetic Interference，EMI)、电磁辐射(Electromagnetlc Radiation，EMR)、射频干扰(Radio Frequency Interference，RFI)和电磁脉冲(ElectromagneticImpulsiveNoise，EMN)等。电磁辐射是指能量以电磁波形式由源发射到空间，并在空间传播的现象，电磁辐射的含义有时也包含电磁感应现象。射频干扰即无线电频率干扰，指由无线电频率干扰引起的有用信号接收性能的下降。无线电频率干扰是具有无线电频率分量的电磁干扰。电磁脉冲指电磁脉冲噪声和电磁脉冲干扰，是在特定设备上出现的，表现为一连串清晰脉冲或瞬态的噪声或电磁干扰。 电磁兼容性标准定义了与电气设备有关的两个特性，噪声发射和抗扰度，规定噪声发射和抗扰度的极限值取决于电气设备应用时所处的环境，第一类环境（民用环境）和第二类环境（工业环境）。在民用环境下，当电气设备接至公共电源系统时，对噪声发射具有严格规定但可以要求有较低的抗扰度；相反，在工业环境中，对电气设备的抗扰度要求很高，但对噪声发射要求却较低。如果电气设备是系统的一个组成部分，它不要求一开始就满足有关发射和抗扰度的要求，但整个系统必须符合相关电磁兼容性的要求。一般来说，电气设备必须同时具有对高频和低频干扰的抑制能力，而低频干扰主要是指电源电压波动、欠电压和频率不稳定等。通常变频器能够运行在有较高电磁干扰的工业环境中，此时它既是噪声发射源，又是噪声接受器。作为噪声发射源，它将产生电源干扰，经由供电电源线传输产生电磁干扰。作为噪声接受器，它必须具有一定的电源抗扰性，对电源干扰具有内部抗扰性和外部抗扰性，具有在其常规输入端处存在电磁干扰时能正常工作而无性能降低的能力，以及在电磁干扰经由除常规输入端以外的途径侵入的情况下，能正常工作而无性能降低的能力。 解决电磁兼容性问题需要开展下面几方面的工作。 ①电磁环境评价。通过实测或数字仿真等手段，对设备在运行时可能受到的电磁干扰水平（幅值、频率、波形等）进行估计。如利用可移动的电磁兼容测试仪器对运行设备产生的各种干扰进行实测，或通过电磁暂态计算程序对可能产生的瞬变电磁场进行数字仿真。电磁环境评价是电磁兼容技术的重要组成部分，是抗干扰设计的基础。 ②电磁干扰耦合路径。弄清干扰源产生的电磁骚扰通过何种路径到达被干扰的对象。如通过电源线路、接地线和信号线传播到达对象所造成的干扰；通过电源线传人的雷电冲击源产生的干扰；通过电磁源空间传播到达敏感设备的干扰等。研究干扰的耦合途径，对于消除或抑制干扰有重要的意义。 ③电磁抗扰性评价。研究系统中各种敏感设备如自动生产线、各种自动装置、仪器仪表、计算机系统、电能计量仪表等耐受电磁干扰的能力。一般是采用试验来模拟运行中可能出现的干扰并在设备尽可能接近工作条件的情况下，试验被试设备是否会产生误动或永久性保护设备的抗扰性。如何评价这些设备耐受干扰的能力、研究实用和有效的试验方法，制定评价标准将为工业环境电磁兼容性技术的重要课题。 ④抗干扰控制策略。由于电磁干扰的产生和耦合特性，敏感设备是不可能完全避免电磁干扰的。因此，在敏感设备上应用接地、屏蔽、滤波、隔离、合理布线、防雷、回避和疏导等比较经济合理的防干扰措施是必要的，在工程实践中被广泛采用。研究经济有效和适用的抗干扰措施也是未来电磁兼容性研究的重要任务。 ⑤电源质量。电磁兼容性对电源质量的控制是十分重要的，应研究频率变化、谐波含量、电压闪变、电压骤降等对设备性能的影响。 由于电力电子技术的广泛应用，各种电磁环境的复杂性，要完全消除电磁噪声干扰是不可能的。但是，根据电磁兼容性原理，可以采取许多控制技术措施减小干扰，使电磁噪声干扰控制在一定范围内，从而保证系统或设备的兼容性。 形成电磁干扰必须同时具备三个基本要素：电磁干扰源、耦合途径和敏感设备。电磁噪声干扰的程度与变频器控制系统结构、周边设备抗扰性、接线环境、安装距离及接地方法等因素有关。当发生电磁噪声干扰时，需采取不同的对策进行噪声衰减和抑制。 一般来说，采用屏蔽、滤波隔离、合理接地、合理布线、防雷等方法是抑制电磁噪声干扰的有效措施，有时还采取回避和疏导技术进行处理，如空间方位分离、频率划分与回避、吸收和旁路等，这些控制方法均在工程实践中被广泛采用。有些传统的抗干扰方法和现代电磁兼容技术在控制策略和思想上有本质上的变化和差别。传统的单纯抗干扰方法在控制策略上比较简单，认识比较肤浅，主要的思路集中在怎样设法抑制干扰上，工程技术人员常处于被动地位，哪里有干扰就在哪里就事论事地给予解决，当然，有丰富实践经验的工程师也会采取一些预防措施，但也仅仅是根据经验作一些局部处理，解决问题的方法也是单纯的对抗式措施。电磁兼容性在控制干扰策略上采取的是主动预防、整体规划和“对抗”与“疏导”相结合的方法。 在解决电磁噪声干扰的时机上，由设备运行中暴露出不兼容问题而采取挽救修补措施的被动控制，转变成在设备设计初始阶段就开展预测分析和设计，预先检验计算，并全面规划实施方案，做到防患于未然。把电磁兼容性设计和可靠性设计、可维修性设计与设备的基本功能设计并行进行。实践中，以上措施的应用往往会与环境、成本、质量、功能要求产生矛盾，必须权衡利弊采用最合理的措施来满足电磁兼容性要求。有时将传统的控制方法简单而巧妙的运用，可以代替成本昂贵的附加硬件措施，收到事半功倍的效果，这是有经验的工程师们经常采用的控制方法。电磁兼容性是一项系统工程，常用的控制策略与技术方案可分为如下几类。 ①噪声传输通道控制。具体方法有接地、滤波、屏蔽、隔离、防雷、合理布线等，其中，正确合理的接地方法是至关重要的、第一位的。 ②噪声空间分离。具体方法有地点位置控制、自然空间位置隔离、方位角控制、电场矢量方向控制等。 ③噪声时间分隔。具体方法有时间共用准则、信号脉冲同步、主动时间分隔、被动时间分隔等。 ④噪声控制管理。具体方法有滤波、频率管制、频率调制、数字传输、光电转换等。 ⑤电气隔离。具体方法有变压器隔离、光电隔离、继电器隔离、DC/DC变换等。 随着社会发展对信息技术的依赖性的增大，对系统、设备和网络的可靠性、安全性和保密性的要求越来越高，要求运行的系统、设备和网络必须具备最少的电磁辐射能级和最强的抗扰性，即符合电磁兼容性标准要求。为了保证系统、设备和网络免受外界干扰源的干扰同时防止信息被不良截取，由屏蔽电缆和屏蔽元器件所组成的屏蔽结构化布线系统是最经济、最理想的选择。水电之家为您提供最全面的管材,管件,水电,电线,电工,管材水电品牌的装修知识点和各种管材水电的导购与在线购买服务,拥有最便宜的管材水电价格和最优质的售后服务,每天都有秒杀的抢购活动哦！敬请登陆水电之家：http://shuidian.jc68.com/