无噪驱动

发布时间：2008-10-19 作者：Frank J. Bartos, P.E., Control Engineering顾问编辑

　　随着节能及其他优势的发展，可调速驱动在驱动设计和安装过程中必须最小化驱动发出的分裂电噪声。

　　可调速驱动器（ASDs）在节省能源及优化自动化系统上很出色，但是会产生高频电噪声。在驱动的功率部件上产生大电压变化的快速开关晶体管是电噪声的主要来源，电噪声也被称作电磁干扰（EMI）。EMI是指任何设备（包括驱动）之间的互相干扰，这种干扰来自于电缆上的异常能量传输（传导噪声）或者辐射能量接受（辐射噪声）。传导EMI的频谱从150kHz到30MHz，辐射EMI的频谱从30MHz到1GHz。虽然本文讨论的焦点是交流驱动，但是直流驱动也会受到影响。射频干扰（RFI）是通讯设备之间的关联扰动，通常认为RFI是EMI的一种。虽然EMI/RFI频率在音频以上，但是它们的影响却可以在通讯设备听到。
　　在ASDs的设计和安装时，EMI一定要消除掉，以防止性能降低或者对驱动本身造成损坏以及对周边仪器和设施造成影响。电磁兼容能够消除EMI并使电气电子设备对EMI影响具有免疫作用。整体功率驱动系统（PDS）解决方案包括驱动、电机、外壳和电缆，这些都在驱动国际EMC标准（IEC61300-3）中作了相应规定。

　　新型可调速驱动器将EMI/RFI滤波器集成到居住环境应用系统中，如ABB Automation的
ACH550直流驱动，据称符合居住环境下IEC电磁兼容性标准。图片来源：ABB

　　适合环境
　　IEC61300-3中定义了两种驱动安装环境。住宅区域（第一种环境）比工业设备（第二种环境）的要求更严格。ABB Automation Inc.公司的产品营销经理Mark Kenyon指出：连接到公共低压供电网络（第一种环境）上的PDS系统需要配给EMI滤波器。他说：“如果周边有潜在受影响单位[易受干扰的设备]，工业环境（第二种环境）也建议使用滤波器。”
　　EMI滤波器通过将传导干扰导向大地来减小点线连接中的扰动。大多数新型驱动的标准特性符合第二种环境EMI滤波器，采用了铁氧体磁芯（磁环）和阻容网络（RC）。Kenyon说道：“对于某些驱动器来说，内部或外部安装的第一种环境滤波器是作为一种选件提供。”
　　在Siemens Energy & Automation公司，EMI/RFI影响在可调速驱动开发中受到了广泛关注。驱动技术经理Wolfgang Hilmer解释道：驱动器在声室中进行测试，确保其向环境发射的电噪声最小化，并保证驱动器不会受环境影响。测试聚焦在功率模组上，那里安放的快速开关和绝缘栅双极型晶体管是产生EMI的源头。
　　滤波器是对付EMI/RFI的重要手段。对于Siemens驱动器来说，为了满足工业应用的电磁兼容要求，一个EMI滤波器是标准配置。小型的驱动器通常都有一个嵌入式的EMI滤波器。Hilmer说道：“对于大型驱动器，滤波器通常是独立单元，它将电噪声从线路中引出。”

　　细节决定成败
　　因为功率驱动系统的各种零部件都必须作抗辐射干扰处理，所以减少辐射干扰是典型的“细节决定成败”。外壳、电缆/配线和系统安装受到了主要关注。ABB的处理办法包括使用如下措施：
　　■  托盘、门和其它金属部件的接触点处使用无涂层无锈蚀的表面，包括门和盖处使用的导电衬垫；
　　■  无涂层的安装盘必须与通用接地点牢固连接，确保独立的金属部件都有统一的接地回路；
　　■  供电电缆屏蔽层所连接的高频接地要求使用专用的高频电缆引入点；
　　■  控制电缆屏蔽层所连接的高频接地要求使用导电衬垫；
　　■  使用屏蔽供电电缆和控制电缆，并且分开走线；
　　■  整个功率驱动系统安装的接地。
　　Siemens公司通过测试发现，驱动外壳的接地对于控制EMI是很重要的，特别是对于大型的附着单元。Hilmer说道：“摆脱电噪声的基本方法就是通过低阻抗路径将其导入大地。而且，金属外壳就如同屏风，遮挡噪声，焊接框架结构保证良好接地。”与框架相连的驱动还应该具备接地总线，为电噪声提供低感接地通路。
　　Hilmer提及的其他电磁兼容防护办法包括在门和外壳之间使用接地带。在门上仅仅使用接地线是不够的，因为对于电噪声源来说这是高阻抗通路。他说：“我们在门和框架之间使用编制的接地带。大的表面积可以保证高频噪声有效传导。”
　　所有功率驱动系统组件——驱动、电机和电缆——必须接地。Hilmer补充道：“驱动之外的其他部分也同样重要。”他解释道，这包括详细的驱动安装方法，加之生产厂家的努力，才可以使EMI/RFI干扰最小化。

