變頻器通過國外電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐與思考

1、隨著國內(nèi)變頻器產(chǎn)品日趨成熟，在工業(yè)設(shè)備節(jié)能和工藝調(diào)速方面越來越發(fā)揮了巨大的作用。變頻器帶載運(yùn)行時(shí)，在電源側(cè)和電機(jī)側(cè)均會(huì)產(chǎn)生一定的電磁干擾。同時(shí)，在其運(yùn)行的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)也存在著由于使用各類電力電子設(shè)備所帶來的較高的電磁干擾。電磁兼容問題解決的好壞，直接關(guān)系到系統(tǒng)能否可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。國內(nèi)變頻器廠家在逐鹿本土市場(chǎng)的同時(shí)，已逐步具備競(jìng)爭(zhēng)海外市場(chǎng)的實(shí)力。對(duì)不同國家及地區(qū)而言，變頻器產(chǎn)品通過電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)及準(zhǔn)入要求是進(jìn)入其市場(chǎng)的必要條件?；诖?，本文在分析變頻調(diào)速器設(shè)計(jì)及應(yīng)用中存在的電磁干擾問題基礎(chǔ)上，探討變頻器產(chǎn)品通過國外認(rèn)證需要注意的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試問題，指出了國內(nèi)電磁兼容專業(yè)人才培養(yǎng)、測(cè)試、認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室存

2、在的不足?！?】1變頻器中的電磁兼容問題1.1輸入側(cè)的高次諧波目前的低壓變頻器產(chǎn)品中，輸入側(cè)均采用二極管不控整流方案，非線性不控整流器在工作中會(huì)帶來高次諧波的干擾。以圖1所示的變頻器主電路進(jìn)行分析。圖中給出了交-直-交電壓型逆變器，工頻電源通過三相不控整流給電解【2】電容充電，可已知道，輸入電流波形發(fā)生了嚴(yán)重的畸變。畸變次數(shù)與量值和整流形式有很大關(guān)系。一般整流脈波次數(shù)越高，高次諧波對(duì)電源的污染越小。表1給出了變頻器整流脈波次數(shù)對(duì)電源污染的比較。圖1.低壓變頻器主電路表1.不同脈波整流比較整流器方式6脈波不控整流總電流失真總電壓失真（%）（%）251012脈波不控整流8.85.9在處理變頻器電磁

3、兼容的問題中，常常將高次諧波和高頻干擾混淆。變頻器輸出側(cè)的高頻干擾是由輸出側(cè)逆變器的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)形成的。干擾的高低與PWM調(diào)試方式和開關(guān)頻率有關(guān)。表2中給出了干擾和高次諧波的對(duì)比。圖2變頻調(diào)速系統(tǒng)傳導(dǎo)耦合途徑2）感應(yīng)耦合在干擾源的頻率較低時(shí),其電磁波輻射能力有限。此時(shí),干擾源的電磁干擾能量可以使不與干擾源直接相連的鄰近的導(dǎo)線或?qū)w中產(chǎn)生感應(yīng)電壓或電流,形成感應(yīng)耦合現(xiàn)象。在變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中,感應(yīng)耦合主要表現(xiàn)為鄰近導(dǎo)體間的電感耦合或電容耦合或兼而有之,這與干擾源的頻率以及相鄰導(dǎo)體間的距離等因素有關(guān)，見圖3，圖4所示。圖3變頻調(diào)速系統(tǒng)電感感應(yīng)耦合途徑圖4變頻調(diào)速系統(tǒng)電容感應(yīng)耦合途徑3）輻射耦

4、合變頻器內(nèi)產(chǎn)生的干擾，以輸入側(cè)或輸出側(cè)的電纜為天線向空中發(fā)散，對(duì)外圍器件產(chǎn)生影響的干擾就是輻射干擾。輻射干擾不僅限于電纜，電機(jī)的機(jī)殼或變頻器的控制柜都有可能成為天線，見圖5所示。圖5變頻調(diào)速系統(tǒng)輻射耦合途徑4）其它類型干擾除了前面提到的幾類干擾，常見的干擾還有，電源快速瞬變干擾、雷電干擾、無線電射頻干擾、電壓跌落與中斷等。本文不展開詳述。2.CE認(rèn)證中的電磁兼容件。下面以歐盟市場(chǎng)為例進(jìn)行介紹。2.1CE認(rèn)證CE是歐盟許多國家語種中“歐共體”EUROPEANCOMMUNITY縮寫為EC,COMMUNATEEUROPEIA,所以稱為CECE2)EMC+LVD)；3)不要工廠審查（美國的4)證書沒有

