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【科普】消除伺服电机和变频驱动器中的电磁干扰问题

时间:2020-07-31来源:中国传动网

导语:​伺服电机和变频驱动器(VFD)通常由两部分组成-电动机自身和驱动电动机的控制器(也叫做放大器,伺服驱动器或逆变器),控制器和电动机之间通过电缆连接。控制器接收来自交流电流的功率。伺服电机具有保持高精度特定位置的反馈电路。这意味着即使没有运动,伺服电机仍然处于工作状态。

  伺服电机和变频驱动器几种排查方法

  伺服电机和变频驱动器(VFD)通常由两部分组成-电动机自身和驱动电动机的控制器(也叫做放大器,伺服驱动器或逆变器),控制器和电动机之间通过电缆连接。控制器接收来自交流电流的功率。伺服电机具有保持高精度特定位置的反馈电路。这意味着即使没有运动,伺服电机仍然处于工作状态。

  变频驱动器(VFD)具有不同的工作方式-它们的速度由驱动信号的频率控制。这两种驱动器之间的共同点在于它们都由脉冲调制信号(PWM)驱动。图1为典型的变频驱动器设置框图。交流电源为变频控制器馈电,将其转换为脉冲信号驱动电动机。伺服电机(图2)加入了位置控制反馈。一种典型的制造和机器工具少则有一个这样的驱动器,多则有20个这样的驱动器。

  有许多问题与变频驱动器和伺服电机相关。我们只关注部分问题。读者可以简单的在搜索引擎上查找变频驱动器,轴承,过电压和电磁干扰以了解问题的整个范围,并寻求解决方案。

  脉冲驱动信号的特性

  为了减少设备成本,驱动脉冲逆变器采用快速开关来驱动脉冲使其具有几纳秒的上升和下降时间,从而将这些信号的频谱扩展到几兆赫兹。简单地打开和关闭流入电机的电流比产生一个逐步加大和逐步减小的输出电压更为简单,更便宜和更有效。这些短边沿驱动脉冲是各种问题的主要来源。如果控制器和电机之间的连接为适当的射频连接,例如,匹配输入和输出阻抗,选择了适当的射频等级电缆和类似设计,许多问题都不会存在。然而,设计电动机的目的不是正确传输信号,而是进行机械工作,因此很少考虑其高频信号特性。以下是由尖脉冲驱动信号或相关引起的一些问题(顺序与重要性无关)

  电动机轴承损毁过电压和关联绝缘损坏电力线和地线中的高电平传导电磁干扰地平面中高电平电磁干扰电流引起的电气过载(EOS)问题来自电缆的高水平辐射电磁干扰机械噪声电动机过热消除伺服电机和变频驱动器中的电磁干扰问题

  电动机轴承损毁

  让我们将电动机当作一个电子电路。将边沿陡的驱动脉冲作用在定子(即电动机底座的感应器)上。定子对转子具有强电容耦合(定子和转子大的金属表面之间间距很近)。

  虽然驱动脉冲的自身频率非常低-通常不高于20KHz,并且不是考虑的重点-驱动脉冲的尖锐边沿的高频成分从容性耦合中得到的阻抗很小,现在电动机的高频电压与驱动脉冲边沿同步。这个电压反过来会引起电流通过唯一路径即从转子到电动机轴承流到地平面。显示地电流是如何与驱动脉冲边沿完全同步的。

  轴承钢珠和轴承底圈之间的连接经常是间断的,绝缘润滑油的存在会加剧这个问题。这会导致轴承中的电流产生电弧放电,从而产生EDM现象-电火花放电。基本上,电火花一次会吞噬小片金属。这种现象广泛发生在其他难以加工的金属部件上,这些金属部件具有球形轴承,而金属机械加工的机制基本相同。然而,目的和输出却大相径庭。电火花在轴承中引起的EDM起源于小的弧坑,或者麻点引起的不连续,这会产生进一步放电和危害。在轴上低至200mV的电压也会产生电火花,虽然电动机上的感应电压很高-高达上万伏。

  一旦产生了麻点,它就会成为进一步放电的集中点。由于驱动脉冲和产生的放电每秒在每次电动机运行中会发生上千次,它持续时间不会很长从而不会对轴承产生永久性损坏。最常见的问题之一是轴承凹槽,或称之为跑道形放电器-见图X(ABB)。这个问题会传播,最终由于轴承故障造成电动机永久性损坏。这个问题很常见,并且自身没有表现出任何会消除的迹象。

