交流传动中的电磁兼容性设计分析;Control Techniques 首席工程师 Colin Hargis 撰写的这篇博客解释了交流变频器中电磁兼容性 (EMC) 的一些基本思想和原理。
脉冲和光谱
首先需要明确频谱的概念,该概念被 EMC 工程师广泛使用,但可能会引起混乱。帮助理解 EMC 影响的一种方法是根据干扰的频率内容或频谱进行研究。这主要是因为无线电波的传播最好通过已知频率的正弦波的传播来理解。然而,最常见的无意电磁发射源是来自开关操作的快速变化的电脉冲,例如逆变器或开关模式电源中的功率开关。直观上显而易见的是,脉冲变化越快,其频率含量就越高。
对于规则的重复脉冲,两者通过傅里叶级数联系起来,对于非重复脉冲,通过傅里叶变换联系起来。您不必是一位高超的数学家就能看出,如果脉冲序列的脉冲边沿的上升时间为 ,则相应的频谱将包含高达频率至少为 的高电平,而在实践中,这可能是真实达到甚至更多。
电磁抗扰度
对意外电磁发射的干扰最敏感的设备是无线电通信设备。这是因为它被有意设计为响应其工作的无线电频谱部分中的非常小的信号。管理电磁辐射限制的国际标准由国际机构 CISPR 制定,其任务是保护无线电频谱。
其他一些设备也在其操作中使用敏感的射频探测器(例如电容式接近传感器),因此它们本质上对电磁干扰也很敏感。
大多数模拟和数字设备并不是故意敏感的,但如果暴露在过高的水平下,它可能会发生故障。例如,简单的模拟控制输入的设计带宽可能仅为 1 kHz 或左右,低于射频范围。然而,模拟电路可能会无意中纠正非常高水平的射频能量拾取,并导致低频误差。在数字电路中,电磁脉冲感应的短电压脉冲可能会导致地址或数据出现位错误,从而导致微处理器崩溃。
“地面”
接地的概念对于 EMC 来说很重要,但也令人困惑。良好的 EMC 最好借助物理分布广泛的金属参考结构来实现,可以确信该结构周围不会有不同的电势。在标准工业电气面板中,这将是面板背板。大面积意味着高频电流可以在结构中流动而不会产生太大的磁场或差动电压。通常,这种结构是否连接到物理接地(地)对于 EMC 来说并不重要,因为连接到地所需的导线长度非常长,以至于其电感使其与高频无关。然而,出于电气安全原因,此类结构通常接地,因此工程师倾向于将它们称为“ground”,因为没有其他合适的英文单词。需要理解的是,对 EMC 有利的是它们的局部等电位效应,而不是它们接地的事实。
基本原理 – 变速驱动器的 EMC
在许多方面,VSD 的 EMC 要求与其他专业电子设备没有什么不同。然而,VSD 确实包含一个带有功率开关半导体的强大逆变器,旨在产生高且变化非常快的电压和电流。正是这种快速变化的电压和电流往往会产生电磁辐射作为副产品,因此 VSD 可能是高水平意外电磁辐射的来源。如果安装错误,VSD 可能会成为其他设备的真正干扰源或“噪音”,特别是当其他设备(有意或无意)对电磁波敏感时。
例如,考虑一个 VSD,其输出是每个相位的脉冲序列,重复频率为 3 kHz,脉冲上升时间约为 100 ns。该脉冲串的频谱包含 3 kHz 的所有谐波。它们随着谐波次数的增加而稳定减少,但仍然存在高达 10 MHz 的相当大的能量含量,并且必须考虑高达约 60 MHz 的意外发射。(这些谐波不应与电力线谐波混淆,电力线谐波将在单独的博客中介绍。)如果您熟悉无线电传播,那么您就会知道大约 5 MHz 到 20 MHz 之间的短波段无线电波可以传播整个世界 - 因此,重要的是我们不要在这些地区释放太多意外的电磁能量。
按照重要性降序排列,VSD 电磁辐射的关键连接如下:
1. 电机的输出端子。它们承载完整的逆变器输出电压,该电压是具有非常短边沿的宽度调制脉冲序列。如上所述,脉冲串的频谱内容延伸至大约60 MHz,即它覆盖了直到短波带极限的射频频谱。它不会扩展到移动电话和 WiFi 等现代通信技术所使用的 VHF、UHF 或微波频段。
只有对该电路进行全面的电磁屏蔽,并且对细节一丝不苟,才能防止过度发射。
2. 电源输入端子。在输出电路的寄生电容中循环的一些高频电流在逆变器输入端子处被反映为共模电流。通常安装一个内部射频滤波器来减少这种影响,但这里可能需要一个额外的滤波器来最大限度地减少进入电源的发射。再次需要仔细注意安装细节,以防止过度排放。
