抗干扰磁环原理(变频器篇之-变频器的干扰与处理（二）)

Posted 2023-05-27

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抗干扰磁环原理(变频器篇之-变频器的干扰与处理（二）)

三、工业设备的接地

接地的首要目的是安全，接地线的作用是将电气设备或电柜电箱等带电设备金属外壳导电部分，和大地连接形成等电位体。

安全接地线的电阻很小，这样即使电气设备外壳因意外漏电，也会因为电流经过接电线流向大地，和大地电势相通，这样电箱外壳和大地之间的电压很低，可以忽略不计，所以当发生人体接触电箱外壳的情况，因为电压很低，通过人体的电流要远远小于是人体触电的电流，人体不会触电，从而保护人员的安全。

工作接地是由电力系统运行需要而设置的（如中性点接地），因此在正常情况下就会有电流长期流过接地电极，但是只是几安培到几十安培的不平衡电流。

防雷接地是为了消除过电压危险影响而设的接地，如避雷针、避雷线和避雷器的接地。防雷接地只是在雷电冲击的作用下才会有电流流过，流过防雷接地电极的雷电流幅值可达数十至上百千安培，但是持续时间很短。

屏蔽接地是消除电磁场对人体危害的有效措施，也是防止电磁干扰的有效措施。高频技术在电热、医疗、无线电广播、通信、电视台和导航、雷达等方面得到了广泛应用，人体在电磁场作用下，吸收的辐射能量将发生生物学作用，对人体造成伤害，如手指轻微颤抖、皮肤划痕、视力减退等。对产生磁场的设备外壳设屏蔽装置，并将屏蔽体接地，不仅可以降低屏蔽体以外的电磁场强度，达到减轻或消除电磁场对人体危害的目的，还可以保护屏蔽接地体内的设备免受外界电磁场的干扰影响。

防止静电危害影响并将其泄放，防静电接地是静电防护最重要的一环。

接地用在EMC方面的作用包括使用等电位体来实现与地线可靠的连接，可以在很宽的频率范围内保持等电位，另外，尽可能低的接地阻抗可以使电源故障电流和高频电流不经过设备，降低了对设备干扰。

目前国内的接地系统采用的是防雷接地、动力接地和数字地分离的方法，这样的单独接地系统在国内是最多见的，但是这种接地系统高频特性不够好，单独接地系统如图13所示。

图 13 单独接地系统

用户可以通过多处的等电位体将动力、通讯接地形成接地网络，然后通过多层复合接地与防雷接地连接，这样的接地系统仅在接地系统的阻值低于1欧姆时方能采用，接地系统如图14所示。

图 14 多点接地的接地系统

对于工业的接地系统，要求接地电阻越小越好,在1000V以下中性点直接接地系统中，接地电阻小于或等于4欧，重复接地电阻小于或等于10欧。而电压1000V以下的中性点不接地系统中，一般规定接地电阻为4欧。但是在很多的客户现场发现往往达不到接地电阻小于或等于4欧的要求，这时应对接地进行整改。

长度为1米不同直径电缆在频率下的阻抗如图15所示，从图中可以看出，电缆的阻抗与频率密切相关，在低频下，直径大的电流阻抗低，

35mm2的阻抗0.5毫欧，1mm2的2达18毫欧，两者相差36倍，但在高频下，例如100KHz，35mm2的电缆比1mm2的电阻的一半还多，也就是说两个1mm22的电缆并联将比一个35mm2的电缆的阻抗还小,这也是为什么要使用网状连接进行接地的原因。

图 15 电缆在不同频率下的阻抗表

在高频环境下，导体的阻抗主要取决于其与单位长度成正比的每单位长度的电感，该电感从1 kHz开始对电缆的阻抗起决定性作用。这意味着，只要几米长的导体，电缆的阻抗影响因素如下：

Ø 直流或低频（LF）几毫欧

Ø 约1 MHz几欧姆

Ø 高频几百欧姆（HF）（»100 MHz ...）

Ø 并且导体横截面的周长起主导作用（集肤效应）

Ø 导体的横截面积相对变得不重要

Ø 电缆的长度是决定性的

在了解了上述的原理之后，就会理解为什么接地电缆越短就越好的原因。

为什么不能在屏蔽接地使用猪尾巴？

由于在高频下，电缆的阻抗主要由电缆长度决定，把屏蔽拧成猪尾巴，将降低屏蔽的效果，如果导体的长度超过信号波长的1/30电缆的阻抗变为“无限”。

波长和频率的关系式：c=λf（f=c/λ），其中，c：波速(这是一个常量,也就是光速，c约等于3*10^8m/s) 单位是米每秒；λ是波长，其单位是米；f是波的频率，其单位是赫兹Hz。

