變頻器應(yīng)用過(guò)程中的干擾及其解決方法
發(fā)布時(shí)間：2011-07-06
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| | | 變頻器應(yīng)用過(guò)程中的干擾及其解決方法 | | | | 作者：帕克環(huán)保技術(shù)有限公司 何勁 | | | 摘 要：變頻器技術(shù)是集自動(dòng)控制、微電子、電力電子、通信等技術(shù)于一體的高科技技術(shù)。它以很好的調(diào)速、節(jié)能性能在各行各業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。但隨之也帶來(lái)了一些干擾問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)的供電和用電設(shè)備會(huì)對(duì)變頻器產(chǎn)生影響，變頻器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的高次諧波也會(huì)干擾周圍設(shè)備的運(yùn)行。介紹了變頻器應(yīng)用系統(tǒng)中干擾產(chǎn)生的來(lái)源及其傳播途徑，提出了抗干擾的實(shí)際解決方法，闡述了在變頻器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安裝中抑制干擾的具體措施。真正的綠色變頻器將會(huì)面世。
關(guān)鍵詞: 變頻器干擾 諧波
0 引言
變頻器調(diào)速技術(shù)是集自動(dòng)控制、微電子、電力電子、通信等技術(shù)于一體的高科技技術(shù)。它以很好的調(diào)速、節(jié)能性能，在各行各業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。由于其采用軟啟動(dòng)，可以減少設(shè)備和電機(jī)的機(jī)械沖擊，延長(zhǎng)設(shè)備和電機(jī)的使用壽命。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，變頻器以其具有節(jié)電、節(jié)能、可靠、高效的特性應(yīng)用到了工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域中，如變頻調(diào)速在供水、空調(diào)設(shè)備、過(guò)程控制、電梯、機(jī)床等方面的應(yīng)用，保證了調(diào)節(jié)精度，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了經(jīng)濟(jì)效益，但隨之也帶來(lái)了一些干擾問(wèn)題。現(xiàn)場(chǎng)的供電和用電設(shè)備會(huì)對(duì)變頻器產(chǎn)生影響，變頻器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的高次諧波也會(huì)干擾周圍設(shè)備的運(yùn)行。變頻器產(chǎn)生的干擾主要有三種：對(duì)電子設(shè)備的干擾、對(duì)通信設(shè)備的干擾及對(duì)無(wú)線電等產(chǎn)生的干擾。對(duì)計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制裝置等電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾主要是感應(yīng)干擾。如果變頻器的干擾問(wèn)題解決不好，不但系統(tǒng)無(wú)法可靠運(yùn)行，還會(huì)影響其他電子、電氣設(shè)備的正常工作。因此有必要對(duì)變頻器應(yīng)用系統(tǒng)中的干擾問(wèn)題進(jìn)行探討，以促進(jìn)其進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。下面主要討論變頻器的干擾及其抑制方法。
1 變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要電磁干擾源及途徑
1.1 主要電磁干擾源
