EMC 濾波器在變頻器中的應(yīng)用

0 引言

雖然大多廠家提供的變頻器都配有內(nèi)部干擾抑制器件，但是外置EMC 濾波器在某些應(yīng)用中仍是需要的。EPCOS 的兩種EMC濾波器，就非常適用于變頻器的外置應(yīng)用。

當(dāng)前隨著變頻器市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，激烈的競(jìng)爭(zhēng)、成本壓力和技術(shù)創(chuàng)新導(dǎo)致產(chǎn)品價(jià)格不斷下降，體積不斷縮小，與此同時(shí)也擴(kuò)大了變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域。今天的變頻器廠家一般提供的產(chǎn)品都含有內(nèi)置干擾抑制器件，但是這只能保證在其精確定義的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下滿足EMC 的要求。如果超過限值，就需要配置外置濾波器并進(jìn)行另外的干擾測(cè)試，這就意味著更多的費(fèi)用，并最終導(dǎo)致更高昂的系統(tǒng)成本。

根據(jù)變頻器產(chǎn)品說明，滿足EMC 要求的最大運(yùn)行范圍，通常和變頻器開關(guān)頻率以及變頻器和電機(jī)之間的最大線纜長(zhǎng)度有關(guān)。一般情況下，更高的開關(guān)頻率，意味著更強(qiáng)的干擾。更長(zhǎng)的線纜，意味著更大的共模電流將流過用以抑制干擾的共模扼流圈。如果實(shí)際應(yīng)用的線纜超過變頻器產(chǎn)品手冊(cè)中定義的最大線纜長(zhǎng)度，那么不符合限值的情況就會(huì)發(fā)生。另外，變頻器內(nèi)置的噪聲抑制線圈甚至?xí)l(fā)生飽和，導(dǎo)致整個(gè)濾波器完全失效。

1 EPCOS B84143A 和B84143B 系列濾波器

EPCOS B84143A和B84143B 系列EMC 濾波器有如下特點(diǎn)：

1)是長(zhǎng)電機(jī)線纜和滿載運(yùn)轉(zhuǎn)的優(yōu)化方案;

2)高插入損耗性能;

3)容易安裝，重量輕(0.58~13.5 kg)，體積小(51.4 mm伊63 mm伊165 mm ~110 mm伊220 mm伊440 mm);

4)適用于所有工業(yè)電源，最大電壓520 V，50/60 Hz;

5)產(chǎn)品擁有UL 和CSA 認(rèn)證，最大認(rèn)證電流200 A;

6)可提供電流至2 500 A的訂制解決方案;

7)高過載容量，可承受最大2.5 倍額定電流的過載。

其外形圖如圖1所示。

現(xiàn)在我們對(duì)在不同應(yīng)用條件下的配置有內(nèi)置干擾抑制器件的商用變頻器進(jìn)行性能測(cè)試，以說明這兩種EMC濾波器在變頻器應(yīng)用中的效果。

2 長(zhǎng)線纜驅(qū)動(dòng)的問題

通常情況下，配有內(nèi)置干擾抑制器件的變頻器的最大運(yùn)行線纜長(zhǎng)度是5 m。帶有內(nèi)部干擾抑制器件的測(cè)試曲線如圖2所示。被測(cè)變頻器帶有內(nèi)部干擾抑制器件，電機(jī)線纜長(zhǎng)度為5 m或50 m，電機(jī)功率為11 kW。在電機(jī)線纜長(zhǎng)度為50 m的情況下，發(fā)生超過限值的情況。測(cè)試表明在滿足這些條件下的最大傳導(dǎo)發(fā)射滿足EN55011/Class A 的要求。然而，如果變頻器使用更長(zhǎng)的線纜，那么電源線上的傳導(dǎo)干擾將會(huì)增加，變頻器內(nèi)置濾波器將不能保證足夠的噪聲抑制。由于屏蔽線纜本身的高寄生電容所產(chǎn)生的共模電流也將隨著線纜長(zhǎng)度而增加，這些電流將導(dǎo)致內(nèi)部濾波器的共模扼流圈飽和，因而EMC 的要求將很難被滿足，配置外置濾波器成為了必要條件。

在這個(gè)例子中，變頻器配有50 m長(zhǎng)的線纜。測(cè)試記錄清楚的表明內(nèi)部濾波器的線圈飽和，發(fā)出了嗡嗡的讓人煩躁的噪聲，因此必須配置外置濾波器來保證重新滿足EMC 限值的要求。相應(yīng)的配有外置濾波器，電機(jī)功率11 kW屏蔽線纜長(zhǎng)度為50 m 的變頻器的EMI 測(cè)試曲線如圖3 所示。其中型號(hào)為B84143-A25-R105 的EPCOS 超緊湊、低成本濾波器在此應(yīng)用中被使用。

