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)前隨著變頻器市場不斷擴大，激烈的競爭、成本壓力和技術(shù)創(chuàng)新導(dǎo)致產(chǎn)品價格不斷下降，體積不斷縮小，與此同時也擴大了變頻器的應(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行另外的干擾測試，這就意味著更多的費用，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 要求的最大運行范圍，通常和變頻器開關(guān)頻率以及變頻器和電機之間的最大線纜長度有關(guān)。一般情況下，更高的開關(guān)頻率，意味著更強的干擾。更長的線纜，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。如果實際應(yīng)用的線纜超過變頻器產(chǎn)品手冊中定義的最大線纜長度，那么不符合限值的情況就會發(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：

1)是長電機線纜和滿載運轉(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 認證，最大認證電流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行性能測試，以說明這兩種EMC濾波器在變頻器應(yīng)用中的效果。

2 長線纜驅(qū)動的問題

通常情況下，配有內(nèi)置干擾抑制器件的變頻器的最大運行線纜長度是5 m。帶有內(nèi)部干擾抑制器件的測試曲線如圖2所示。被測變頻器帶有內(nèi)部干擾抑制器件，電機線纜長度為5 m或50 m，電機功率為11 kW。在電機線纜長度為50 m的情況下，發(fā)生超過限值的情況。測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的線纜，那么電源線上的傳導(dǎo)干擾將會增加，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。

在這個例子中，變頻器配有50 m長的線纜。測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，電機功率11 kW屏蔽線纜長度為50 m 的變頻器的EMI 測試曲線如圖3 所示。其中型號為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)部共模線圈的對比測試曲線如圖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于此拓撲情況并不適用，因為變頻器內(nèi)部的線圈已經(jīng)飽和，并成為一個附加的干擾源，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上。這是因為當(dāng)共模交流電流流過共模扼流圈的時候，并不斷地使其飽和，由于其非線性特性，扼流圈表現(xiàn)類似于一個額外的寬帶干擾源。因而線圈飽和的特性可以通過測試峰值(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。與此形成對比的是，線圈飽和對平均值(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探測器捕捉，而不是窄帶探測器AV。

乍看之下，在頻率從幾百kHz 到3 MHz 的范圍內(nèi)，配有內(nèi)置線圈的測試曲線令人驚訝。這是因為共模扼流圈，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。如果同一個變頻器使用同樣型號為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。

正因為這個原因，去掉變頻器內(nèi)部的干擾抑制線圈。這是一個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，連接線纜必須進行屏蔽處理。

然而真實情況是，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使用性能更高的外置濾波器，例如如圖4 所示的型號為B84143-B25-R110 的EPCOS雙節(jié)濾波器。被測變頻器帶有內(nèi)部線圈，其電機線纜長度為50 m，電機功率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。測試曲線中峰值PK在頻率至0.5 MHz時有劇烈的波動，這是因為內(nèi)部扼流圈仍然在飽和狀態(tài)下運行。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線纜長度而增強時，如果變頻器同時帶動多個并聯(lián)電機，那么這個問題將會更為嚴重。我們可以將屏蔽線纜視為一個包含多個串聯(lián)電感以及多個電容并聯(lián)并接地的簡化電路(多個仔型電路串連)，這些對地電容部分并聯(lián)，而總對地電容量隨著并聯(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，因為線上電感的存在，兩個線纜并聯(lián)并不等同于兩個寄生電容并聯(lián)。

然而，變頻器帶動兩個并聯(lián)電機(此例子中是一個功率為7.5 kW和11 kW 的電機)，每個電機以25 m長的線纜連接，這種配置要比單個電機、50 m長線纜的配置的要求更高，兩個電機并聯(lián)的測試曲線如圖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比測試曲線，將圖3 和圖5 進行對比，由圖可知，線纜長為25 m 的兩個電機產(chǎn)生的干擾明顯高于線纜長為50 m的電機。這種現(xiàn)象同樣可以在去掉變頻器內(nèi)部線圈后的對比測試中重現(xiàn)。如果使用低成本濾波器B84143-A25-R105，可以實現(xiàn)低于限值的目標(biāo)，即使在內(nèi)部線圈被去掉的情況下，但是余量相對于單個電機50 m線纜的情況要明顯小了很多。