電磁干擾也稱電磁騷擾（EMI），是以外部噪聲和無(wú)用信號(hào)在接收中所造成的電磁干擾，通常是通過(guò)電路傳導(dǎo)和磁場(chǎng)的形式傳播的。變頻器的整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)來(lái)說(shuō)是非線性負(fù)載，它所產(chǎn)生的諧波會(huì)對(duì)同一電網(wǎng)的其他電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾。另外，變頻器的逆變器大多采用PWM技術(shù)，當(dāng)其工作于開關(guān)模式并作高速切換時(shí)，產(chǎn)生大量耦合性噪聲。因此，變頻器對(duì)系統(tǒng)內(nèi)其他的電子、電氣設(shè)備來(lái)說(shuō)是一個(gè)電磁干擾源。另一方面，電網(wǎng)中的諧波干擾主要通過(guò)變頻器的供電電源干擾變頻器。電網(wǎng)中存在大量諧波源，如各種整流設(shè)備、交直流互換設(shè)備、電子電壓調(diào)整設(shè)備、非線性負(fù)載及照明設(shè)備等。這些負(fù)荷都使電網(wǎng)中的電壓、電流產(chǎn)生波形畸變，從而對(duì)電網(wǎng)中其他設(shè)備產(chǎn)生危害的干擾。變頻器的供電電源受到來(lái)自被污染的交流電網(wǎng)的干擾后，若不加以處理，電網(wǎng)噪聲就會(huì)通過(guò)電網(wǎng)的電源電路干擾變頻器。供電電源對(duì)變頻器的干擾主要有過(guò)壓、欠壓、瞬時(shí)掉電；浪涌、跌落；尖峰電壓脈沖；射頻干擾。其次，共模干擾通過(guò)變頻器的控制信號(hào)線也會(huì)干擾變頻器的正常工作。
1.2 電磁干擾的途徑
變頻器能產(chǎn)生功率較大的諧波，對(duì)系統(tǒng)其他設(shè)備干擾性較強(qiáng)。其干擾途徑與一般電磁干擾途徑是一致的，主要分電磁輻射、傳導(dǎo)、感應(yīng)耦合。具體為：①對(duì)周圍的電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射；②對(duì)直接驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電磁噪聲，使得電動(dòng)機(jī)鐵耗和銅耗增加，并傳導(dǎo)干擾到電源，通過(guò)配電網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)給系統(tǒng)內(nèi)其他設(shè)備；③變頻器對(duì)相鄰的其他線路產(chǎn)生感應(yīng)耦合，感應(yīng)出干擾電壓或電流。同樣，系統(tǒng)內(nèi)的干擾信號(hào)通過(guò)相同的途徑干擾變頻器的正常工作。
1.2.1 電磁輻射
變頻器如果不是處在一個(gè)全封閉的金屬外殼內(nèi)，它就可以通過(guò)空間向外輻射電磁波。其輻射場(chǎng)強(qiáng)取決于干擾源的電流強(qiáng)度、裝置的等效輻射阻抗以及干擾源的發(fā)射頻率。變頻器的整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)來(lái)說(shuō)是非線性負(fù)載，它所產(chǎn)生的諧波對(duì)接入同一電網(wǎng)的其它電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾。變頻器的逆變橋大多采用PWM技術(shù)，當(dāng)根據(jù)給定頻率和幅值指令產(chǎn)生預(yù)期的和重復(fù)的開關(guān)模式時(shí)，其輸出的電壓和電流的功率譜是離散的，并且?guī)в信c開關(guān)頻率相應(yīng)的高次諧波群。高載波頻率和場(chǎng)控開關(guān)器件的高速切換（dv/dt可達(dá)1 kV/μs 以上）所引起的輻射干擾問(wèn)題相當(dāng)突出。
當(dāng)變頻器的金屬外殼帶有縫隙或孔洞，則輻射強(qiáng)度與干擾信號(hào)的波長(zhǎng)有關(guān)，當(dāng)孔洞的大小與電磁波的波長(zhǎng)接近時(shí)，會(huì)形成干擾輻射源向四周輻射。而輻射場(chǎng)中的金屬物體還可能形成二次輻射。同樣，變頻器外部的輻射也會(huì)干擾變頻器的正常工作。
1.2.2 傳導(dǎo)
上述的電磁干擾除了通過(guò)與其相連的導(dǎo)線向外部發(fā)射，也可以通過(guò)阻抗耦合或接地回路耦合將干擾帶入其它電路。與輻射干擾相比，其傳播的路程可以很遠(yuǎn)。比較典型的傳播途徑是：接自工業(yè)低壓網(wǎng)絡(luò)的變頻器所產(chǎn)生的干擾信號(hào)將沿著配電變壓器進(jìn)入中壓網(wǎng)絡(luò)，并沿著其它的配電變壓器*終又進(jìn)入民用低壓配電網(wǎng)絡(luò)，使接自民用配電母線的電氣設(shè)備成為遠(yuǎn)程的受害者。