5、有效期；5mm;2.2認(rèn)證方式及步驟CEDirective)的形式發(fā)布要求。就變頻器產(chǎn)品而言指令如下：EMCDIRECTIVE89/336/EEC(2004/108/EC)；LVDDIRECTIVE73/23/EEC；上面介紹了通過CE認(rèn)證的兩種方式，表3給出了兩種方式各自的優(yōu)缺點(diǎn)。表3不同認(rèn)證方式對(duì)照表自我宣稱第三方認(rèn)證優(yōu)點(diǎn)費(fèi)用低進(jìn)度可以靈活控制缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)費(fèi)用高周期長(zhǎng)生產(chǎn)者需要獨(dú)認(rèn)可度高立承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)可度不高減小生產(chǎn)者承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)在選定了認(rèn)證方式后，CE認(rèn)證所執(zhí)行的檢驗(yàn)步驟如下:9101112傳導(dǎo)發(fā)射輻射發(fā)射不平衡抗擾度諧波抗擾度IEC55011IEC55011IEC6100-04-27IEC

6、6100-04-13表5.EMC測(cè)試驗(yàn)證設(shè)備3.2）PCB設(shè)計(jì)中EMC檢查PCB是變頻器產(chǎn)品電路部分的實(shí)現(xiàn)的介質(zhì)，PCB設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到了變頻器產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性。從EMC角度出發(fā)，表7中給出了PCB設(shè)計(jì)中EMC檢查的幾個(gè)示例，具體到各家的產(chǎn)品有不同的設(shè)計(jì)檢查規(guī)范要求。3）濾波器件的使用變頻器中使用的開關(guān)電源的頻率通常在40kHz-300kHz之間，如果不采用相應(yīng)的濾波器件電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)很難實(shí)現(xiàn)。設(shè)置濾波器,其作用是為了抑制諧波干擾信號(hào)從變頻器電源通過導(dǎo)線傳導(dǎo)干擾到周邊電路。恰當(dāng)?shù)剡x擇和正確地使用濾波器對(duì)抑制傳導(dǎo)干擾十分重要。3.2變頻器認(rèn)證測(cè)試針對(duì)設(shè)計(jì)完成的產(chǎn)品，按照認(rèn)證的步驟需要進(jìn)行

7、測(cè)試驗(yàn)證，根據(jù)測(cè)試結(jié)果來判斷是否完全符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)要求。對(duì)變頻器而言，表4中列出的每項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均需要在符合要求的實(shí)驗(yàn)室或測(cè)試中心來驗(yàn)證完成。已第10項(xiàng)輻射發(fā)射為例進(jìn)行介紹,圖6給出了某廠家變頻器的輻射發(fā)射測(cè)試圖。圖6變頻調(diào)速系統(tǒng)輻射發(fā)射測(cè)試在測(cè)試過程中，以下幾個(gè)因素對(duì)測(cè)試結(jié)果有較大的影響：1）開關(guān)頻率：越高對(duì)測(cè)試的結(jié)果影響越大；2）負(fù)載大?。贺?fù)載電流越大對(duì)測(cè)試的結(jié)果影響越大；3）屏蔽設(shè)備：安裝到屏蔽柜內(nèi)對(duì)某些頻率段有較好的改善效果。3.3應(yīng)用中改善電磁干擾的方案前面3.1節(jié)中探討了設(shè)計(jì)中的電磁兼容性，當(dāng)變頻器產(chǎn)品完成設(shè)計(jì)，應(yīng)用到傳動(dòng)系統(tǒng)中仍無法滿足電磁兼容要求時(shí)，針對(duì)系統(tǒng)的抗電磁干擾方案的使用

