电磁干扰:用户需要了解的驱动因素
功率晶体管的快速开关和变频驱动器(vfd)的脉宽调制(PWM)输出会产生大而快速的电压摆动，从而产生电气噪声或电磁干扰。电磁干扰是指对电气设备(和驱动器)正常运行的任何干扰。它的两种主要形式是传导EMI (150 kHz-30 MHz范围)，由于异常能量通过…
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功率晶体管的快速开关和变频驱动器(vfd)的脉宽调制(PWM)输出会产生大而快速的电压摆动，从而产生电气噪声或电磁干扰。电磁干扰是指对电气设备(和驱动器)正常运行的任何干扰。它的两种主要形式是EMI进行(150 kHz-30 MHz范围)，由于沿电缆连接的异常能量传递和辐射电磁干扰(30mhz - 1ghz范围)，由波传输引起。电磁干扰有几个耦合机制，稍后会介绍。
驱动器的设计和安装必须减轻EMI，以防止性能下降或对驱动器造成损害，并限制干扰对附近设备或设施的传播。电磁兼容性(EMC)是解决电气设备中这些问题的总体方法。
电磁干扰的限制取决于驱动器安装的位置。驱动器的主要国际EMC标准(IEC 61800-3)定义了两种安装环境住宅(包括办公室和医院)和工业-具有不同的EMI限制。目前还没有涵盖驱动器EMC的美国标准(详见参考1)。
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将不同的电缆类型分开是一种谨慎的EMC措施。SEW Eurodrive建议电缆组I和II之间间隔10厘米(4英寸);II组和III组之间以及III组和IV组之间的距离为20cm。
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评级考虑
SEW Eurodrive的企业培训师Matt Murray表示，EMI和EMC的评级主要考虑两个方面:发射(驱动器对其他系统组件的干扰的限制)和磁化率(驱动器在故障前能处理多少电磁干扰)。默里说:“工业设施有更高的允许排放限值，因为与人接触较少，通常不太敏感的设备。”
Baldor Electric Co.也区分了排放和敏感性，但将后者解释为免疫力或驱动器在系统其他地方的电磁干扰下不退化的能力。Baldor v *S驱动器产品经理Rick Kirkpatrick指出，在高度仪表化的系统(包括试验台和测力计)和医院中，驱动排放的应用非常困难。他说:“非常敏感的仪器可能会被驱动产生的噪音‘混淆’(第一种情况)，并可能导致关键生命维持系统中的微处理器不正常运行或关闭(第二种情况)。”医院广泛的暖通空调系统中的驱动器将成为排放源。
“驱动免疫是另一回事，”柯克帕特里克继续说。例如，弧焊是一种可能导致驱动器跳闸的严重应用，但由于通用故障标签，驱动器通常被怀疑不是噪声源(焊接)。交流驱动器靠近直流驱动器构成另一个艰难的EMI环境。Kirkpatrick补充说，直流驱动器“会产生明显的交流线路‘陷波’，这可能会给交流驱动器带来问题，尤其是那些基于晶闸管的前端桥。”然而，直流驱动器的市场规模正在减少这一问题。
倍福自动化注意到伺服驱动器(或其他高性能驱动器)倾向于非常高的传导线噪声，这是由于电机电缆和电机内部从驱动器到接地的高电容造成的。Beckhoff应用/支持工程师Bob Swalley表示:“该电容的充电状态到放电状态频率等于驱动器的PWM速率。”
Swalley指出，EMI可以通过各种耦合机制发展。传导噪声是由电机和驱动器的电流引起的，然后通过互连导线在元件之间耦合;阻抗耦合当电路设备共用一个电源，因而对地线有相同的参考时发生。其他机制包括辐射耦合，由电场和磁场源引起的;电场耦合，由导体(如电容器)之间的电压差引起;和磁场耦合斯沃利解释说，这是由于导体中的电流流动，就像变压器一样。
