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1　引言
　　變頻器作為變頻調速系統的重要組成部分是電力電子數字裝置，在運行中因其半導體開關器件的動作引起高次諧波和電磁干擾會對外圍電子設備產生不良影響甚至不能正常工作，變頻器也會受外部侵入噪聲的干擾而引起誤動作，所以變頻調速系統的電磁兼容設計是該系統設計中的重要環節，變頻調速系統電磁兼容設計的好壞在很大程度決定了系統的可靠性。
　　經驗證明：在變頻調速系統設計的初始階段，同時進行電磁兼容設計，把電磁兼容的大部分問題解決在設計定型之前，可得到最高的效費比，如圖1所示。

圖1　收費比

　　大家知道：任何干擾的產生必然通過某種途徑由騷擾源耦合到敏感設備。進行一個系統的電磁兼容設計，首先要分析這個系統的電磁騷擾源是什么？敏感設備是什么？它們的耦合(傳播)途徑又是什么？然后根據EMC基本設計原理，采取相應的EMI控制技術：
(1) 在騷擾源處抑制騷擾源；
(2)減小騷擾源和敏感電路之間的耦合；
(3)按最小靈敏度(不敏感)要求設計系統的電路，達到EMC要求。
　　EMC基本設計原理是依據所設計的系統要實現的功能和電磁兼容指標根據有關的電磁兼容標準(國際、國家、企業、特殊標準等)來設計；設計的主要內容包括：隔離、接地、屏蔽、濾波、布線、抑制及裝置(元氣件)的布局設計。

2　某研究所壓氣機試驗器動力裝置—變頻調速系統概述
2.1　一拖二變頻調速系統的組成
　　某研究所A壓氣機試驗器(簡稱A臺)負載大于B壓氣機試驗器(簡稱B臺)負載，以A臺為主，同時兼顧B臺有關參數,確定共用ABB公司生產的ACS1023變頻器，用這一臺變頻器分時拖動A/B 2臺變頻電機作為A/B臺動力，一拖二變頻調速系統組成如圖2所示。

圖2　一拖二變頻調速系統原理圖

2.2　一拖二變頻調速控制系統組成
　　一拖二變頻調速控制系統如圖3所示。這是一個PROFIBUS-DP多主站網絡系統：一類主站一個，二類主站兩個，系統從站五個；一類主站完成對ABB變頻器、A/B變頻電機分時控制；二類主站兩個分別為A/B臺上位機(工控機)；PLC程序控制A/B臺輔拖控制系統的兩個從站、轉速數字給定的“P+F”多圈旋轉編碼器兩個從站以及ABB變頻器從站。
2.3　一拖二變頻調速系統電磁兼容指標
　　系統電流諧波滿足GB/T14549-93和GB12668-90標準；且不能對試驗臺(該系統安裝地附近)的電網、測試、數據采集系統產生干擾。

3　一拖二變頻調速系統電磁兼容設計
3.1　系統的電磁騷擾源/敏感設備/耦合途徑分析
3.1.1　系統主要電磁騷擾源
3.1.1.1　變頻器
(1)　對周圍的電子、電氣設備產生電磁輻射；
(2)　對直接驅動的電機產生電磁噪聲，使得電機鐵損、銅損增加，并傳導騷擾到電源，通過配電網絡傳導給相鄰的其他設備；
(3)　對相鄰的其他線路產生感應耦合，感應出干擾電壓、電流；系統內的干擾信號通過相同的途徑干擾變頻器的正常工作。
3.1.1.2　各交流電機的起/停；
3.1.1.3　電鈴開/關的轉換。
3.1.2　系統主要敏感設備
(1)　以太網測試系統；
(2)　系統各記錄儀器/儀表。
3.1.3　電磁騷擾耦合(傳播)途徑
　　電磁騷擾與敏感設備之間的耦合(傳播)途徑有傳導、感應、輻射。
(1)　傳導
　　傳導是騷擾源與敏感設備之間的主要耦合途徑之一，主要是通過電源線、信號線、互連線、接地導體等進行耦合，解決傳導騷擾主要是在電路中把傳導騷擾濾掉或隔離。
(2)　輻射
　　輻射騷擾通過空間電磁場耦合，解決輻射主要是對輻射源或被騷擾的線路進行屏蔽。
(3)　感應
　　相互靠近的導體或回路之間的感應所形成的騷擾通過電場、磁場的耦合，解決感應騷擾同(1)、(2)。
3.2　系統電磁兼容設計
3.2.1　抑制變頻器高次諧波的設計
　　如何抑制變頻器的高次諧波？最有效的辦法是變頻器采用多脈沖整流，因為諧波電流(I諧)是基波電流的1/h倍，(h—諧波次數；n—自然數；p—變壓器的脈沖數)：則選12、18、24脈沖整流(變壓器二次側分別為2、3、4個繞組供電)所含諧波以及總的諧波電流的仿真計算如表1所示。

