变频器通过国外电磁兼容标准实践与思考

 

0.引言

随着国内变频器产品日趋成熟，在工业设备节能和工艺调速方面越来越发挥了巨大的作用。变频器带载运行时，在电源侧和电机侧均会产生一定的电磁干扰。同时，在其运行的工业现场也存在着由于使用各类电力电子设备所带来的较高的电磁干扰。电磁兼容问题解决的好坏，直接关系到系统能否可靠、稳定运行【1】。国内变频器厂家在逐鹿本土市场的同时，已逐步具备竞争海外市场的实力。对不同国家及地区而言，变频器产品通过电磁兼容标准及准入要求是进入其市场的必要条件。基于此，本文在分析变频调速器设计及应用中存在的电磁干扰问题基础上，探讨变频器产品通过国外认证需要注意的电磁兼容标准及测试问题，指出了国内电磁兼容专业人才培养、测试、认证实验室存在的不足。

1. 变频器中的电磁兼容问题

1.1 输入侧的高次谐波

目前的低压变频器产品中，输入侧均采用二极管不控整流方案，非线性不控整流器在工作中会带来高次谐波的干

扰【2】。以图1 所示的变频器主电路进行分析。图中给出了交-直-交电压型逆变器，工频电源通过三相不控整流给电解

电容充电，可已知道，输入电流波形发生了严重的畸变。畸变次数与量值和整流形式有很大关系。一般整流脉波次数越高，高次谐波对电源的污染越小。表1给出了变频器整流脉波次数对电源污染的比较。

 

 

图1.低压变频器主电路

表1.不同脉波整流比较

整流器方式	总电流失真（%）	总电压失真（%）
6脉波不控整流	25	10
12脉波不控整流	8.8	5.9

在处理变频器电磁兼容的问题中，常常将高次谐波和高频干扰混淆。变频器输出侧的高频干扰是由输出侧逆变器的PWM脉宽调制信号形成的。干扰的高低与PWM调试方式和开关频率有关。表2中给出了干扰和高次谐波的对比。

表2.干扰和高次谐波的不同点

	干扰	高次谐波
频率带	高次谐波（10kHz以上）	40-50次（几kHz）
主要发生源	逆变器部分	整流器部分
传播路径	电路（传导） 空间（放射）感应（静电）	电路
影响	接线距离	线间阻抗
发生量	电压变化率 ，开关频率	电流功率
现象	传感器类误差检测无线电杂音	进相电容发热 变压器发热
主要对策	改变接线路径 设置噪音滤波器 降低载波频率	设置输入电抗器 采用多脉波整流

1.2 干扰的种类

形成电磁干扰必须具备三个基本要素：电磁干扰源、耦合途径和敏感设备。通过了解电磁干扰的种类可以有针对性的抑制或消除电磁干扰。根据电磁干扰的耦合途径可以将干扰分为：传导耦合、感应耦合、辐射耦合及其它类型干扰。

1) 传导耦合

在变频调速系统中，电磁干扰通过与其相连的导线(如电源线、信号线、接地线)进行直接耦合，见图2所示。

 

 

图2 变频调速系统传导耦合途径

2)感应耦合

在干扰源的频率较低时, 其电磁波辐射能力有限。

此时, 干扰源的电磁干扰能量可以使不与干扰源直接相连的邻近的导线或导体中产生感应电压或电流, 形成感应耦合

现象。在变频调速传动系统中, 感应耦合主要表现为邻近导体间的电感耦合或电容耦合或兼而有之, 这与干扰源的频

率以及相邻导体间的距离等因素有关，见图3，图4所示。

 

 

图3 变频调速系统电感感应耦合途径

 

 

图4 变频调速系统电容感应耦合途径

3)辐射耦合

变频器内产生的干扰，以输入侧或输出侧的电缆为天线向空中发散，对外围器件产生影响的干扰就是辐射干扰。辐射干扰不仅限于电缆，电机的机壳或变频器的控制柜都有可能成为天线，见图5所示。

 

 

图5 变频调速系统辐射耦合途径

4)其它类型干扰

除了前面提到的几类干扰，常见的干扰还有，电源快速瞬变干扰、雷电干扰、无线电射频干扰、电压跌落与中断

等。本文不展开详述。

2. CE认证中的电磁兼容

前面提到了通过指定电磁兼容标准是国内变频器进军海外市场时的必备条件。下面以欧盟市场为例进行介绍。

2.1 CE 认证

CE 是欧盟许多国家语种中“欧共体”这一词组的缩写，原来用英语词组EUROPEAN COMMUNITY 缩写为EC,因欧盟在法文是COMMUNATE EUROPEIA, 所以称为CE认证。CE认证具有如下特点：

