技术文档：SINAMICS S120 变频器搭配 GRJ9000S 系列 EMC 电源滤波器

1. 引言

SINAMICS S120 是西门子公司推出的一款高性能模块化变频器系统，广泛应用于高精度、高动态性的工业自动化场景，如机床、机器人、印刷设备和包装机械等。其模块化设计和先进的控制技术使其能够满足复杂运动控制需求。然而，SINAMICS S120 在运行过程中因高频开关动作会产生电磁干扰（EMI），可能影响周边设备（如PLC、传感器、通信模块）的正常运行，甚至导致系统故障。为确保电磁兼容性（EMC）并提升系统稳定性，建议在 SINAMICS S120 输入端前置 EMC 电源滤波器。本文档推荐使用杭州干扰净电子的 GRJ9000S 系列 EMC 电源滤波器，其在 9 kHz 至 30 MHz 频段内插入损耗最高可达 70 dB，能够有效抑制干扰，保障系统可靠运行。

参考资料：SINAMICS S120 技术数据（西门子工业商城）。

2. SINAMICS S120 变频器概述

2.1 技术特性

SINAMICS S120 是一款模块化变频器系统，适用于高性能驱动应用。其主要技术数据包括：

• 功率范围：0.12 kW 至 5700 kW，覆盖单轴和多轴驱动需求。

• 电压范围：三相 380-480 V AC 或更高电压（视配置）。

• 控制方式：支持矢量控制、伺服控制和 V/f 控制，采用高频脉宽调制（PWM）技术。

• 模块化设计：包括控制单元（CU）、功率模块（PM）、电机模块等，可灵活配置。

• 应用领域：高动态应用（如机床、机器人）、复杂运动控制（如多轴协调）、能源再生系统。

• EMC 性能：符合 EN 61800-3 标准，但需外部滤波器以满足严格的工业 EMC 要求。

SINAMICS S120 的高频开关（典型载波频率 2-16 kHz）确保了精确的电机控制，但也带来了电磁干扰问题。

2.2 电磁干扰问题

SINAMICS S120 的高频 PWM 波形会在以下方面产生干扰：

1. 高频电磁噪声：开关动作在 9 kHz 至 30 MHz 频段内产生高频噪声，通过电源线（传导干扰）或空间（辐射干扰）传播。

2. 共模与差模干扰：

   • 共模干扰：由接地不当或寄生电容引起，常通过长电缆或接地回路传播。

   • 差模干扰：源于电源线之间的电压波动，影响电源质量。

3. 谐波干扰：输入端整流电路产生低频谐波，影响电网；输出端高频谐波干扰电机及控制信号。

4. 高功率特性：SINAMICS S120 支持大功率应用（如>100 kW），高电流和高载波频率会加剧干扰。

这些干扰可能导致以下问题：

• PLC 模拟量信号（如 4-20 mA）失真或数字量信号误触发。

• 传感器数据漂移或通信中断（如 PROFINET、EtherCAT）。

• 电机运行异常（如过热、振动）。

• 周边设备故障（如触摸屏乱码、继电器误动作）。

案例：在某机床加工中心，SINAMICS S120 驱动伺服电机时，干扰导致 PROFINET 通信丢包，影响加工精度。分析发现，高频噪声通过电源线传播，形成了干扰路径。

3. EMC 电源滤波器的重要性

3.1 作用

EMC 电源滤波器通过阻断高频噪声的传导路径，降低变频器对电网和其他设备的干扰。SINAMICS S120 的高性能特性使其在复杂工业环境中更需要高效滤波器来满足以下需求：

• EMC 合规性：确保系统符合 EN 61800-3 和 IEC 60601-1-2 等标准。

• 设备保护：减少干扰对 PLC、传感器和通信模块的影响。

• 系统稳定性：降低故障率，提高生产效率。

• 电机保护：减少高频谐波对电机的损害，延长使用寿命。

3.2 插入损耗的意义

插入损耗是衡量滤波器抑制干扰能力的关键指标，单位为分贝（dB）。GRJ9000S 系列滤波器在 9 kHz 至 30 MHz 频段内插入损耗最高可达 70 dB，意味着其能将干扰信号衰减至原有的千万分之一，确保电源信号纯净。