3、控制端子。由于它们靠近逆变器内部电源电路,因此它们会携带一定水平的感应“噪声”电流。必须遵循一些基本规则,以防止意外的排放影响。
上述所有内容都是为了最大限度地减少逆变器的意外排放,因为这是 VSD 与其他常见低功耗工业电子设备(例如仪器、传感器、PLC、运动控制器和 SCADA 系统)区别开来的功能。VSD 还具有承载模拟和数字信息的信号端口,必须正确连接这些信号端口,以避免由于对传入电磁能意外敏感而导致错误。连接这些端口的要求与其他电子设备没有什么不同,但由于相邻的强大逆变器,不遵循说明更有可能导致干扰。
基本规则
规则总结如下图:
电机电路
变频器与电机的连接必须使用屏蔽(屏蔽)电源线。屏蔽必须直接连接(夹紧或以其他方式固定),使其与逆变器的接地金属部件以及电机的金属主体接触。应避免屏蔽的“尾纤”连接,因为尾纤的小电感足以导致电缆屏蔽上出现显着的噪声电压。
电源输入电路
必须有一个过滤器。根据应用的不同,内部过滤器可能就足够了。CT 驱动器中提供的滤波器将电源线发射降低到足够低的水平,以避免对大多数通用电子设备的干扰。如果有严格的限制,例如必须满足严格的排放标准,或者已知附近有敏感的通信设备,则必须在电源输入处安装额外的滤波器。过滤器的设计必须适合与 VSD 一起使用,并且必须严格遵循安装说明。这意味着滤波器必须安装在靠近逆变器的位置,并且安装在与逆变器和电机电缆屏蔽相同的金属结构上,以确保“接地”连接具有最小的自感。
滤波器的输入电源连接必须与“嘈杂”逆变器及其电源输出连接分开。
控制电路
对于通用I/O电路,主要是24V逻辑和0-10V模拟系统,一般没有特殊要求。这些电路并不是特别重要,因为它们被有意设计为具有相对较低的带宽,因此它们不太可能对高频感应干扰信号做出响应。通常最简单的是将驱动器 0V 控制端子接地,但也必须直接连接到需要交换控制数据的其他设备的相应 0V 或“接地”端子。
有时,系统设计要求 0V 连接与地隔离。“浮动”0V 可以抑制设备之间不同接地电压引起的任何干扰。例如,这用于具有 4-20 mA 信号的传统过程控制模拟电路。然而,必须仔细遵循这种方法,并且经常会出现问题,因为某一特定设备无法承受将在 0V 连接中感应出的不可避免的噪声电压。
在精密运动控制应用中,提供平衡模拟输入是很常见的,即有一个与 0V 分开的“+”和“-”端子。如果按照安装说明正确使用双芯屏蔽电缆,则可以提供出色的抗噪声能力 - 差分输入电路可抑制低频干扰,而屏蔽电缆可抑制高频。
轴编码器等数字数据源非常关键,因为它们具有较宽的带宽,因此容易受到高频干扰。正确安装的屏蔽双绞线电缆可提供良好的抗扰度。
最后,非常高带宽的数据电路(例如使用非屏蔽双绞线 (UTP) 的以太网)实际上提供了非常好的抗扰性,这主要是因为每个节点处的隔离变压器耦合可以避免循环噪声电流,并提供出色的共模抑制。
从本节可以看出,控制电路的类型多种多样,并且它们之间的规则也有所不同。如果您想了解更多信息,我在博客末尾推荐一本很好的教科书。
关于屏蔽电缆的一些令人惊讶的事实
屏蔽电缆似乎是一个相当平庸的组件。大多数电子工程师会认为这是司空见惯的事,不值得详细研究。然而,屏蔽电缆比看起来更复杂。例如,请考虑您可能在 EMC 建议中读到的以下准则:
1. “电缆屏蔽层必须始终正确安装到合适的同轴连接器中,编织层在整个圆周上与连接器主体相接,即 360°”
2. “在为了避免接地环路,电缆屏蔽层必须仅在一端连接。另一端必须剪短并绝缘”
3. “电源线的铠装必须仅在电源端接地”
4. “电源线的铠装必须直接固定到逆变器的接地金属上零件和电机本体”
准则 1. 和 4. 与 2. 和 3. 直接矛盾。还有其他相互矛盾的准则,例如,使用“尾纤”连接电缆屏蔽在某些行业中很常见,但在其他行业中却被禁止。
所有这些准则在某些情况下都有合理的理由,但对于屏蔽电缆在存在电磁能的情况下发挥作用,准则 2. 和 3. 是错误的。如果两端正确连接,电缆屏蔽只会抑制电场和磁场感应。未来的博客将进一步解释这一点。
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