1)强制性(对于买到欧盟的产品必须通过);

2)EMC+LVD (满足电磁兼容和低电压指令，不同产品遵循不同的标准);

3)不要工厂审查(美国的UL认证有定期的工厂审查);

4)证书没有有效期;

5)可以采用自我宣称或第三方认证方式获得通过;

6)认证通过后的标志可以等比例缩放，但高度不能小于5mm ;

2.2 变频器产品CE认证方式及步骤

CE 认证的要求是以指令(Directive)的形式发布要求。就变频器产品而言指令如下：

EMC DIRECTIVE 89/336/EEC (2004/108/EC);LVD DIRECTIVE 73/23/EEC;上面介绍了通过CE认证的两种方式，

表3 给出了两种方式各自的优缺点。

表3 不同认证方式对照表

自我宣称		第三方认证
优点	缺点	优点	缺点
费用低	生产者需要独立承担风险	认可度高	费用高
进度可以灵活控制	认可度不高	减小生产者承担的风险	周期长

在选定了认证方式后，CE认证所执行的检验步骤如下:

第一步：执行样品检验

第二步：建立“技术档案”;

第三步：实施量产产品质量保证制度;

第四步：签署“CE保证申明”;

第五步：使用CE标识;

在执行上述检验步骤中，需要根据标准要求对产品中的各个设计环节进行严格检查，直至全部符合标准要求。

2.3 变频器产品CE认证标准及测试设备

就低压变频器而言，CE认证中需要遵循的EMC标准如表4所示。从所列标准中可以看出，内容含盖了1.2节中提到的对于变频器系统中出现的所有干扰所需满足的要求。在实际的设计及检验过程中需要对标准中提出的指标进行仔细理解消化。下表5中给出了常用的测试设备及参考型号。

表4.变频器CE认证中的EMC标准

序号	变频器CE认证中的EMC标准
1	静电放电抗扰度测试  (ESD)	IEC61000-4-2:2001
2	射频电磁场感应抗扰度	IEC61000-4-3:2002
3	电快速瞬变脉冲群抗扰度测试(EFT/B)	IEC61000-4-4:1995
4	雷击浪涌抗扰度测试	IEC61000-4-5:1995
5	射频场感应传导干扰抗扰度	IEC61000-4-6:1996
6	电压跌落短时中断和电压渐降抗扰度测试	IEC61000-4-34
7	谐波电流发射	IEC61000-3-2:2001
8	电压波动，闪变	IEC61000-3-3:2005
9	传导发射	IEC55011
10	辐射发射	IEC55011
11	不平衡抗扰度	IEC 6100-04-27
12	谐波抗扰度	IEC 6100-04-13

                  [!--empirenews.page--] 表5.EMC测试验证设备

序号	EMC测试设备
1	Radio-frequency signal generator	HP8648B
2	Power amplifier	AR250W1000A
3	Radio-frequency power meter	PM2002
4	Emission antenna	AT1080
5	Signal generator	CWS500
6	Immunity testing instrument	EMC Pro
7	Biconical antenna	HK116
8	Log periodic antenna	HL223
9	EMI test receiver	ESCS30

 

3. 设计、认证测试及应用中案例

3.1 设计中的电磁兼容性考虑

变频器中大量的使用了电力电子半导体器件，其中IGBT作为主功率器件工作在开关状态，数字化、高频化的快速发展中带来的电磁兼容问题必须在设计阶段充分考虑。下面分别从原理图设计检查、PCB设计检查及滤波元件使用三个方面进行讨论。

1)原理图设计中EMC检查

原理图是变频器产品电路部分的基础，从EMC角度出发，表6中给出了原理图设计中EMC检查的几个示例，具体到各家的产品有不同的设计检查规范要求。

表6 原理图检查列表

评审检查要素	是否满足要求	结论说明
主芯片的滤波设计	是□  否□ 免□
电源接口的滤波	是□  否□ 免□
时钟电路的滤波	是□  否□ 免□

2) PCB设计中EMC检查

PCB是变频器产品电路部分的实现的介质，PCB设计的好坏直接关系到了变频器产品的可靠性、稳定性。从EMC角度出发，表7中给出了PCB设计中EMC检查的几个示例，具体到各家的产品有不同的设计检查规范要求。

3) 滤波器件的使用

变频器中使用的开关电源的频率通常在40kHz-300kHz之间，如果不采用相应的滤波器件电磁兼容的标准很难实现。设置滤波器, 其作用是为了抑制谐波干扰信号从变频器电源通过导线传导干扰到周边电路。恰当地选择和正确地使用滤波器对抑制传导干扰十分重要。

