2016 三月

EMC滤波器

无干扰变频器输出

变频器中的电磁兼容性问题不仅存在于输入端,还存在于输出端。为了可靠地消除输出端的各种干扰,TDK集团推出了一系列爱普科斯 (EPCOS) 滤波器和电抗器。

 

变频器用于调节异步电机的转速。在应用中,变频器和电机通过一根较长的电缆连接,在导线和导线之间及导线和地之间产生寄生电容此外,变频器输出电压的方波脉冲上升时间为5-10 kV/µs,在每次开关操作时,它会在电缆中产生高频电流并造成一系列负面影响:

 

 

  • 叠加在电缆上的高频电流会削减驱动电机的电流。。为了补偿此电流损失,必须选用额定功率更高的变频器。
  • 长电缆上的干扰电流非常大,以至于会触发变频器的过电流保护开关。
  • 含有高开关频率分量的高频电流会导致电缆和电机的损耗
  • 由于部分高频电流被接地,所以高频电流会导致不对称干扰。如果使用了未屏蔽的电机电缆,那么这些高频电流将会产生不允许的高干扰电磁场。为此,一般需要使用昂贵的屏蔽电机电缆。
  • 此外,变频器电压的陡峭上升沿会激励由电缆、电机电容及导线电感构成的寄生振荡电路,并且此电路的瞬态特性会叠加变频器的电压。在电机侧,这种瞬态效应主要会导致瞬态电压过冲,电压值可能会远大于电机的额定电压(见图1),并且局部放电也会对电机的绝缘物施加影响进而导致电机故障。
图1:电机电缆导致的电压过冲

在陡峭的上升沿情况下,长电机电缆会表现出相对高的电感和电压过冲。

总的来说,它会在变频器输出口产生以下问题:

  • 在电机电缆中产生高频电抗性电流
  • 电磁兼容性问题
  • 陡峭电压坡度和长电机电缆导致的电机过电压
  • 损坏电机绝缘物
  • 由于通过泄漏电流通过电机轴承而导致轴承损坏
  • 电机噪音

输出滤波器有效抑制干扰

为了有效抑制干扰,各种重要因素,例如电缆长度、干扰频谱、电机类型甚至额定功率等都非常重要。客户必须根据具体情况决定抑制变频器输出口干扰的必要措施。

dv/dt扼流圈

爱普科斯 (EPCOS) 扼流圈也被称为电机扼流圈,它是一种用于抑制长电机电缆干扰的典型部件。电机的全部电流经过这些串联的扼流圈,变频器输出突变电流和电压上升将会变的平缓从而缓解电机电缆的寄生电容充放电程度。电机扼流圈主要用于防止电机线圈中的电压尖峰。

B8630U*系列元件(见图2)的额定电压为520 V AC,额定电流为8A至1500 A,具体取决于实际型号。它们适用于最长100 m的电机电缆,且电机频率在0 Hz至400 Hz之间。更小系列产品适用于最大时钟频率为16 kHz的电机,或者电流大于500 A但频率只有2.5 kHz的电机。扼流圈的设计符合IEC 60076-6标准,并且所有系列产品均采用UL认证的T-EIS-CF1绝缘系统制造。

图2:电机扼流圈抑制电压尖峰

爱普科斯 (EPCOS) 电机扼流圈型号多样,可覆盖8A至1,500A范围内的所有电机应用。它能防止电机线圈中的电压尖峰,从而延长电机的使用寿命。

正弦波滤波器

如果有更高的干扰抑制要求,推荐您使用正弦波滤波器。它们可设计为LC滤波器,但与电机扼流圈不同,其截止频率在输出频率与变频器时钟频率之间。

正弦波滤波器主要用于抑制导线之间的对称干扰,但相线和地之间的干扰几乎一点没有降低。因此,电机引线仍然需要屏蔽。正弦波滤波器降低了电机的噪音和涡流损耗,因此可适用于长度大于100 m的电机导线。