在ABB公司看来，住宅和工业驱动应用的主要区别在于后者经常使用电机电缆桥架和组合导线。ABB hvac应用电源与控制销售经理Mike Olson表示:“这可能导致输出电缆上的PWM波形与输入电网和电缆的电容耦合。然而，在驱动器制造商的指导下，工业客户通常会安装更昂贵的变频器电缆。”
相比之下，非工业场所通常使用符合当地规范的最便宜的单个导体。奥尔森说:“廉价的电线在适当接地和粘合的金属导管中运行时工作良好，并且有四根电线(三根导线和一根地线)，但如果安装不良或只有三根导线，效果就不那么好了。”此外，他指出，医院、机场、学校等通常有EMI/ rfi敏感设备，这加剧了不良的安装实践。
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滤波器是缓解电磁干扰的关键。所示是Block USA LP (www.blockusa.com)为驱动器和电气系统提供的各种RFI/EMC滤波器之一。Block的HLD-110系列线侧，三相滤波器的额定电压高达30 A(每相)520 V。
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接地，接地，…
由于EMI解决方案涉及整个系统(驱动器，电机，机柜，电缆)，因此所有元件的适当接地对成功至关重要。这是本文所有受访者都表达的一个共同主题。
根据Olson的长期经验，几乎所有的电气噪音问题都是由于安装不当造成的。奥尔森说:“这些问题工作中有很大一部分是由于接地不良或不当造成的。为了避免EMI/RFI问题，他强烈建议聘请合格的电气承包商来安装变频器，并确保驱动器制造商的安装说明“严格执行”。
SEW Eurodrive强调适当的设备接地的重要性。“事实上，在大多数客户安装中，这是头号驱动EMI问题，”Murray建议道。他说，新成立的公司经常有一些错误的线路，而且在美国的设备中，接地通常没有得到足够的深思熟虑(详见参考2在线)。
Murray提到了两种不同的接地方法:低频接地(LF)用于低频噪声和防震，高频接地(HF)对于最小化EMI至关重要。一些安装人员认为，“接地是绿色的电线，只要它在螺丝下进入电缆托盘的一边”一切都是OK的。默里解释说，这种技术不足以确保EMC的适当接地。
高频噪声是更大的问题，它会导致电子流向导体外部的趋肤效应。为了消除高频噪声，需要大面积的地面。穆雷说:“在防护罩外面接地，给了所有高频皮肤效应噪声流到地面的机会。”此外，一个安装中的所有系统设备必须具有相同的低、高频接地参考点。
给用户的建议
ABB建议使用金属导管或VFD电缆(连续挤压铠装电缆，带有三根对称地线和三根对称电机线)。以下情况需要单独的金属管道:
输入功率;
输出(电机)功率;
控制线(115v ac);和
24v直流控制线或通信线。
Olson说:“因此，每个正确安装的变频器应该至少有三个独立的金属导管，适当地连接和接地。”
SEW Eurodrive对工业和住宅驱动器安装的建议通常在EMI滤波器和/或输出扼流圈的类型上有所不同。“我们(和其他公司)提供两个系列的相同的逆变器，一个带EMI滤波器，一个不带EMI滤波器，”Murray说。对于工业场所，较小的驱动器通常内置EMI滤波器，而对于住宅场所，外部输出滤波器是常见的。这对SEW来说是划算的。“在欧洲，由于严格的EMC法规和对更高兼容性的需求，驱动器往往更昂贵，”Murray补充道。
正确的电缆布线是另一个重要的EMC领域。SEW Eurodrive指出，在460伏PWM电源线上发现低压(24伏直流)编码器线并不罕见。这允许单个导体充当噪声发射器或接收器。确保编码器(和总线)布线正确屏蔽是进一步重要的建议。对于具有许多驱动器和子系统的大型应用程序，SEW建议应用程序工程师进行基础工作，以评估站点的EMC要求。