3.2 变频器认证测试

针对设计完成的产品，按照认证的步骤需要进行测试验证，根据测试结果来判断是否完全符合标准规定的指标要求。对变频器而言，表4中列出的每项标准均需要在符合要求的实验室或测试中心来验证完成。已第10项 辐射发射为例进行介绍,图6给出了某厂家变频器的辐射发射测试图。

 

 

图6 变频调速系统辐射发射测试

在测试过程中，以下几个因素对测试结果有较大的影响：

1) 开关频率：越高对测试的结果影响越大;

2) 负载大小：负载电流越大对测试的结果影响越大;

3) 屏蔽设备：安装到屏蔽柜内对某些频率段有较好的改善效果。

3.3 应用中改善电磁干扰的方案

前面3.1节中探讨了设计中的电磁兼容性，当变频器产品完成设计，应用到传动系统中仍无法满足电磁兼容要求时，针对系统的抗电磁干扰方案的使用是非常必要的。下面探讨几种常见的抗电磁干扰方案。

1) 高次电流谐波的抑制

图7(a) 、图7(b)分别给出了采用输入交流电抗器和直流电抗器的方案。

 

 

图7.(a)采用AC输入电抗器抑制高次谐波

对于中大功率的变频器来说，厂家在设计时都集成了直流电抗器或预留连接外部直流电抗器的端子来满足系统抗电磁干扰的要求。

 

 

图7.(b)采用DC输入电抗器抑制高次谐波

2) 金属接线管的接地

变频器在安装过程中，为了减小辐射发射对周边仪器仪表的影响，常常会将输入、输出导线用钢管来屏蔽。图8给出了穿钢管后有效的接地示意图。

 

 

图8. 金属接线管接地示意图

表8从变频器接线和设置、控制柜、干扰对策用器件、受干扰影响的处理措施等几方面概括了常见及对策目标。

表8. 常见干扰故障的防止方法

 

 

4 几点思考

4.1 好的产品是设计出来的不是测试出来的

随着国产变频器产品自主知识产权及研发实力的不断增强，对于高可靠性、高品质的产品的认识也不断加深。好的产品在设计阶段必须有足够的验证和考验，每项指标从理论到实践必须有清晰的过程及数据支持。而不是等到设计完成后通过反复的测试并降低测试标准来满足规格要求。许多公司在产品设计中都引进了同步EMC设计流程，避免了产

品后期出现EMC问题无法满足标准后带来的项目推迟或将低指标。图9给出了研发设计与EMC设计同步流程示意图。只有严格执行EMC同步设计流程，才能设计出优秀的产品。

 

 

图9. EMC同步设计流程示意图

4.2 产品进入新市场的必备条件

不同国家和地区的EMC认证有：欧洲：CE, TUV, GS, VDE, NEMKO, SEMKO, DEMKO, FIMKO, GOST;美洲：UL, CSA, FCC(Verification, DoC 和Certification), ETL, FDA;亚洲：CCC, PSB, PSE, VCCI, BSMI, MIC;其它国家和地区：C-TICK, SAA, CB, SASO，NOM。从上面所给出的不同国家和地区的EMC认证的种类可以看出，认证是进入新市场的必备条件，必须充分了解其标准及需求，才有可能设计出符合新市场的产品。

4.3专业的高水平EMC工程师人才稀缺

产品的研发离不开人，优秀产品的研发离不开优秀的研发工程师。早期的产品研发中，针对各个研发环节，EMC仅仅是采取一些测试验证措施，没有将其纳入设计的流程中，因此，正正懂产品并有丰富EMC经验的工程师非常少。而作为人才培养基地的高校也仅仅局限在理论的讲解，缺少实践环节，毕业生进入企业后需要3-5年的时间去实践并积累经验。随着国内厂家海外市场开拓步伐的加快，专业的、有丰富经验的EMC工程师在市场上变得十分稀缺。

4.4 EMC实验室如何提高服务水平和利用率

EMC 测试设备与常规的测试设备相比有其专用性的一面，因此，价格比较昂贵。尤其是EMC测试中的暗室和电磁屏蔽室，投资成本非常高，对于中小型公司、产品线单一的公司自建这样的实验室十分困难。目前，从国内具备测试能力的EMC实验室看到，大多数是国有大中型科研院、所，由于有国家资金的投入，硬件平台非常的完善，但软的方面却略显不足，比如：熟悉不同行业产品标准的人才、民用产品测试的附属件、服务的意识。从而造成了拥有测试能力的一方设备闲置率高、利用率低下，而中小企业在产品EMC测试中找不到合适的实验室。综上论述，国内变频器产品在走向全球市场进程中，需要不断加强研发的自主知识产权，将EMC纳入同步设计流程，同时，培养及吸纳优秀的工程师，联合有经验的实验室方可取得事半功倍的效果。