表1　諧波分析

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圖3　一拖二變頻調速控制系統原理框圖

　　如圖2、圖3所示的一拖二變頻調速系統是一個大型的綜合控制系統，研究所的工作又以獲取試驗數據為主，而以太網測試系統的電壓多為DC24V/5V；系統電壓等級多，各單元連結線路長：MB電機碼盤信號至變頻器的線近百米、整個PROFIBUS-DP網絡線超過400m；使得系統的電磁環境復雜，從EMI角度考慮，我們將該電磁環境中的各單元信號按電壓等級分類，可以根據信號的不同類型選擇相應抗噪聲電纜，將其按抗騷擾的能力分類布線敷設，便于隔離：
(1)　主拖動系統—AC3.3kV的變頻器和變頻電機；
(2)　輔助拖動系統—AC380/220V的潤滑油泵、閥門、滑油加溫、電磁閥等；
(3)　PLC/上位機系統—DC24V的PLC/工控機。
3.3.2.2　配線/布線敷設與隔離
(1)　變頻調速系統的電力電纜選對稱鎧裝屏蔽電纜，其控制電纜選屏蔽雙絞線/屏蔽線;碼盤信號選多芯屏蔽電纜，其余都為屏蔽雙絞線。
(2)　PROFIBUS—DP現場總線選西門子專用通信線。
(3)　系統各單元地線截面積選≥1/2系統電源線截面積并直接接入“系統電源地”。
(4)　電力電纜與控制電纜/跳閘保護電纜在同一電纜溝分層走線：在電纜溝內預埋三層角鋼做支架，層與層之間最小間距為250mm，最下層走電力電纜(～3.3kV供電)、中間層和最上層安裝鋼制電纜橋架，在中間層的電纜橋架內走輔拖控制系統的控制電纜/跳閘保護電纜(～380V、～220V供電)，最上層電纜橋架內走弱電(PLC)控制線(DC24V、Profibus-DP電纜)，以太網測試系統的通訊電纜和測試電纜單獨敷設在另外的電纜橋架內。
(5)　在電纜溝中按GB50169-1992敷設一根40×40(mm)的扁鋼作為接地線并與“系統地”可靠連接，電纜溝內所有電纜橋架按GB50169-1992與該接地扁鋼可靠連接。 
3.3.3　接地與屏蔽的設計
3.3.3.1　接地網設計步驟
　　正確的接地設計是解決EMC最有效和最廉價的方法；設計良好的接地網即能使系統有效地抑制外來干擾，又能降低系統內各設備本身對外界的干擾。系統接地網設計步驟如下：
(1)　分析系統內各單元的騷擾特性和敏感特性；
(2)　搞清楚單元內各類電路的電源電壓、工作電平和信號種類；
(3) 將地線分類、劃組；
(4)　畫出總體布局框圖；
(5)　排出接地網。
3.3.3.2　一拖二變頻調速系統接地網設計
　　一拖二變頻調速系統接地網設計如圖4所示：A整臺(B整臺)接地為總等電位聯接，接地電阻不大于1Ω，測試間(圖4所示的測試地)為局部等電位聯接。
(1)　高壓切換柜、24脈沖整流變壓器、變頻器、A/B臺變頻電機MA/MB之間的接地，均嚴格按《ABB1023變頻器使用說明書》要求選線、接線如圖4所示；
(2)　A/B臺變頻電機MA/MB的碼盤/溫度信號為低電平模擬量，對騷擾敏感，故單獨接地；
(3)　軸向力為全數字自動控制系統需從測試系統取信號，故其接地與測試地聯結；
(4)　電鈴的開/關是系統最強的瞬態騷擾源之一，故單獨接地(或浮地)；
(5)　系統各單元地線匯集一點接“系統地”。
3.3.3.3　屏蔽的設計
　　屏蔽技術用來抑制電磁騷擾沿空間的傳播，即切斷輻射騷擾的傳播途徑；采用屏蔽/屏蔽雙絞線或鍍鋅鋼管/橋架將對騷擾敏感的信號線、導體包圍起來：
(1)　變壓器—變頻器—電機的鎧裝屏蔽電纜其屏蔽鋼帶以及屏蔽層接地如圖4所示；
(2)　試件超轉、電機超溫、操縱臺“緊急停車”至變頻器跳閘保護屏蔽雙絞線，其屏蔽層在變頻器側接“PE”，另一端懸空；
(3)　電機測速編碼器屏蔽電纜其屏蔽層在電機附件盒側接“TE(PE)”端子，另一端接變頻器“PE”。
3.3.3.4　裝置/元氣件的布局與諧波的抑制
　　系統內各裝置在安裝時，需要綜合考慮操縱臺/交/直流控制柜、變頻器、變頻主電機之間的距離和裝置/元氣件的布局，以盡量減小諧波的影響：
(1)　系統內強、弱電控制元件分在交/直流控制柜內，按GB6988-86布局安裝，盡量加大變頻器機柜與操縱臺/交/直流控制柜之間距離以及減小變頻器機柜與變頻主電機之間距離；
(2)　變頻器、PLC/上位機的供電電源獨立(有條件的可加裝隔離變壓器)；
(3)　對變頻器的調速控制采用“P+F”多圈旋轉編碼器數字給定，并通過PROFIBUS—DP現場總線實現與變頻器的通訊；
(4)　PROFIBUS—DP現場總線嚴格按西門子通信手冊要求布線/接線，如果干擾嚴重，在通信速率允許的范圍內，適當降低通信速率或布設一根等電位線將各通信地串起來，都會有明顯的抗干擾效果。
(5)　用于噪聲電流的接地要盡量靠近電源線。

