0 引言

雖然大多廠家提供的變頻器都配有內(nèi)部干擾抑制器件，但是外置EMC 濾波器在某些應(yīng)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(yīng)用。

當(dāng)前隨著變頻器市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，激烈的競(jìng)爭(zhēng)、成本壓力和技術(shù)創(chuàng)新導(dǎo)致產(chǎn)品價(jià)格不斷下降，體積不斷縮小，與此同時(shí)也擴(kuò)大了變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域。今天的變頻器廠家一般提供的產(chǎn)品都含有內(nèi)置干擾抑制器件，但是這只能保證在其精確定義的運(yùn)轉(zhuǎn)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(cè)試，這就意味著更多的費(fèi)用，并最終導(dǎo)致更高昂的系統(tǒng)成本。

根據(jù)變頻器產(chǎn)品說(shuō)明，滿(mǎn)足EMC要求的最大運(yùn)行范圍，通常和變頻器開(kāi)關(guān)頻率以及變頻器和電機(jī)之間的最大線(xiàn)纜長(zhǎng)度有關(guān)。一般情況下，更高的開(kāi)關(guān)頻率，意味著更強(qiáng)的干擾。更長(zhǎng)的線(xiàn)纜，意味著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(yīng)用的線(xiàn)纜超過(guò)變頻器產(chǎn)品手冊(cè)中定義的最大線(xiàn)纜長(zhǎng)度，那么不符合限值的情況就會(huì)發(fā)生。另外，變頻器內(nèi)置的噪聲抑制線(xiàn)圈甚至?xí)l(fā)生飽和，導(dǎo)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(zhǎng)電機(jī)線(xiàn)纜和滿(mǎn)載運(yùn)轉(zhuǎn)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?。?1.4 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(rèn)證，最大認(rèn)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(xiàn)在我們對(duì)在不同應(yīng)用條件下的配置有內(nèi)置干擾抑制器件的商用變頻器進(jìn)行性能測(cè)試，以說(shuō)明這兩種EMC濾波器在變頻器應(yīng)用中的效果。

2 長(zhǎng)線(xiàn)纜驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題

通常情況下，配有內(nèi)置干擾抑制器件的變頻器的最大運(yùn)行線(xiàn)纜長(zhǎng)度是5 m。帶有內(nèi)部干擾抑制器件的測(cè)試曲線(xiàn)如圖2所示。被測(cè)變頻器帶有內(nèi)部干擾抑制器件，電機(jī)線(xiàn)纜長(zhǎng)度為5 m或50 m，電機(jī)功率為11 kW。在電機(jī)線(xiàn)纜長(zhǎng)度為50 m的情況下，發(fā)生超過(guò)限值的情況。測(cè)試表明在滿(mǎn)足這些條件下的最大傳導(dǎo)發(fā)射滿(mǎn)足EN55011/Class A 的要求。然而，如果變頻器使用更長(zhǎng)的線(xiàn)纜，那么電源線(xiàn)上的傳導(dǎo)干擾將會(huì)增加，變頻器內(nèi)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線(xiàn)纜長(zhǎng)度而增加，這些電流將導(dǎo)致內(nèi)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(zhǎng)的線(xiàn)纜。測(cè)試記錄清楚的表明內(nèi)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(yīng)的配有外置濾波器，電機(jī)功率11 kW屏蔽線(xiàn)纜長(zhǎng)度為50 m 的變頻器的EMI?測(cè)試曲線(xiàn)如圖3 所示。其中型號(hào)為B84143-A25-R105 的EPCOS 超緊湊、低成本濾波器在此應(yīng)用中被使用。

3 飽和的影響

安裝外置濾波器，配有和去掉內(nèi)部共模線(xiàn)圈的對(duì)比測(cè)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(duì)于此拓?fù)淝闆r并不適用，因?yàn)樽冾l器內(nèi)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(hào)上。這是因?yàn)楫?dāng)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(xiàn)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(cè)試峰值（PK）和準(zhǔn)峰值（QP）體現(xiàn)出來(lái)，可以看到峰值和準(zhǔn)峰值已經(jīng)超過(guò)限值。與此形成對(duì)比的是，線(xiàn)圈飽和對(duì)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(yīng)的更清楚的被寬帶PK 和QP探測(cè)器捕捉，而不是窄帶探測(cè)器AV。

乍看之下，在頻率從幾百kHz 到3 MHz 的范圍內(nèi)，配有內(nèi)置線(xiàn)圈的測(cè)試曲線(xiàn)令人驚訝。這是因?yàn)楣材６罅魅Γ潆姼辛坑善滂F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(xù)存在，但是它對(duì)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(hào)為B84143-A25-R105 的EPCOS 濾波器，但是去掉變頻器內(nèi)部扼流圈，結(jié)果顯示就如圖3，這樣更容易滿(mǎn)足限值。

正因?yàn)檫@個(gè)原因，去掉變頻器內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(hào)為B84143-B25-R110 的EPCOS雙節(jié)濾波器。被測(cè)變頻器帶有內(nèi)部線(xiàn)圈，其電機(jī)線(xiàn)纜長(zhǎng)度為50 m，電機(jī)功率11 kW，外置濾波器為B84143-B25-R110作為內(nèi)部干擾抑制器件的補(bǔ)充。

這樣至少確保干擾低于相應(yīng)的限值，滿(mǎn)足了EMC的要求。測(cè)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?yàn)閮?nèi)部扼流圈仍然在飽和狀態(tài)下運(yùn)行。然而，準(zhǔn)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(dāng)電源輸入端的干擾隨電機(jī)線(xiàn)纜長(zhǎng)度而增強(qiáng)時(shí)，如果變頻器同時(shí)帶動(dòng)多個(gè)并聯(lián)電機(jī)，那么這個(gè)問(wèn)題將會(huì)更為嚴(yán)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(duì)地電容部分并聯(lián)，而總對(duì)地電容量隨著并聯(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(fù)雜，因?yàn)榫€(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(jī)（此例子中是一個(gè)功率為7.5 kW和11 kW 的電機(jī)），每個(gè)電機(jī)以25 m長(zhǎng)的線(xiàn)纜連接，這種配置要比單個(gè)電機(jī)、50 m長(zhǎng)線(xiàn)纜的配置的要求更高，兩個(gè)電機(jī)并聯(lián)的測(cè)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(nèi)置干擾抑制器件的對(duì)比測(cè)試曲線(xiàn)，將圖3 和圖5 進(jìn)行對(duì)比，由圖可知，線(xiàn)纜長(zhǎng)為25 m 的兩個(gè)電機(jī)產(chǎn)生的干擾明顯高于線(xiàn)纜長(zhǎng)為50 m的電機(jī)。這種現(xiàn)象同樣可以在去掉變頻器內(nèi)部線(xiàn)圈后的對(duì)比測(cè)試中重現(xiàn)。如果使用低成本濾波器B84143-A25-R105，可以實(shí)現(xiàn)低于限值的目標(biāo)，即使在內(nèi)部線(xiàn)圈被去掉的情況下，但是余量相對(duì)于單個(gè)電機(jī)50 m線(xiàn)纜的情況要明顯小了很多。