EMC 濾波器在變頻器中的應用

0 引言

雖然大多廠(chǎng)家提供的變頻器都配有內部干擾抑制器件，但是外置EMC 濾波器在某些應用中仍是需要的。EPCOS 的兩種EMC濾波器，就非常適用于變頻器的外置應用。

當前隨著(zhù)變頻器市場(chǎng)不斷擴大，激烈的競爭、成本壓力和技術(shù)創(chuàng )新導致產(chǎn)品價(jià)格不斷下降，體積不斷縮小，與此同時(shí)也擴大了變頻器的應用領(lǐng)域。今天的變頻器廠(chǎng)家一般提供的產(chǎn)品都含有內置干擾抑制器件，但是這只能保證在其精確定義的運轉條件下滿(mǎn)足EMC 的要求。如果超過(guò)限值，就需要配置外置濾波器并進(jìn)行另外的干擾測試，這就意味著(zhù)更多的費用，并最終導致更高昂的系統成本。

根據變頻器產(chǎn)品說(shuō)明，滿(mǎn)足EMC 要求的最大運行范圍，通常和變頻器開(kāi)關(guān)頻率以及變頻器和電機之間的最大線(xiàn)纜長(cháng)度有關(guān)。一般情況下，更高的開(kāi)關(guān)頻率，意味著(zhù)更強的干擾。更長(cháng)的線(xiàn)纜，意味著(zhù)更大的共模電流將流過(guò)用以抑制干擾的共模扼流圈。如果實(shí)際應用的線(xiàn)纜超過(guò)變頻器產(chǎn)品手冊中定義的最大線(xiàn)纜長(cháng)度，那么不符合限值的情況就會(huì )發(fā)生。另外，變頻器內置的噪聲抑制線(xiàn)圈甚至會(huì )發(fā)生飽和，導致整個(gè)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(diǎn)：

1)是長(cháng)電機線(xiàn)纜和滿(mǎn)載運轉的優(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(guò)載容量，可承受最大2.5 倍額定電流的過(guò)載。

其外形圖如圖1所示。

現在我們對在不同應用條件下的配置有內置干擾抑制器件的商用變頻器進(jìn)行性能測試，以說(shuō)明這兩種EMC濾波器在變頻器應用中的效果。

2 長(cháng)線(xiàn)纜驅動(dòng)的問(wèn)題

通常情況下，配有內置干擾抑制器件的變頻器的最大運行線(xiàn)纜長(cháng)度是5 m。帶有內部干擾抑制器件的測試曲線(xiàn)如圖2所示。被測變頻器帶有內部干擾抑制器件，電機線(xiàn)纜長(cháng)度為5 m或50 m，電機功率為11 kW。在電機線(xiàn)纜長(cháng)度為50 m的情況下，發(fā)生超過(guò)限值的情況。測試表明在滿(mǎn)足這些條件下的最大傳導發(fā)射滿(mǎn)足EN55011/Class A 的要求。然而，如果變頻器使用更長(cháng)的線(xiàn)纜，那么電源線(xiàn)上的傳導干擾將會(huì )增加，變頻器內置濾波器將不能保證足夠的噪聲抑制。由于屏蔽線(xiàn)纜本身的高寄生電容所產(chǎn)生的共模電流也將隨著(zhù)線(xiàn)纜長(cháng)度而增加，這些電流將導致內部濾波器的共模扼流圈飽和，因而EMC 的要求將很難被滿(mǎn)足，配置外置濾波器成為了必要條件。

在這個(gè)例子中，變頻器配有50 m長(cháng)的線(xiàn)纜。測試記錄清楚的表明內部濾波器的線(xiàn)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(lái)保證重新滿(mǎn)足EMC 限值的要求。相應的配有外置濾波器，電機功率11 kW屏蔽線(xiàn)纜長(cháng)度為50 m 的變頻器的EMI 測試曲線(xiàn)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用中被使用。