爱普科斯 (EPCOS) B84143V*R227、R229和R230系列均为典型的弦波滤波器。这些产品适用于额定电压在520 V至690 V额定流在4A至320A之间的应用,允许的变频器时钟频率在1.8 kHz至16 kHz之间,具体取决于产品类型。

SineFormer®

尽管电机扼流圈和正弦波滤波器降低了电机电缆的电压峰值,但它们很难降低相对地之间干扰。这就是屏蔽电机电缆仍然很有必要的原因。此外,只采用以上措施依然很难降低电机轴承电流。

为了降低电机电缆上的不对称干扰并无需屏蔽电缆,必须使用EMC正弦波滤波器,它由一个正弦波滤波器、电流补偿扼流圈以及接地电容器构成。EPCOS SineFormer(见图3)就是基于这种电路设计的产品。

图3:爱普科斯 (EPCOS) SineFormer的电路图

SineFormer能够同时抑制对称和不对称干扰,从而无需昂贵的屏蔽电缆并能很好地保护电机。

一般而言,相比于只使用屏蔽电缆,采用SineFormer配合非屏蔽电缆(取决于电缆的截面积和电缆长度)的解决方案通常更加经济。对于电缆长度大于100 m的情况,使用非屏蔽电缆的节约成本足以抵消配备SineFormer的成本。如果将SineFormer配合非屏蔽电缆的成本与采用正弦波滤波器配合屏蔽电缆的成本相比,Sineformer所代表的更经济的解决方案,在电缆长度不到50米就显现出来了, ,,并且还未考虑屏蔽电缆所附加的安装成本。

图4显示了SineFormer技术如何工作:即使电源电缆与非屏蔽电机电缆相互交叉,系统仍然具有安全余量本示例符合标准EN 61800 C2类别要求),几乎没有耦合现象,这也充分证明了这种滤波器技术的卓越效果。总体而言,它可以降低系统成本并提高设备的可用性。

图4:爱普科斯 (EPCOS) SineFormer上的噪声电压测量

尽管采用的是非屏蔽电缆,但仍能满足噪声限制要求。

B84143V*R127 SineFormer还适用于改造任务,例如,在未投入使用前,电机电缆上的电磁兼容性问题并不明显。在设计合适输入EMC滤波器时也要特别注意,例如,在新的紧凑型B84243A*系列输入波器的辅助下。配合SineFormer以及长度≤300 m的非屏蔽电缆可达到C2限制级别(跟据EN 61880-3)。

图表:爱普科斯(EPCOS)SineFormer滤波器的技术参数
额定电压520 V AC,最大电流180 A, 600 V AC (320 A)
额定电流6 A 到320A
转换器脉冲频率4kHz到8kHz,最大至180 A;320A时为2.5 kHz到3 kHz
认证UL和cUL,最大至180 A (6 A和45 A除外)

优点概览

采用SineFormer EMC技术的优点

  • 将dv/dt降低至500 V/μs以下
  • 降低电机的噪音
  • 大大降低涡电流损耗
  • 显著减小电机轴承电流
  • 防止电机电缆与其他网络和信号电缆之间的干扰耦合
  • EMC性能比屏蔽电缆更佳
  • 无线干扰辐射符合标准的限制范围
  • 相比于其它输出滤波器解决方案,可最大限度地减小干扰(有线和无线干扰)
  • 无需向变频器的DC-link馈电

SineFormer EMC技术的经济优势

  • 可使用未屏蔽的电机电缆,减少安装费用,显著延长电机的使用寿命,并减少电机电缆的成本
  • 降低电机规格
  • 可使用更长的电机电缆(经测量可达1000 m)
  • 无维护成本,因为SineFormer无任何强制通风
  • 结构紧凑的滤波器(非模块化系统),体积和重量更小
  • 对输入线路滤波器的要求降低
  • 系统可用性更佳
  • 适用于改造现有系统

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