变频调速系统的电磁兼容设计.docx
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变频调速系统的电磁兼容设计
变频调速系统的电磁兼容设计
设计题目：
变频调速系统的电磁兼容设计
指导教师：
设计者：
学号：
系别：
班级：
课程设计任务书
学院班学生
课程设计课题：
变频调速系统电磁兼容性设计
一、课程设计工作日自年月日至年月日
二、同组学生：
三、课程设计任务要求（包括课题来源、类型、目的和意义、基本要求、完成时间、主要参考资料等）：
一、设计目的
1）了解有关电磁干扰技术的基础知识，如何消除电磁干扰；
2）加深对设计中的电子电路方面知识的理解；
3）能够熟悉实际生活中电磁干扰的检测以及应用电路；
4）能够熟悉变频器的干扰种类以及防止措施。
二、设计要求
本课题为设计分析类型。
很多经济型数控机床调速系统中普遍采用变频调速系统。
由变频器的工作原理可知，变频器在工作运行时会产生谐波干扰。
因此，有必要分析机床主轴变频调速系统中的电磁兼容技术。
此课题要求设计、分析变频器主电路，分析、掌握每种防电磁干扰措施。
目录
一、绪论………………………………………………………………………1
1.1设计目的……………………………………………………………1
1.2设计要求……………………………………………………………1
1.3课题背景及功能介绍………………………………………………1
二、变频器主电路分析………………………………………………………2
2.1主电路图……………………………………………………………2
2.2交－直部分…………………………………………………………3
2.3直－交部分…………………………………………………………3
2.4制动电阻和制动单元………………………………………………4
三、变频调速传动系统的主要电磁干扰源及途径………………………5
3.1电磁干扰的产生……………………………………………………5
3.2外来干扰及抑制…………………………………………………5
3.3变频器产生的干扰…………………………………………………7
3.4变频器干扰的抑制措施……………………………………………7
四、电磁兼容设计…………………………………………………8
4.1谐波产生的危害…………………………………………………8
4.2主要电磁干扰源…………………………………………………9
4.3变频调速传动系统的电磁兼容性设计…………………………12
五、变频器的电磁兼容标准………………………………………………18
5.1IEC（国际电工委员会标准）及GB（国标）对高次谐波限制的标准…18
5.2变额器的国际和欧洲抗干扰标准……………………19
六、课程设计总结……………………………………………………………………19
七、参考文献………………………………………………………………………20
课程设计评审表
学院班学生
设计任务完成情况及指导教师评语
答辩情况
评定成绩
成绩：
指导教师签字：
日期：
教研室主任：
主任签字：
日期：
日期：
一、绪论
1.1设计目的：
1）了解有关电磁干扰技术的基础知识，如何消除电磁干扰；
2）加深对设计中的电子电路方面知识的理解；
3）能够熟悉实际生活中电磁干扰的检测以及应用电路；
4）能够熟悉变频器的干扰种类以及防止措施。
1.2设计要求：
本课题为设计分析类型。
很多经济型数控机床调速系统中普遍采用变频调速系统。
由变频器的工作原理可知，变频器在工作运行时会产生谐波干扰。
因此，有必要分析机床主轴变频调速系统中的电磁兼容技术。
此课题要求设计、分析变频器主电路，分析、掌握每种防电磁干扰措施。
1.3课题设计背景及功能介绍：
背景：
变频器作为变频调速系统的重要组成部分是电力电子数字装置，在运行中因其半导体开关器件的动作引起高次谐波和电磁干扰会对外围电子设备产生不良影响甚至不能正常工作，变频器也会受外部侵入噪声的干扰而引起误动作，所以变频调速系统的电磁兼容设计是该系统设计中的重要环节，变频调速系统电磁兼容设计的好坏在很大程度决定了系统的可靠性。