在保德电气，驱动器排放的答案几乎总是输入EMI/EMC滤波器。柯克帕特里克说:“在输入交流线路上的驱动器前面放置一个滤波器，可以减少驱动器放置在线路上的噪声量，减轻系统中其他地方的干扰。”至于驱动抗扰度，改进的现场接地技术通常提供补救措施。他说:“在某些情况下，可能有必要重新设计某些驱动电路板，以改善接地面，以解决非常嘈杂的情况。”
Baldor还提供带和不带EMI滤波器的驱动器版本。没有过滤器的驱动器主要在美国销售;柯克帕特里克说，那些带过滤器的产品要去有CE标志的国家或美国的工厂，因为这些地方的驱动EMI噪声是值得关注的。“对于没有过滤版本的驱动器，我们建议使用外部过滤器来解决这些情况。”
然而，一些欧洲的驱动器制造商认为，单一的“全球”驱动器产品是实现EMI合规的成本较低的途径。
现代驱动器设计也有助于减轻EMI。“高质量的变频器制造商现在在设计阶段非常关注电路板布局和电源走线，以避免将高频噪声耦合回电源线，”ABB的Olson补充说。据报道，ABB VFD基础设计中内置的低频带通RFI/EMI滤波器可以在除最差安装外的所有安装中避免出现问题。
在线额外
为什么不正确的电磁干扰接地如此普遍?
考虑到在许多装置中发生的不适当接地，提出这个问题是很自然的。在变频驱动器和电气系统中，适当的接地和连接是减轻电磁干扰(EMI)的必要条件。
ABB公司负责暖通空调应用的电力与控制销售经理Mike Olson提出了造成这种情况的两个原因:1)变频器是安装人员处理的最容易产生emi的设备，它们与其他设备一起使用的常规接地方法并不总是适用于驱动器;2)美国许多建筑物没有良好、坚实的公共接地，使建筑物的一层或一侧与地下室的主接地连接的电位略有不同。奥尔森说:“所有的建筑场地都应该具有相同的潜力，但事实往往并非如此。”
通过增加bonding组件，可以提高电磁兼容性接地的有效性。电键连接在一个位置的金属，不载流元件，使它们处于相同的电势。
https://www.abb.us/drives
SEW Eurodrive的企业培训师马特•默里(Matt Murray)认为，与欧洲和世界其他地区相比，适当的停飞在美国往往是一个更大的问题。部分原因在于，与其他国家相比，中国的电网相对可靠，能源相对清洁。似乎对电网可靠性的信念导致一些电气设备安装人员没有首先关注正确的EMI接地做法。
默里说:“欧洲的设备和驱动器都有额外的电磁干扰措施，而且由于电网的可靠性普遍较低，成本也更高。”“原始设备制造商在设计系统时并不知道系统最终会在哪里使用。这是增加系统中电磁干扰保护措施的主要原因。它包括滤波器，输出扼流圈，重要的是，适当的EMC接地。”
另一个原因是，目前美国没有针对电力驱动的约束性EMC法规，因此，并非所有设备安装人员都完全了解EMC要求。
| 作者信息 |
| 体育运动员弗兰克·j·巴托斯是控制工程咨询编辑器。打电话给他。braunbart@sbcglobal.net． |
驱动器用户应如何预防或减少电磁干扰
倍福自动化要求驱动用户考虑布线和其他几点:
在所有电气线圈上使用浪涌抑制元件;
仅使用伺服驱动器制造商提供的电机电源和反馈电缆;
使用双绞线并屏蔽所有承载低电平信号的导线，以抑制来自高电平电力电缆(电机或继电器线)的噪声耦合;
使用单点接地(即地对地在一点)以避免接地回路电位;
将控制/信号电缆与电源电缆和电机电缆分开，或将不同类型的电缆彼此排成90度，以减少噪声耦合;和
根据需要，在输入线路(市电)上使用隔离变压器和线路滤波器，以产生稳定、平衡和清洁的电力。
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