1.2.3 感應(yīng)耦合
感應(yīng)耦合是介于輻射與傳導(dǎo)之間的第三條傳播途徑。當(dāng)干擾源的頻率較低時(shí)，干擾的電磁波輻射能力相當(dāng)有限，而該干擾源又不直接與其它導(dǎo)體連接，但此時(shí)的電磁干擾能量可以通過(guò)變頻器的輸入、輸出導(dǎo)線與其相鄰的其他導(dǎo)線或?qū)w產(chǎn)生感應(yīng)耦合，在鄰近導(dǎo)線或?qū)w內(nèi)感應(yīng)出干擾電流或電壓。感應(yīng)耦合可以由導(dǎo)體間的電容耦合的形式出現(xiàn)，也可以由電感耦合的形式或電容、電感混合的形式出現(xiàn)，這與干擾源的頻率以及與相鄰導(dǎo)體的距離等因素有關(guān)。
2 抗電磁干擾的措施
據(jù)電磁學(xué)基本原理，形成電磁干擾（EMI）須具備電磁干擾源、電磁干擾途徑、對(duì)電磁干擾敏感的系統(tǒng)等3個(gè)要素。為防止干擾，可采用硬件和軟件的抗干擾措施。其中，硬件抗干擾是*基本和*重要的抗干擾措施，一般從抗和防兩方面入手來(lái)抑制干擾，其總原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對(duì)系統(tǒng)的耦合通道、降低系統(tǒng)對(duì)干擾信號(hào)的敏感性。具體措施在工程上可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。
2.1 隔離
所謂干擾的隔離是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來(lái)，使它們不發(fā)生電的聯(lián)系。在變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中，通常是在電源和放大器電路之間的電源線上采用隔離變壓器以免傳導(dǎo)干擾，電源隔離變壓器可應(yīng)用噪聲隔離變壓器。
2.2 濾波
設(shè)置濾波器的作用是為了抑制干擾信號(hào)從變頻器通過(guò)電源線傳導(dǎo)干擾到電源及電動(dòng)機(jī)。為減少電磁噪聲和損耗，在變頻器輸出側(cè)可設(shè)置輸出濾波器。為減少對(duì)電源的干擾，可在變頻器輸入側(cè)設(shè)置輸入濾波器。若線路中有敏感電子設(shè)備，可在電源線上設(shè)置電源噪聲濾波器，以免傳導(dǎo)干擾。
2.3 屏蔽接地
屏蔽干擾源是抑制干擾的*有效的方法。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽，不讓其電磁干擾泄漏。輸出線*好用鋼管屏蔽，特別是以外部信號(hào)控制變頻器時(shí)，要求信號(hào)線盡可能短（一般為20m以內(nèi)），且信號(hào)線采用雙芯屏蔽，并與主電路及控制回路完全分離，不能放于同一配管或線槽內(nèi)，周圍電子敏感設(shè)備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。
2.4 接地
實(shí)踐證明，接地往往是抑制噪聲和防止干擾的重要手段。良好的接地方式可在很大程度上抑制內(nèi)部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。變頻器的接地方式有多點(diǎn)接地、一點(diǎn)接地及經(jīng)母線接地等幾種形式，要根據(jù)具體情況采用，要注意不要因?yàn)榻拥?*而對(duì)設(shè)備產(chǎn)生干擾。
單點(diǎn)接地指在一個(gè)電路或裝置中，只有一個(gè)物理點(diǎn)定義為接地點(diǎn)。在低頻下的性能好；多點(diǎn)接地是指裝置中的各個(gè)接地點(diǎn)都直接接到距它*近的接地點(diǎn)。在高頻下的性能好；混合接地是根據(jù)信號(hào)頻率和接地線長(zhǎng)度，系統(tǒng)采用單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地共用的方式。變頻器本身有專用接地端子PE端，從**和降低噪聲的需要出發(fā)，必須接地。既不能將地線接在電器設(shè)備的外殼上，也不能接在零線上。