式中：

Ø λ：波长单位m 。

Ø f：频率单位MHz。

显然，同样长度物体的接地阻抗按大小排列，Z1>Z2>Z3>Z4，如图16所示。

图 16 高频环境同样长度物体阻抗的排列

几种电缆屏蔽接地的接法的比较，如图17所示。

图 17 电缆屏蔽接地的比较

四、变频器的滤波器和磁环

施耐德变频器ATV320的内置或外加EMC滤波器采用同样的结构，滤波器由相间的X电容，相和地之间的Y电容以及共模扼流圈组成。滤波器使用的模扼流圈，与环形变压器相比使用了环形铁氧体，并在其上面绕线形成电感。

变频器集成EMC滤波器的目的是使变频器能够符合IEC61800-3的C2标准的要求，

ATV320产品200V 单相的产品，当变频器的开关频率设置值在2到4kHz之间，电机电缆的最长距离可达10米，当开关频率设置是从4到12kHz之间，在变频器到电机电缆长度最大值为5米。

ATV320产品400V 三相范围（EMC滤波器），开关频率设置值在4到12kHz之间时，变频器到电机电缆最大值为5米。

如果加装了附加EMC滤波器，在保证符合C2标准的前提下，变频器到电机的电缆长度更长，还有可能符合更高的标准C1。

滤波器接线时，需注意将滤波器的输入和输出分开，防止滤波器的输入对“干净”的滤波器输出线产生干扰，降低滤波器的效果，滤波器的安装建议图如图18所示。

图 18 滤波器进出线不能太近

正弦波滤波器，就是将变频器SPWM调制波滤成近似正弦的电压波形，由于变频器的输出含有高频谐波，增加了动力电缆及电机的损耗；同时极高的dv/dt会引起数MHz的辐射干扰；如果电机需要长线传输时(电机线缆超过50米)，回波反射引起电机端电压叠加，使电机绝缘破坏，导致电机的烧毁。

正弦波滤波器将变频器的输出波形滤波成正弦波后，延长了电机电缆的最大长度，降低了变频器的干扰，正弦波滤波器可以延长电机寿命、保护电机绝缘、对电磁干扰的抑制效果好。

抗干扰磁环，又称铁氧体磁环，简称磁环，它是电子电路中常用的抗干扰元件，对于高频噪声有很好的抑制作用。

磁环的匝数越多抑制低频干扰效果越好，但抑制高频噪声作用较弱。

在实际使用当中，磁环匝数要根据干扰电流频率特点进行调整。当干扰信号频带较宽时，可以在电缆上套两个磁环，每个磁环绕不同的匝数，这样可以同时用一种磁环抑制高频和低频两种干扰。并不是阻抗越大对干扰信号的抑制效果越好，因为实际磁环上存在寄生电容，这个寄生电容与电感并联，但遇到高频干扰信号时，这个寄生电容就会将磁环的电感短路，从而失去作用。

选择抗干扰磁环时，主要考虑两个方面的因素，即磁环的阻抗特性和被滤波电路的干扰特性。外观上来看，优先的选择是尽量长、尽量厚、内径尽量小、电感尽量小的磁环。

使用磁环的最大优点是与被滤波的电路没有电气连接，最大缺点是磁环易碎，所以建议使用带塑胶外壳的磁环，并且固定在被滤波的电源线或控制线缆上。

根据干扰信号的频率特点可以选用镍锌铁氧体或锰锌铁氧体的磁环，前者的高频特性优于后者，锰锌铁氧体的磁导率在几千~上万，而镍锌铁氧体为几百~上千，磁环铁氧体的磁导率越高，其低频时的阻抗越大，高频时的阻抗越小，所以在抑制高频干扰时，宜选用镍锌铁氧体，反之则用锰锌铁氧体，工业常用的磁环如图19所示。

图19 磁环的外观