  脉冲边沿过电压

  如果电动机控制器的输出阻抗,电动机的输入阻抗和连接电缆的阻抗完全匹配,那么驱动脉冲完全是方波脉冲。但是,电动机不是射频设备,没人尝试进行阻抗匹配,而且如果人们尝试进行匹配它就不能工作了。失配会引起振铃和过载。

  图6显示了很轻的振铃和过电压情况,虽然很多情况下过电压很容易就超过正常脉冲幅度的60%。红线为控制器输出端的直接驱动信号;蓝线为电动机上经过3英尺(~1米)电缆的相同信号。很明显这个过电压和振铃只会通过轴承增加地电流。根据美国能源部【7】:“来自脉宽调制变频器的最快上升脉冲可能会引起有害电流在轴承中流动,即使过电压不大”。过电压不仅会引起压筋的损害,还会压迫电缆和电动机内部线圈的隔离层,除此以外,还会引起电压控制驱动电流损坏,电动机过热和噪音问题,这还没包括其他不严重的影响。这个问题已得到广泛关注。IEC/TS60034-25(与IEC/TS60034-17合并)声明采用标准绝缘的电动机终端的脉冲电压不能超过1350V。如果电动机终端的脉冲电压上升时间低于0.8µs,对于具有50ns上升/下降时间的脉冲,其容许的脉冲电压降到900V,NEMAMG1-2014还强调电磁干扰会引起轴承损坏和其他问题。

  设备的电磁干扰

  仅关注电动机损坏或变频器/伺服电机上高频驱动信号过电压方面的问题是不够的。电动机不是单独工作的-它们安装在设备上,而这些设备可能对电动机产生的电磁干扰敏感。来自驱动器的高频干扰会引起:

  与电磁兼容规范不兼容干扰电子设备工作引起测量误差和引起传感器输出错误对敏感设备产生电气过载(EOS)

  驱动脉冲的产生会引起对电源电流消耗的巨大改变,这反过来会产生高频传导发射,而这种发射反过来会返回电源中。在电源上使用电源线滤波器是兼容性设计的主要方法,这是大多数伺服/变频制造商推荐的方案。这有助于取得电磁兼容性。然而,目前没有电磁兼容管理部门控制设备内电磁干扰,因为大多数管理部门更关注特定设备可能怎样影响到其他设备的运行。不能管理设备内电磁干扰,这使其会干扰到自身,尤其是当用户或集成商将传动设备与其它电子设备集成使用时。此时,不同设备的相互操作就不像一家公司单独生产那样进行了严格检查。

  大多数来自驱动器的内部电磁干扰问题是由驱动脉冲引起,并以来自驱动秒冲尖锐边沿的辐射发射干扰,设备地及设备框架上噪声的形式显现,设备走线上的感应传导发射很难滤除。如上所述,通过电动机轴承的地电流会破坏设备的整个地系统,减小数据线中的信噪比,改变传感器中的信号,导致过程改变,有时甚至会引起生命威胁情况,如核磁共振中的错误读数。有的研究表明中性点和地之间低至1V的电压可能引起设备故障。有些驱动电缆和设备地之间的容性耦合会引起地噪声。

  来自伺服电机和变频器中的电磁干扰还可能引起电气过载。半导体和印刷电路板安装设备地之间的大电压差会将敏感设备暴露在电气过载中,这经常引起立即或潜V的损坏,这种损坏会造成设备能够通过生产时的测试但在实际中很快就坏了。具体问题就是地平面上的电磁干扰电压具有很低的输出阻抗,这会导致强电流功率,即使很低的电压差也会损坏设备。IPC-A-610是印刷电路板安装的最基本标准-限制应用到敏感设备上的电压,特别是电动机的电磁干扰瞬态电压特性会低至300mV。对于电子产品,从产量和可靠性方面考虑,EOS越来越重要。

  由变频器/伺服电机引起的电磁干扰测试

  你不能控制你无法测得的东西。这句话很有深意。完全为了电磁兼容目的的交流电源传导发射测试已广为人知,别处有深入的记载,在此不再重复。而且,这部分所指的测试不是常规的电磁兼容管理部门进行的测试,而是针对设备可靠性和操作性的重要内容。