　　标准观点
　　如果在欧洲或其他地区使用，可调速驱动器必须符合EMC标准，但是时下并没有相应的美国标准直接全面地覆盖驱动器的电磁兼容要求。可以采用国际标准IEC61800-3，它明确了与驱动输出及住宅或工业环境相关的EMI限制等级，也覆盖了ASDs试验方法。欧洲标准EN55011覆盖了工业和科研/医疗RF设备的类似要求。
　　最接近的美国标准是美国联邦通信委员会（FCC）准则和规章第15部分。ABB的Kenyon说道：“然而，它排除了工业设备，例如驱动器，除非它引起了有害干扰，然后再寻求生产厂家，以解决问题。”
　　将驱动器排除在FCC第15部分的初衷是由于缺乏明确的试验流程。Kenyon补充道：“很难设计一个试验满足要求，因为给电机供电的驱动器没有标准的型式或者电缆长度。”
　　减少EMI的另一个安装细节是使用屏蔽接头，确保电机供电电缆与Siemens公司Sinamics驱动器柜上的屏蔽总线接口360度接触。
　　大多数驱动器生产厂家将EMC滤波器作为标准特征，以满足不断增长的全球驱动器产品的需求并吸引OEM出口贸易。ABB指出：增加滤波器的价格不一，因为向北美和其他地区供货的驱动型式本身就不相同。
　　Siemens也提倡不管可调速驱动器安装在哪里都要有统一电磁兼容设计。Hilmer解释道，这一点忽视了美国EMC指令的要求。很多特征，如NEC要求或者电路断路器和熔丝设计的差异（IEC对NEMA）等经过了本地化调整。
　　Danfoss Drives公司也注意到了IEC标准的国际化趋势，例如驱动器EMC的IEC61800-3标准。而且，Danfoss的电磁兼容、可靠性和功能安全经理Jorn Landkildehus提到最新欧洲EMC指令2004/108/EC可以作为EMC认证的附加标准使用。它要求遵循电磁兼容领域已经备案的工程经验，例如发射抑制、耦合和辐射及设备抗扰度。
　　Landkildehus说道：“这与我们不谋而合，我们致力于宣传安装方法对于驱动器EMI性能的影响。”Danfoss公司已经有了安装指南和培训课程，向员工和客户灌输交流驱动系统的正确安装方法。

　　优化滤波器尺寸
　　Yaskawa Electric America (YEA)注意到特定的驱动器布局会产生固定的电噪声。Yaskawa公司研发部门的总工程师Mahesh Swamy博士说道：“我们可以在驱动器内部安装滤波器，以减少电噪声的传播和对外部电磁环境的影响。”根据EMI的降低等级，可以选择EMI滤波器（内部或外部）来削弱传导干扰，而屏蔽电缆也明显是削弱EMI辐射的选择之一。然而，Swamy很快指出屏蔽电缆可以增加传导EMI，因为这使得连接器和接地屏蔽层之间出现低阻抗路径。他建议采取仔细地优化措施，防止地电流的增加。
　　先进的驱动器设计也可以带来益处。公司2003年引入的3层交流驱动器拓扑结构没有直接降低EMI等级，却简化了共模滤波器和普通型滤波器。据称这项技术最终降低了传导和辐射EMI。Swamy继续道：“当在输出超过230-240V时，共模滤波器电压具有更小的步距，导致滤波器的尺寸显著减小。”而且，3层设计技术的输出载波频普固有地高于工作频率（通常是2：1）。他陈述道：“这帮助减少了普通型正弦滤波器的尺寸。”YEA公司开发的更小型的滤波器据报道在传导EMI的降低上很有效。
　　YEA公司与2005年引入的另一种先进的交流驱动器拓扑结构是矩阵转换器——一种直接的交流到交流四相转换器，无需大容量交流中继电路。YEA公司的矩阵转换器同样实现了共模滤波器的较小步距。而且，Swamy解释道：它的结构使其本身成为普通型/共模滤波器，测试显示输入EMI滤波器的尺寸因此显著地减小了。
　　在所有的输入EMI滤波器上都使用了线-地电容。Swamy补充道：“这个电容会导致较大的地电流。而矩阵转换器中的集成的共模滤波器和正常型滤波器却可以将输入滤波器的线-地电容降低一个数量级，这对于使用EMI滤波器是十分有效的。”