8、是非常必要的。下面探討幾種常見的抗電磁干擾方案。1）高次電流諧波的抑制圖7(a)、圖7(b)分別給出了采用輸入交流電抗器和直流電抗器的方案。圖7.（a）采用AC輸入電抗器抑制高次諧波對(duì)于中大功率的變頻器來說，廠家在設(shè)計(jì)時(shí)都集成了直流電抗器或預(yù)留連接外部直流電抗器的端子來滿足系統(tǒng)抗電磁干擾的要求。圖7.（b）采用DC輸入電抗器抑制高次諧波2）金屬接線管的接地變頻器在安裝過程中，為了減小輻射發(fā)射對(duì)周邊儀器儀表的影響，常常會(huì)將輸入、輸出導(dǎo)線用鋼管來屏蔽。圖8給出了穿鋼管后有效的接地示意圖。圖8.金屬接線管接地示意圖表8從變頻器接線和設(shè)置、控制柜、干擾對(duì)策用器件、受干擾影響的處理措施等幾方面概括了常見

9、及對(duì)策目標(biāo)。表8.常見干擾故障的防止方法4幾點(diǎn)思考4.1好的產(chǎn)品是設(shè)計(jì)出來的不是測(cè)試出來的隨著國產(chǎn)變頻器產(chǎn)品自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)及研發(fā)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，對(duì)于高可靠性、高品質(zhì)的產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)也不斷加深。好的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段必須有足夠的驗(yàn)證和考驗(yàn)，每項(xiàng)指標(biāo)從理論到實(shí)踐必須有清晰的過程及數(shù)據(jù)支持。而不是等到設(shè)計(jì)完成后通過反復(fù)的測(cè)試并降低測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)來滿足規(guī)格要求。許多公司在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中都引進(jìn)了同步EMC設(shè)計(jì)流程，避免了產(chǎn)品后期出現(xiàn)EMC問題無法滿足標(biāo)準(zhǔn)后帶來的項(xiàng)目推遲或?qū)⒌椭笜?biāo)。圖9給出了研發(fā)設(shè)計(jì)與EMC設(shè)計(jì)同步流程示意圖。只有嚴(yán)格執(zhí)行EMC同步設(shè)計(jì)流程，才能設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的產(chǎn)品。圖9.EMC同步設(shè)計(jì)流程示意圖4.2產(chǎn)品進(jìn)入

10、新市場(chǎng)的必備條件不同國家和地區(qū)的EMC認(rèn)證有：歐洲：CE,TUV,GS,VDE,NEMKO,SEMKO,DEMKO,FIMKO,GOST；美洲：UL,CSA,FCC（Verification,DoC和Certification）,ETL,FDA；亞洲：CCC,PSB,PSE,VCCI,BSMI,MIC；其它國家和地區(qū)：C-TICK,SAA,CB,SASO，NOM。從上面所給出的不同國家和地區(qū)的EMC認(rèn)證的種類可以看出，認(rèn)證是進(jìn)入新市場(chǎng)的必備條件，必須充分了解其標(biāo)準(zhǔn)及需求，才有可能設(shè)計(jì)出符合新市場(chǎng)的產(chǎn)品。4.3專業(yè)的高水平EMC工程師人才稀缺產(chǎn)品的研發(fā)離不開人，優(yōu)秀產(chǎn)品的研發(fā)離不開優(yōu)秀的研發(fā)工程

11、師。早期的產(chǎn)品研發(fā)中，針對(duì)各個(gè)研發(fā)環(huán)節(jié)，EMC僅僅是采取一些測(cè)試驗(yàn)證措施，沒有將其納入設(shè)計(jì)的流程中，因此，正正懂產(chǎn)品并有豐富EMC經(jīng)驗(yàn)的工程師非常少。而作為人才培養(yǎng)基地的高校也僅僅局限在理論的講解，缺少實(shí)踐環(huán)節(jié)，畢業(yè)生進(jìn)入企業(yè)后需要3-5年的時(shí)間去實(shí)踐并積累經(jīng)驗(yàn)。隨著國內(nèi)廠家海外市場(chǎng)開拓步伐的加快，專業(yè)的、有豐富經(jīng)驗(yàn)的EMC工程師在市場(chǎng)上變得十分稀缺。4.4EMC實(shí)驗(yàn)室如何提高服務(wù)水平和利用率EMC測(cè)試設(shè)備與常規(guī)的測(cè)試設(shè)備相比有其專用性的一面，因此，價(jià)格比較昂貴。尤其是EMC測(cè)試中的暗室和電磁屏蔽室，投資成本非常高，對(duì)于中小型公司、產(chǎn)品線單一的公司自建這樣的實(shí)驗(yàn)室十分困難。目前，從國內(nèi)具備測(cè)試能力的EMC實(shí)驗(yàn)室看到，大多數(shù)是國有大中型科研院、所，由于