  轴承电流测试

  不用说,直接测试通过旋转轴承的电流至少不是现实的尝试。然而,通过测试驱动信号回流路径中的电流是非常相关的测试,例如,测试控制器和电机地线中的电流。

  基本前提是通过轴承的电流必须要流回起点-电机控制器。回路路径通过地线(有时设计成PE-电源地)。虽然有些仅仅是定子绕组和地电机壳之间的容性高频电流路径,它与流过轴承的电流相比微不足道,因此测试地线中的高频电流足以估计流过轴承的电流。这些电机通常具有三根驱动线,但不排除设计了U,V和W,以及地线G,或者有时设计为电源地。地线上的宽带电流探头通过轴承返回电流。

  图8显示了通过地线的典型电流,该电流通过Tektronix电流探头CTI测得。这个探头具有5mV/mA的敏感度。本文中的电流测试都按照此方法进行。如图所示,峰值电流为1.72A-值比较大。这个峰值电流用于10000次/s的轴承。注意到即使没有运动,伺服电机仍然处于工作状态-仅仅保持它的位置。不足为奇,它可能造成轴承的损坏,以及其他一些不想要的效应-干扰设备运行和引起电气过载。

  在此我们进入到读者必须要注意的安全方面的内容,因为驱动信号可能具有高电压(高达480V)强电流功率。暴露在这样的电压中可能引起伤害或死亡。如果你不熟悉工作在高压线环境中,你应该推迟测试它的连接部分,或者至少经过专家的适当培训。

  你需要一个电池供电的示波器,其带宽至少为200MHz(更高的带宽没有任何好处),以及一个100:1的高电压示波器探头。注意不可以使用频谱仪,交流供电的示波器会由于其连接到公共地而产生地回路。而且,注意到常规的10:1探头对驱动信号的衰减不足以防止钳制信号。如果你设置示波器的值,你需要将它的输入设置为1兆欧而不是50欧姆,因为高电压和低阻抗配合不好,这点至关重要。这还可能给信号引入小的振铃,但这比损坏示波器要好。

  在大多数电机控制器中,你可能找到标记为U,V和W的终端-它们输出到电机中。将探头地和控制器地,探头尖端及U,V和W终端连接在一起,可能还需要适当延长,这取决于终端结构。示波器探头的地应该连接到控制器地的终端,控制器地终端紧邻U,V和W终端。基于示波器设置数次测量时间有助于捕捉驱动脉冲,脉冲上升沿和脉冲下降沿。

  你可能会期待在高品质电机控制器终端上会出现方波驱动信号。在电机上的测试更为难办,由于终端及一些很难获取的问题,这看起来经常几乎是不可能办到的,但如果有设备专家的帮助这也许可能办到。确保示波器探头的地夹连接到电机的接地端,而不是别的地方,否则测试结果会大大折扣。

  消除变频器/伺服电机的电磁干扰问题

  最后,以上描述的所有问题都由驱动脉冲的尖锐边沿所引起。因此,解决此类问题需要改变脉冲边沿以便上升和下降时间都足够慢,以免定子和转子之间的容性耦合成为主要的导电路径,同时还能保证电动机的性能。

  优化走线,改变通过轴承的电流路径或者同时阻塞路径,是一些解决方案。脉宽调制驱动电机的问题不是一个新问题,而是广泛的问题-有很多解决方案,我们将在后述章节介绍。鉴于这个问题的广泛性和它的经济影响,对于电动机用户有很多可用的解决方案,各种方案具有不同的有效性。对于变频器和伺服电机问题的预防方法就很好-建议用户在选择电动机问题解决方案时注意实际技术分析与大量销售广告。

  走线优化

  毋庸置疑,相比长的电缆,短的电动机电缆提供更小的振铃和更少的发射。与其他电缆分离布置的电缆对其他导体产生更小的电压和电流。正确连接的屏蔽(铜网编织)有助于减小来自脉冲边沿的电磁场。

  对于变频器和伺服电机有许多特殊制造的电缆。控制器和电动机之间更好的电缆是那种具有足够厚度适当屏蔽的电缆(铜网编织屏蔽体)。有的电缆各相都具有独立的地线,这进一步减小了振铃。不建议用户使用不是专门用于变频器的常规电缆的电缆,因为这可能加剧问题。

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标签: 伺服电机变频驱动器电磁干扰

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