4. GRJ9000S 系列 EMC 电源滤波器

4.1 产品概述

GRJ9000S 系列 是杭州干扰净电子专为变频器设计的 EMC 电源滤波器，特别适用于 SINAMICS S120 等高性能变频器。其核心特性包括：

• 插入损耗：在 9 kHz 至 30 MHz 频段内，最高可达 70 dB，高效抑制高频噪声。

• 电流支持：支持 45A 及以上电流，适配 SINAMICS S120 的中高功率型号。

• 双重滤波：采用非晶磁芯和优化电路设计，同时抑制共模和差模干扰。

• 可靠性：低漏电流（<5 μA），符合 EN 61800-3 和 IEC 60601-1-2 标准，耐高温、防潮，适合恶劣工业环境。

• 易安装：紧凑设计，标准接线端子，兼容 SINAMICS S120 的控制柜布局。

4.2 技术优势

• 高效滤波：针对 SINAMICS S120 的高频 PWM 噪声（9 kHz-30 MHz），提供卓越的衰减性能。

• 适配性：支持 SINAMICS S120 的功率范围（0.12 kW-5700 kW），特别适合中高功率应用。

• EMC 合规：确保系统通过严格的工业 EMC 测试，降低合规风险。

• 安装便捷：无需复杂调试，安装时间<30 分钟。

• 长期稳定：高品质元器件，适合 SINAMICS S120 在高动态、高负载场景下的长期运行。

4.3 与 SINAMICS S120 的兼容性

GRJ9000S 系列滤波器与 SINAMICS S120 的电气特性和应用场景高度匹配：

• 功率匹配：支持 SINAMICS S120 的宽功率范围，尤其适合中高功率模块。

• 模块化支持：兼容 SINAMICS S120 的模块化设计，可安装在功率模块输入端。

• EMC 优化：补充 SINAMICS S120 的内置 EMC 功能，满足 C2/C3 类环境要求（EN 61800-3）。

案例：在某包装生产线，SINAMICS S120 驱动多轴系统时，干扰导致 EtherCAT 通信中断。安装 GRJ9000S 滤波器后，高频噪声衰减至原有的万分之一，通信恢复稳定，生产效率提升 12%。

5. 解决方案：抑制 SINAMICS S120 干扰

为有效抑制 SINAMICS S120 的电磁干扰，建议综合以下措施，重点使用 GRJ9000S 系列滤波器：

5.1 安装 GRJ9000S 系列滤波器

• 位置：在 SINAMICS S120 功率模块输入端（R/S/T）安装 GRJ9000S系 滤波器，阻断传导干扰。

• 接线：确保输入输出端正确连接，紧固端子，避免接触不良。

• 效果：插入损耗高达 70 dB，显著降低 9 kHz-30 MHz 的高频噪声。

5.2 优化接地设计

• 确保 SINAMICS S120、电机和控制柜接地到统一接地排，接地线长度<30 cm，电阻<4 Ω。

• 检查功率模块和控制单元的接地端子（PE 端），防止松动或生锈。

• 对于长距离电缆，采用单端接地（变频器侧）以减少接地回路噪声。

5.3 使用屏蔽电缆

• SINAMICS S120 到电机的输出电缆使用带铜网的专用屏蔽电缆，屏蔽层在变频器侧单端接地。

• 动力线与信号线分开布线，间距>20 cm，推荐使用独立线槽。

5.4 信号隔离与参数优化

• 信号隔离：在 PLC 或传感器输入端加装光电隔离模块，阻断干扰路径。

• 参数调整：适当降低 SINAMICS S120 的载波频率（如从 16 kHz 降至 8 kHz），减少高频噪声（需平衡效率和温升）。

• 内置功能：启用 SINAMICS S120 的内置 EMC 滤波或电抗器功能，作为辅助措施。

6. 实施步骤与注意事项

6.1 实施步骤

1. 干扰诊断：使用频谱分析仪或示波器检测 SINAMICS S120 的噪声频率和传播路径，确认干扰类型（共模/差模）。

2. 安装 GRJ9000S：在功率模块输入端安装滤波器，确保接线牢固。

3. 优化接地与布线：检查接地系统，替换屏蔽电缆，调整信号线布局。

4. 参数调整：根据 SINAMICS S120 手册优化载波频率等参数。

5. 测试验证：运行系统，监测 PLC、传感器和通信模块信号，确认干扰消除。

6.2 注意事项

• 安全操作：安装滤波器时断电操作，避免反接或触电。

• 定期维护：检查滤波器和接地端子状态，防止松动或老化。

• 环境适应：在高湿环境（如水处理厂）为滤波器加装防潮罩，延长寿命。

如需进一步技术支持或现场指导，请联系杭州干扰净电子或西门子技术团队。

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参考资料

• SINAMICS S120 技术数据，西门子工业商城

• 变频器干扰的成因与对策，电子发烧友网，2025-02-10

• EMC 滤波器在变频器中的应用，CSDN 博客，2025-03-04