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圖4　一拖二變頻調速系統接地網

4　一拖二變頻調速系統的應用結果
(1)　A/B臺運行時沒有對該系統安裝地附近的數據采集、測試系統產生干擾。
(2)　A臺變頻調速系統在某壓氣機試驗器的應用，從2003年8月正式運轉以來，完成了所內外的多項壓氣機試驗任務。3年來系統運轉正常且無故障，2005年12月該項目獲得國防科學技術二等獎、航空科學技術二等獎。
(3)　一拖二變頻調速系統2005年11月投入使用至今已一年多，A/B臺完成了多次切換和試驗，系統運轉正常，無故障發生。
(4)　一拖二變頻調速系統在我國第一次將多主站網絡集中控制技術應用于航空發動機壓氣機試驗器使整個系統實現了全數字控制，并首次將“P+F”多圈旋轉編碼器應用于航空發動機壓氣機試驗器動力—變頻調速系統的轉速給定，使整個系統轉速控制精度優于±0.02%，開辟了航空發動機壓氣機試驗器動力裝置研制的新領域。

5　結束語
(1)　一個變頻調速系統的電磁兼容設計的關鍵首先是要嚴格按系統要求選用一臺變頻器，其高次諧波電流(電壓)在允許值范圍內,并且能夠電磁兼容。
(2)　對系統內各主要的控制裝置(24脈波變壓器、變頻器、變頻主電機、PLC、上位機、“P+F”多圈旋轉編碼器等)嚴格按其使用要求，在系統設計時對其進行統一電磁兼容設計。其中：對各控制單元根據信號的不同類型，選擇相應抗噪聲電纜，將其按抗騷擾的能力分類布線；強、弱電分離并保持一定距離是最主要的。
(3)　按系統接地網圖良好接地。
(4)　系統內交流輸出線與直流輸出線不要使用同一根電纜；對交流噪聲可在控制柜內的接觸器，繼電器等的電感線圈上并聯浪涌吸收RC電路、對直流噪聲可在控制柜內的接觸器，繼電器等的電感線圈上并聯反接二極管。
(5)　對變頻器的調速控制盡量不要采用模擬量控制,如果非要用模擬量控制時,控制電纜必須采用屏蔽電纜并在傳感器側或變頻器側實現遠端一點接地。