变频调速技术在上世纪90年代得到了飞速的发展，其性能指标己经超过了直流调速，在机电行业领域内开始逐步取代直流调速和其他交流调速。
随着变频调速技术的不断成熟，变频调速装置在电气、化工、针织、石油等行业中的应用日益广泛。
例如在风机水泵、起重机械，数控车床、电梯、电站直至最近风行的电动汽车上都可以看到变频调速系统的应用。
经验证明：
在变频调速系统设计的初始阶段，同时进行电磁兼容设计，把电磁兼容的大部分问题解决在设计定型之前，可得到最高的效率比。
功能介绍：
本次课程设计的内容为变频调速系统的电磁兼容性设计，变频器调速技术以很好的调速、节能性能获得了广泛的应用、由于其采用软启动，可以减少设备和电机的机械冲击，延长设备和电机的使用寿命.因此经济型数控机床中普遍采用变频主轴调速系统，但随之也带来了一些干扰向题，现场的供电和用电设备会对变频器产生影响，变频器运行时产生的高次谐波也会干扰周围设备的运行。
变频器产生的干扰主要有三种:
对电子设备的千扰、对通信设备的干扰及对无线电等产生的干扰。
对计算机和自动控制装置等电子设备产生的干扰主要是感应干扰.对通信设备和无线电等产生的干扰为放射干扰。
如果变频器的干扰问题解决不好，不但系统无法可靠运行，还会影响其他电子电气设备的正常工作。
下面主要讨论变频器的干扰及其抑制方法。
二、变频器主电路分析
2.1主电路图
下面我们把变频器的主电路单独拿出来进行对其的电磁干扰和电磁兼容性能分析，变频器主电路如下图2-1所示：
图2-1电压源型交－直－交变频器主电路的基本结构图
主电路图有整流电路、中间直流电路和逆变器三部分组成。
电压源型交－直－交变频器主电路的基本结构如图2-1所示。
2.2交－直部分
（1）整流电路整流电路由VD1～VD6组成三相不可控整流桥，它们将电源的三相交流全波整流成直流。
整流电路因变频器输出功率大小不同而异。
小功率的，输入电源多用单相220V，整流电路为单相全波整流桥；功率较大的，一般用三相380V电源，整流电路为三相桥式全波整流电路。
设电源的线电压为UL，那么三相全波整流后平均直流电压UD的大小是：
UD＝1.35UL。
我们三相电源的线电压为380V，故全波整流后的平均电压是513V。
（2）滤波电容CF整流电路输出的整流电压是脉动的直流电压，必须加以滤波。
滤波电容CF的作用是：
除了滤波整流后的电压纹波外，还在整流电路与逆变器之间起去耦作用，以消除相互干扰，这就给作为感性负载的电动机提供必要的无功功率。
因而，中间直流电路电容器的电容量必须较大，起到储能的作用，所以中间直流电路的电容器又称储能电容器。
（3）限流电阻RL与开关SL由于储能电容大，加之在接入电源时电容器两端的电压为零，故当变频器刚合上电源的瞬间，滤波电容CF的充电电流是很大的。
过大的冲击电流将可能使三相整流桥的二极管损坏。
为了保护整流桥，在变频器刚接通电源厚的一段时间里，电路内传入限流电阻，其作用是将电容器CF的充电电流限制到允许的范围以内。
开关SL的功能是：
当CF充电到一定程度时，令SL接通，将RL短路掉。
在有些变频器里，SL用晶闸管代替，如图中虚线所示。
（4）电源指示HLHL除了表示电源是否接通以外，还有一个十分重要的功能，即在变频器切断电源后，显示滤波电容器CF上的电荷是否已经释放完毕。
由于CF的容量较大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，所以CF没有快速放电的回路，其放电时间往往长达数分钟。
又由于CF上的电压较高，如电荷不放完，在维修变频器时，将对人身安全构成威胁。
所以，HL完全熄灭后才能接触变频器内部的导电部分。
2.3直－交部分
（1）逆变管V1～V6V1～V6组成逆变桥，把VD1～VD6整流后的直流电，在“逆变”成频率、幅值都可调的交流电。