　　EMI性能和EMI之间的平衡
　　Baldor Electric Co.公司发现新型功率开关设备可以带来高性能的交流驱动设计，但是却会产生高频噪声，而这是我们所不希望的。高性能交流驱动器产品专员Phil M. Camp, P.E.说道：“在驱动器设计中必须取得合适的平衡，以提供所需的开关跳转，确保驱动器/电机的效率和性能，同时还要限制快速跳转所产生的EMI干扰。”
　　在驱动器与功率系统连接处的输入转换器内设电源电抗，帮助限制EMI向工厂系统的传播。然而，据Camp称：一台隔离变压器是替代电源电抗的更好选择。他解释道：变压器可以确保更有效的EMI限制，又可以降低电流振幅因子，以减轻转换器的压力。
　　Baldor认为EMI滤波器是驱动器所必需的。Camp陈述道：“滤波器的设计应该既能降低差模噪声（线—线）又能降低共模噪声（线—地）。”另一个考虑针对大功率驱动器，其使用相控设备（例如SCRs）在驱动器启动时帮助总线电容完成预充电。Camp提到，如果相控设备只用于预充电阶段，驱动器噪声的发射将会降低，但是如果用于在正常运行时调节总线电压，驱动器噪声就不会降低。
　　输出逆变器的设计也可以降低设备产生的EMI。Camp说道：“应该考虑输出开关，选择具有合适跨导的设备，使得设备关断可以由门电流来控制。与每一个与开关配对的续流（反向）二极管应该具有‘柔性’关断和较低的反向恢复指标。门限驱动器的设计应该在驱动器输出端使得设备以较低的电压变化率（dv/dt）完成跳转。”这就要求在噪声降低和跳转变慢之间找到一个平衡点，同时功率器件较长的跳转时间也会导致逆变器产生更多的跳转损失。
　　使用空间矢量和脉宽调制（PWM）技术的软件算法能够进一步通过最小化输出设备开关的跳转时间而降低EMI干扰。Camp解释道：另一个软件设计上的考虑是利用“最小脉宽消除”—一种能够消除宽度低于特定值（例如5ms）的脉冲的技术。　　

EMI输入滤波器可以显著地减少驱动器的传导EMI，如图所示为 Yaskawa Electric America公司对
一台0.7kW驱动在60Hz（载波频率设置为2kHz）下运行的测试结果。边界曲线对应EN55011标准B
等级的住宅/医院环境。

　　减少EMI的另一个安装细节是使用屏蔽接头，确保电机供电电缆与Siemens公司Sinamics
驱动器柜上的屏蔽总线接口360度接触。

　　适用于居住环境
　　Siemens的Hilmer指出交流驱动器越来越多地应用于居住区域附近，例如建筑物的HVAC和市政自来水厂。这对EMI降低技术提出了进一步要求，驱动器的安装要遵循严格的EMC规则。
　　相应地，工业设施几乎总会包含一个变压器，这会阻断驱动器的EMI/RFI，使其不会流出工厂范围。它还有另一个用途，就是中和EMI放射，达到居住区域的等级。
　　Yaskawa Electric公司指出，小型内部滤波器足以满足工业设备对于EMI等级的要求。然而，为了满足IEC标准对于居住区域及医院场合EMC等级的要求，可能会需要外部或双级滤波器。
　　Danfoss Drives承认，美国的环境对于EMC的要求是最严酷的。Landkildehus说道：HVAC应用是Danfoss公司的传统市场，公司从概念阶段就将EMC视为驱动器设计的重要因素。这促进了最新EMI/RFI滤波器的发展，提供了可靠和经济的EMC降低方案。
　　这些滤波器嵌入驱动器内部，具有长电机电缆设计（通常150米屏蔽电缆加300米非屏蔽电缆）。Landkildehus说：“为了满足这个要求，还要从热能管理的角度优化设计。内嵌滤波器的优点就是可以将自身的热能设计融合于驱动器的整体热能设计。”
　　持续的驱动设计全球化期待更多的可调速驱动器能够符合国际EMC标准，并因此能够提供更好的“无噪运行”特性。　　

EMC需要非常注意细节。比如在测量表明驱动器内需要增加屏蔽处，要增加带孔的特殊金属屏蔽板。
　　图片来源：Siemens Energy and Automation

　　翻译：辛磊夫