3 飽和的影響

安裝外置濾波器，配有和去掉內(nèi)部共模線圈的對(duì)比測(cè)試曲線如圖3 所示，顯示干擾被降低了，但是仍然沒有低于限值。證明此外置濾波器對(duì)于此拓?fù)淝闆r并不適用，因?yàn)樽冾l器內(nèi)部的線圈已經(jīng)飽和，并成為一個(gè)附加的干擾源，飽和線圈產(chǎn)生的干擾直接疊加在變頻器自身的干擾信號(hào)上。這是因?yàn)楫?dāng)共模交流電流流過共模扼流圈的時(shí)候，并不斷地使其飽和，由于其非線性特性，扼流圈表現(xiàn)類似于一個(gè)額外的寬帶干擾源。因而線圈飽和的特性可以通過測(cè)試峰值(PK)和準(zhǔn)峰值(QP)體現(xiàn)出來，可以看到峰值和準(zhǔn)峰值已經(jīng)超過限值。與此形成對(duì)比的是，線圈飽和對(duì)平均值(AV)的影響非常有限。因線圈飽和產(chǎn)生的寬帶干擾相應(yīng)的更清楚的被寬帶PK 和QP探測(cè)器捕捉，而不是窄帶探測(cè)器AV。

乍看之下，在頻率從幾百kHz 到3 MHz 的范圍內(nèi)，配有內(nèi)置線圈的測(cè)試曲線令人驚訝。這是因?yàn)楣材６罅魅?，其電感量由其鐵氧體材料決定，不僅抑制共模干擾，而且具有非常低的漏感(漏感是由于部分磁場(chǎng)穿過空氣而不是鐵氧體介質(zhì)所產(chǎn)生的)。這部分漏感并沒有受到線圈飽和的影響而繼續(xù)存在，但是它對(duì)其他因線圈飽和而超過限值的頻段幾乎毫無幫助。如果同一個(gè)變頻器使用同樣型號(hào)為B84143-A25-R105 的EPCOS 濾波器，但是去掉變頻器內(nèi)部扼流圈，結(jié)果顯示就如圖3，這樣更容易滿足限值。

正因?yàn)檫@個(gè)原因，去掉變頻器內(nèi)部的干擾抑制線圈。這是一個(gè)非常好的沒有濾波的變頻器效果展示，無內(nèi)部濾波器的變頻器仍含有一些抑制干擾的基本元件，如良好鏈接的電容器。內(nèi)部電容是必要的，這樣連接變頻器和濾波器之間的電源線上的高頻干擾將有效地被降低，以防止噪聲耦合到濾波器電源線上。否則，連接線纜必須進(jìn)行屏蔽處理。

然而真實(shí)情況是，如果用戶使用帶有包含共模扼流線圈的內(nèi)部干擾抑制元件，那么就不可避免地要同時(shí)使用性能更高的外置濾波器，例如如圖4 所示的型號(hào)為B84143-B25-R110 的EPCOS雙節(jié)濾波器。被測(cè)變頻器帶有內(nèi)部線圈，其電機(jī)線纜長(zhǎng)度為50 m，電機(jī)功率11 kW，外置濾波器為B84143-B25-R110作為內(nèi)部干擾抑制器件的補(bǔ)充。

這樣至少確保干擾低于相應(yīng)的限值，滿足了EMC的要求。測(cè)試曲線中峰值PK在頻率至0.5 MHz時(shí)有劇烈的波動(dòng)，這是因?yàn)閮?nèi)部扼流圈仍然在飽和狀態(tài)下運(yùn)行。然而，準(zhǔn)峰值QP曲線將為平滑，明顯低于限值。

4 并聯(lián)的問題

當(dāng)電源輸入端的干擾隨電機(jī)線纜長(zhǎng)度而增強(qiáng)時(shí)，如果變頻器同時(shí)帶動(dòng)多個(gè)并聯(lián)電機(jī)，那么這個(gè)問題將會(huì)更為嚴(yán)重。我們可以將屏蔽線纜視為一個(gè)包含多個(gè)串聯(lián)電感以及多個(gè)電容并聯(lián)并接地的簡(jiǎn)化電路(多個(gè)仔型電路串連)，這些對(duì)地電容部分并聯(lián)，而總對(duì)地電容量隨著并聯(lián)線纜的增加而增加。然而，另一方面，屏蔽線纜的等效電路非常復(fù)雜，因?yàn)榫€上電感的存在，兩個(gè)線纜并聯(lián)并不等同于兩個(gè)寄生電容并聯(lián)。

然而，變頻器帶動(dòng)兩個(gè)并聯(lián)電機(jī)(此例子中是一個(gè)功率為7.5 kW和11 kW 的電機(jī))，每個(gè)電機(jī)以25 m長(zhǎng)的線纜連接，這種配置要比單個(gè)電機(jī)、50 m長(zhǎng)線纜的配置的要求更高，兩個(gè)電機(jī)并聯(lián)的測(cè)試曲線如圖5 所示。安裝外置B84143-A25-R105濾波器，是配有和去掉內(nèi)置干擾抑制器件的對(duì)比測(cè)試曲線，將圖3 和圖5 進(jìn)行對(duì)比，由圖可知，線纜長(zhǎng)為25 m 的兩個(gè)電機(jī)產(chǎn)生的干擾明顯高于線纜長(zhǎng)為50 m的電機(jī)。這種現(xiàn)象同樣可以在去掉變頻器內(nèi)部線圈后的對(duì)比測(cè)試中重現(xiàn)。如果使用低成本濾波器B84143-A25-R105，可以實(shí)現(xiàn)低于限值的目標(biāo)，即使在內(nèi)部線圈被去掉的情況下，但是余量相對(duì)于單個(gè)電機(jī)50 m線纜的情況要明顯小了很多。