3 飽和的影響

安裝外置濾波器，配有和去掉內部共模線(xiàn)圈的對比測試曲線(xiàn)如圖3 所示，顯示干擾被降低了，但是仍然沒(méi)有低于限值。證明此外置濾波器對于此拓撲情況并不適用，因為變頻器內部的線(xiàn)圈已經(jīng)飽和，并成為一個(gè)附加的干擾源，飽和線(xiàn)圈產(chǎn)生的干擾直接疊加在變頻器自身的干擾信號上。這是因為當共模交流電流流過(guò)共模扼流圈的時(shí)候，并不斷地使其飽和，由于其非線(xiàn)性特性，扼流圈表現類(lèi)似于一個(gè)額外的寬帶干擾源。因而線(xiàn)圈飽和的特性可以通過(guò)測試峰值(PK)和準峰值(QP)體現出來(lái)，可以看到峰值和準峰值已經(jīng)超過(guò)限值。與此形成對比的是，線(xiàn)圈飽和對平均值(AV)的影響非常有限。因線(xiàn)圈飽和產(chǎn)生的寬帶干擾相應的更清楚的被寬帶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，配有內置線(xiàn)圈的測試曲線(xiàn)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(chǎng)穿過(guò)空氣而不是鐵氧體介質(zhì)所產(chǎn)生的)。這部分漏感并沒(méi)有受到線(xiàn)圈飽和的影響而繼續存在，但是它對其他因線(xiàn)圈飽和而超過(guò)限值的頻段幾乎毫無(wú)幫助。如果同一個(gè)變頻器使用同樣型號為B84143-A25-R105 的EPCOS 濾波器，但是去掉變頻器內部扼流圈，結果顯示就如圖3，這樣更容易滿(mǎn)足限值。

正因為這個(gè)原因，去掉變頻器內部的干擾抑制線(xiàn)圈。這是一個(gè)非常好的沒(méi)有濾波的變頻器效果展示，無(wú)內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。內部電容是必要的，這樣連接變頻器和濾波器之間的電源線(xiàn)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(xiàn)上。否則，連接線(xiàn)纜必須進(jìn)行屏蔽處理。

然而真實(shí)情況是，如果用戶(hù)使用帶有包含共模扼流線(xiàn)圈的內部干擾抑制元件，那么就不可避免地要同時(shí)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雙節濾波器。被測變頻器帶有內部線(xiàn)圈，其電機線(xiàn)纜長(cháng)度為50 m，電機功率11 kW，外置濾波器為B84143-B25-R110作為內部干擾抑制器件的補充。

這樣至少確保干擾低于相應的限值，滿(mǎn)足了EMC的要求。測試曲線(xiàn)中峰值PK在頻率至0.5 MHz時(shí)有劇烈的波動(dòng)，這是因為內部扼流圈仍然在飽和狀態(tài)下運行。然而，準峰值QP曲線(xiàn)將為平滑，明顯低于限值。

4 并聯(lián)的問(wèn)題

當電源輸入端的干擾隨電機線(xiàn)纜長(cháng)度而增強時(shí)，如果變頻器同時(shí)帶動(dòng)多個(gè)并聯(lián)電機，那么這個(gè)問(wèn)題將會(huì )更為嚴重。我們可以將屏蔽線(xiàn)纜視為一個(gè)包含多個(gè)串聯(lián)電感以及多個(gè)電容并聯(lián)并接地的簡(jiǎn)化電路(多個(gè)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(zhù)并聯(lián)線(xiàn)纜的增加而增加。然而，另一方面，屏蔽線(xiàn)纜的等效電路非常復雜，因為線(xiàn)上電感的存在，兩個(gè)線(xiàn)纜并聯(lián)并不等同于兩個(gè)寄生電容并聯(lián)。

然而，變頻器帶動(dòng)兩個(gè)并聯(lián)電機(此例子中是一個(gè)功率為7.5 kW和11 kW 的電機)，每個(gè)電機以25 m長(cháng)的線(xiàn)纜連接，這種配置要比單個(gè)電機、50 m長(cháng)線(xiàn)纜的配置的要求更高，兩個(gè)電機并聯(lián)的測試曲線(xiàn)如圖5 所示。安裝外置B84143-A25-R105濾波器，是配有和去掉內置干擾抑制器件的對比測試曲線(xiàn)，將圖3 和圖5 進(jìn)行對比，由圖可知，線(xiàn)纜長(cháng)為25 m 的兩個(gè)電機產(chǎn)生的干擾明顯高于線(xiàn)纜長(cháng)為50 m的電機。這種現象同樣可以在去掉變頻器內部線(xiàn)圈后的對比測試中重現。如果使用低成本濾波器B84143-A25-R105，可以實(shí)現低于限值的目標，即使在內部線(xiàn)圈被去掉的情況下，但是余量相對于單個(gè)電機50 m線(xiàn)纜的情況要明顯小了很多。