可用較粗的短線一端接到接地端子PE端，另一端與接地極相連，接地電阻取值<100Ω，接地線長(zhǎng)度在20 m以內(nèi)，并注意合理選擇接地極的位置。當(dāng)系統(tǒng)的抗干擾能力要求較高時(shí)，為減少對(duì)電源的干擾，在電源輸入端可加裝電源濾波器。為抑制變頻器輸入側(cè)的諧波電流，改善功率因數(shù)，可在變頻器輸入端加裝交流電抗器，選用與否可視電源變壓器與變頻器容量的匹配情況及電網(wǎng)允許的畸變程度而定，一般情況下采用為好。為改善變頻器輸出電流，減少電動(dòng)機(jī)噪聲，可在變頻器輸出端加裝交流電抗器。圖1為一般變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)抗干擾所采取的措施。
圖1變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)抗干擾措施以上抗干擾措施可根據(jù)系統(tǒng)的抗干擾要求來(lái)合理選擇使用。若系統(tǒng)中含控制單元如微機(jī)等，還須在軟件上采取抗干擾措施。
3 變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的其他問(wèn)題
①在設(shè)備排列布置時(shí)，應(yīng)該注意將變頻器單獨(dú)布置，盡量減少可能產(chǎn)生的電磁輻射干擾。在實(shí)際工程中，由于受到房屋面積的限制往往不可能有單獨(dú)布置的位置，應(yīng)盡量將容易受干擾的弱電控制設(shè)備與變頻器分開，比如將動(dòng)力配電柜放在變頻器與控制設(shè)備之間。
②變頻器電源輸入側(cè)可采用容量適宜的空氣開關(guān)作為短路保護(hù)，但切記不可頻繁操作。由于變頻器內(nèi)部有大電容，其放電過(guò)程較為緩慢，頻繁操作將造成過(guò)電壓而損壞內(nèi)部元件。
③ 控制變頻調(diào)速電機(jī)啟/停通常由變頻器自帶的控制功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，不要通過(guò)接觸器實(shí)現(xiàn)啟/停。否則，頻繁的操作可能損壞內(nèi)部元件。
④量減少變頻器與控制系統(tǒng)不必要的連線，以避免傳導(dǎo)干擾。除了控制系統(tǒng)與變頻器之間必須的控制線外，其它如控制電源等應(yīng)分開。由于控制系統(tǒng)及變頻器均需要24Ｖ直流電源，而生產(chǎn)廠家為了節(jié)省一個(gè)直流電源，往往用一個(gè)直流電源分兩路分別對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)供電，有時(shí)變頻器會(huì)通過(guò)直流電源對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，所以在設(shè)計(jì)中或訂貨時(shí)要特別加以說(shuō)明，要求用兩個(gè)直流電源分別對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)供電。
4 結(jié)束語(yǔ)
以上通過(guò)對(duì)變頻器運(yùn)行過(guò)程中存在的干擾問(wèn)題的分析，提出了解決這些問(wèn)題的實(shí)際方法。隨著新技術(shù)和新理論不斷在變頻器上的應(yīng)用，變頻器應(yīng)用存在的這些問(wèn)題有望通過(guò)變頻器本身的功能和補(bǔ)償來(lái)解決。隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和社會(huì)環(huán)境對(duì)變頻器的要求不斷提高，滿足實(shí)際需要的真正“綠色”變頻器不久也會(huì)面世。
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假設(shè)負(fù)載的功率因數(shù)角為Φ，即輸出電流滯后輸出電壓Φ角。另外兩組交流電路在工作時(shí)無(wú)環(huán)流工作方式，即一組交流電路工作時(shí)，將另一組變流電路的脈沖封鎖。下圖給出了一個(gè)周期內(nèi)負(fù)載電壓、電流波形。
從圖3中可以看出，那組變流電路工作是由輸出電流的方向決定的，與輸出電壓極性無(wú)關(guān)。變流電路是工作在整流狀態(tài)還是逆變狀態(tài)，則是由輸出電壓方向和輸出電流方向的異同決定的。
4.3 輸出正弦波電壓的調(diào)制方法