这是变频器实现变频的执行环节，因而是变频器的核心部分。
当前常用的逆变管有绝缘栅双极晶体管（IGBT）、大功率晶体管（GTR）、可关断晶闸管（GTO）及功率场效应晶体管（MOSFET）等。
（2）续流二极管VD7～VD12续流二极管VD7～VD12的主要功能：
①电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量。
VD7～VD12为无功电流返回直流电源提供“通道”。
②V1～V6进行逆变的基本工作过程：
同一桥臂的两个逆变管，处于不停的交替导通和截至状态。
在这交替导通和截至的换相过程中，也不时地需要VD7～VD12提供通路。
（3）缓冲电路不同型号的变频器中，缓冲电路的结构也不尽相同。
图中所示是比较典型的一种。
其功能如下：
逆变管V1～V6每次由导通状态切换成截止状态的关断瞬间，集电极（C级）和发射极（E级）间的电压UCE将极为迅速地由近乎0V上升至直流电压值UD。
这过高的电压增长率将导致逆变管的损坏。
因此，C01～C06上所充的电压（等于UD）将向V1～V6放电。
此放电电流的初始值将是很大的，并且将叠加到负载电流上，导致V1～V6损坏。
因此R01～R06的功能是限制逆变管在接通瞬间C01～C06的放电电流。
R01～R06的接入，又会影响C01～C06在V1～V6关断时降低电压增长率的效果。
VD01～VD06接入后，在C01～C06的关断过程中，使R01～R06不起作用；而在V1～V6的接通过程中，又迫使C01～C06的放电电流流经R01～R06。
2.4制动电阻和制动单元
（1）制动电阻RB电动机在工作频率下降过程中，异步电机的转子转速将超过此时的同步转速处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到直流电路中，使直流电压UD不断上升，甚至可能达到危险的地步。
因此，必须将再生到直流电路的能量消耗掉，使UD保持在允许范围内。
制动电阻RB就是用来消耗这部分能量的。
（2）制动单元VB制动单元VB由大功率晶体管GTR及其驱动电路构成。
其功能是控制流经的RB放电电流IB。
三、变频调速传动系统的主要电磁干扰源及途径
3.1电磁干扰的产生：
电磁干扰产生于干扰源，他是一种来自外部和内部的并有损于有用信号的电磁现象。
干扰经过敏感元件、传输线、电感器、电容器、空间场等形式的途径并以某种形式作用，其干扰效应、现象普遍存在，形式各异，称之为传导干扰，他按带不带信息可以分为信息传导干扰源和电磁噪声传导干扰源两类。
信息传导干扰源是指带有的无用信息对模拟通道的干扰。
电磁噪声传导干扰源是指不带任何信息的电磁噪声对变频系统的干扰。
传导电磁干扰传输通道可以分为电容传导耦合（或称电场耦合）、电阻传导耦合（或公共阻抗耦合）及电感传导耦合（或互感耦合）。
电容传导耦合是指干扰源和信号传输线（包括印制电路线）之间通过导线以及部件的电容互相交链而构成的电磁传导耦合。
电阻传导耦合是指干扰源和信号传输线（包括印制电路线）之间通过公共阻抗上的电流或电压交链而构成的传导电磁耦合。
电感传导耦合实质上是磁场耦合。
3.2外来干扰及抑制
外来干扰得主要侵入渠道是变频器的控制电缆，故控制电缆的铺设须采取充分的抗干扰措施。
1.外界干扰的种类
变频器控制回路的控制电缆接受的外来干扰有以下几点：
（1）电磁波干扰。
控制电缆本身就可以作为接收天线，外界电磁波将在电缆线路中感应触感应电动势来。
（2）静电耦合干扰。
变频器的控制回路电缆与周围电气回路互相耦合得到的感应电动势就是静电偶合干扰。
（3）电源线传导干扰。
变频器的电源接入线不仅将电网电压加到变频器的输入侧。
同时也将电网上其他设备产生的干扰电动势引入了变频器的输入侧。
（4）接触不良的干扰。
由于控制回路中存在接触不良的现象，也对控制电路造成有害的干
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