變頻器通過國(guó)外電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐與思考

0.引言

隨著國(guó)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【1】。國(guó)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(guó)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。基于此，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(guó)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(guó)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【2】。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

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

在處理變頻器電磁兼容的問題中，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。

表2.干擾和高次諧波的不同點(diǎn)

1.2 干擾的種類

形成電磁干擾必須具備三個(gè)基本要素：電磁干擾源、耦合途徑和敏感設(shè)備。通過了解電磁干擾的種類可以有針對(duì)性的抑制或消除電磁干擾。根據(jù)電磁干擾的耦合途徑可以將干擾分為：傳導(dǎo)耦合、感應(yīng)耦合、輻射耦合及其它類型干擾。

1) 傳導(dǎo)耦合

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電磁干擾通過與其相連的導(dǎo)線(如電源線、信號(hào)線、接地線)進(jìn)行直接耦合，見圖2所示。

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(wú)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

前面提到了通過指定電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)內(nèi)變頻器進(jìn)軍海外市場(chǎng)時(shí)的必備條件。下面以歐盟市場(chǎng)為例進(jìn)行介紹。

2.1 CE 認(rèn)證

CE 是歐盟許多國(guó)家語(yǔ)種中“歐共體”這一詞組的縮寫，原來用英語(yǔ)詞組EUROPEAN COMMUNITY 縮寫為EC,因歐盟在法文是COMMUNATE EUROPEIA, 所以稱為CE認(rèn)證。CE認(rèn)證具有如下特點(diǎn)：

1)強(qiáng)制性(對(duì)于買到歐盟的產(chǎn)品必須通過);

2)EMC+LVD (滿足電磁兼容和低電壓指令，不同產(chǎn)品遵循不同的標(biāo)準(zhǔn));

3)不要工廠審查(美國(guó)的UL認(rèn)證有定期的工廠審查);

4)證書沒有有效期;

5)可以采用自我宣稱或第三方認(rèn)證方式獲得通過;

6)認(rèn)證通過后的標(biāo)志可以等比例縮放，但高度不能小于5mm ;

2.2 變頻器產(chǎn)品CE認(rèn)證方式及步驟

CE 認(rèn)證的要求是以指令(Directive)的形式發(fā)布要求。就變頻器產(chǎn)品而言指令如下：

EMC DIRECTIVE 89/336/EEC (2004/108/EC);LVD DIRECTIVE 73/23/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

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:

第一步：執(zhí)行樣品檢驗(yàn)

第二步：建立“技術(shù)檔案”;

第三步：實(shí)施量產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量保證制度;

第四步：簽署“CE保證申明”;

第五步：使用CE標(biāo)識(shí);

在執(zhí)行上述檢驗(yàn)步驟中，需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)產(chǎn)品中的各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格檢查，直至全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 變頻器產(chǎn)品CE認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試設(shè)備

就低壓變頻器而言，CE認(rèn)證中需要遵循的EMC標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。從所列標(biāo)準(zhǔn)中可以看出，內(nèi)容含蓋了1.2節(jié)中提到的對(duì)于變頻器系統(tǒng)中出現(xiàn)的所有干擾所需滿足的要求。在實(shí)際的設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)過程中需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中提出的指標(biāo)進(jìn)行仔細(xì)理解消化。下表5中給出了常用的測(cè)試設(shè)備及參考型號(hào)。

表4.變頻器CE認(rèn)證中的EMC標(biāo)準(zhǔn)

                  [!--empirenews.page--] 表5.EMC測(cè)試驗(yàn)證設(shè)備

3. 設(shè)計(jì)、認(rèn)證測(cè)試及應(yīng)用中案例

3.1 設(shè)計(jì)中的電磁兼容性考慮

變頻器中大量的使用了電力電子半導(dǎo)體器件，其中IGBT作為主功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，數(shù)字化、高頻化的快速發(fā)展中帶來的電磁兼容問題必須在設(shè)計(jì)階段充分考慮。下面分別從原理圖設(shè)計(jì)檢查、PCB設(shè)計(jì)檢查及濾波元件使用三個(gè)方面進(jìn)行討論。

1)原理圖設(shè)計(jì)中EMC檢查

原理圖是變頻器產(chǎn)品電路部分的基礎(chǔ)，從EMC角度出發(fā)，表6中給出了原理圖設(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。

表6 原理圖檢查列表

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(wú)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(guó)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(wú)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)入新市場(chǎng)的必備條件

不同國(guó)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(guó)家和地區(qū)：C-TICK, SAA, CB, SASO，NOM。從上面所給出的不同國(guó)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(guó)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。

4.4 EMC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(guó)內(nèi)具備測(cè)試能力的EMC實(shí)驗(yàn)室看到，大多數(shù)是國(guó)有大中型科研院、所，由于有國(guó)家資金的投入，硬件平臺(tái)非常的完善，但軟的方面卻略顯不足，比如：熟悉不同行業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的人才、民用產(chǎn)品測(cè)試的附屬件、服務(wù)的意識(shí)。從而造成了擁有測(cè)試能力的一方設(shè)備閑置率高、利用率低下，而中小企業(yè)在產(chǎn)品EMC測(cè)試中找不到合適的實(shí)驗(yàn)室。綜上論述，國(guó)內(nèi)變頻器產(chǎn)品在走向全球市場(chǎng)進(jìn)程中，需要不斷加強(qiáng)研發(fā)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，將EMC納入同步設(shè)計(jì)流程，同時(shí)，培養(yǎng)及吸納優(yōu)秀的工程師，聯(lián)合有經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室方可取得事半功倍的效果。