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在現代工業控制系統中,隨著變頻器等電力電子裝置的廣泛使用,系統的電磁干擾日益嚴重,相應的抗干擾設計技術已經變得越來越重要。變頻器系統的干擾可能導致變頻器無法正常工作,或者直接損害其硬件設備,給正常生產帶來事故。因此,如何提高系統的抗干擾能力是自動化裝置研制和應用中不可忽視的重要內容,也是計算機控制技術應用和推廣的關鍵之一。談到變頻器的抗干擾問題,我們要了解干擾的來源和傳播方式,再針對這些干擾采取不同的抗干擾措施。

  1 變頻器干擾的來源

  1.1首先是來自外部電網的干擾。電網中的諧波干擾主要通過變頻器的供電電源干擾變頻器。電網中存在大量諧波源如各種整流設備、交直流互換設備、電子電壓調整設備,非線性負載及照明設備等。這些負荷都使電網中的電壓、電流產生波形畸變,從而對電網中其它設備產生危害的干擾。變頻器的供電電源受到來自被污染的交流電網的干擾后若不加以處理,電網噪聲就會通過電網電源電路干擾變頻器。供電電源的干擾對變頻器主要有 ①過壓、欠壓、瞬時掉電;②浪涌、跌落;③尖峰電壓脈沖;④射頻干擾。

  1.1.1晶閘管換流設備對變頻器的干擾

  當供電網絡內有容量較大的晶閘管換流設備時,由于晶閘管總是在每相半周期內的部分時間內導通,容易使網絡電壓出現凹口,波形嚴重失真。它使變頻器輸入側的整流電路有可能因出現較大的反向回復電壓而受到損害,從而導致輸入回路擊穿而燒毀。

  1.1.2電力補償電容對變頻器的干擾

  電力部門對用電單位的功率因數有一定的要求,為此,許多用戶都在變電所采用集中電容補償的方法來提高功率因數。在補償電容投入或切出的暫態過程中,網絡電壓有可能出現很高的峰值,其結果是可能使變頻器的整流二極管因承受過高的反向電壓而擊穿。

  1.2其次是變頻器自身對外部的干擾。變頻器的整流橋對電網來說是非線性負載,它所產生的諧波對同一電網的其它電子、電氣設備產生諧波干擾。另外變頻器的逆變器大多采用PWM技術,當工作于開關模式且作高速切換時,產生大量耦合性噪聲。因此變頻器對系統內其它的電子、電氣設備來說是一電磁干擾源。變頻器的輸入和輸出電流中,都含有很多高次諧波成分。除了能構成電源無功損耗的較低次諧波外,還有許多頻率很高的諧波成分。它們將以各種方式把自己的能量傳播出去,形成對變頻器本身和其它設備的干擾信號。

  1.2.1輸入電流的波形 變頻器的輸入側是二極管整流和電容濾波電路。顯然只有電源的線電壓UL大于電容器兩端的直流電壓UD時,整流橋中才有充電電流。因此,充電電流總是出現在電源電壓的振幅值附近,呈不連續的沖擊波形式。它具有很強的高次諧波成分。有關資料表明,輸入電流中的5次諧波和7次諧波的諧波分量是最大的,分別是50Hz基波的80%和70%。

  1.2.2輸出電壓與電流的波形絕大多數變頻器的逆變橋都采用SPWM調制方式,其輸出電壓為占空比按正弦規律分布的系列矩形式形波;由于電動機定子繞組的電感性質,定子的電流十分接近于正弦波。但其中與載波頻率相等的諧波分量仍是較大的。

  2干擾信號的傳播方式

  變頻器能產生功率較大的諧波,由于功率較大,對系統其它設備干擾性較強,其干擾途徑與一般電磁干擾途徑是一致的,主要分傳導(即電路耦合)、電磁輻射、感應耦合。具體為:首先對周圍的電子、電氣設備產生電磁輻射;其次對直接驅動的電動機產生電磁噪聲,使得電機鐵耗和銅耗增加;并傳導干擾到電源,通過配電網絡傳導給系統其它設備;最后變頻器對相鄰的其它線路產生感應耦合,感應出干擾電壓或電流。同樣,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。

  2.1電路耦合方式即通過電源網絡傳播。由于輸入電流為非正弦波,當變頻器的容量較大時,將使網絡電壓產生畸變,影響其他設備工作,同時輸出端產生的傳導干擾使直接驅動的電機銅損、鐵損大幅增加,影響了電機的運轉特性。顯然,這是變頻器輸入電流干擾信號的主要傳播方式。

  2.2感應耦合方式,當變頻器的輸入電路或輸出電路與其他設備的電路挨得很近時,變頻器的高次諧波信號將通過感應的方式耦合到其他設備中去。感應的方式又有兩種:

  2.2.1電磁感應方式,這是電流干擾信號的主要方式;

  2.2.2靜電感應方式,這是電壓干擾信號的主要方式。

  2.3空中幅射方式 即以電磁波方式向空中幅射,這是頻率很高的諧波分量的主要傳播方式。

  3變頻器的抗干擾措施

  根據電磁性的基本原理,形成電磁干擾(EMI)須具備三要素:電磁干擾源、電磁干擾途徑、對電磁干擾敏感的系統。為防止干擾,可采用硬件抗干擾和軟件抗干擾。其中,硬件抗干擾是應用措施系統最基本和最重要的抗干擾措施,一般從抗和防兩方面入手來抑制干擾,其總原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對系統的藕合通道、降低系統干擾信號的敏感性。具體措施在工程上可采用隔離、屏蔽、濾波、接地等方法。

  3.1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,使它們不發生電的聯系。在變頻調速傳動系統中,通常是電源和放大器電路之間電源線上采用隔離變壓器以免傳導干擾,電源隔離變壓器可應用噪聲隔離變壓器。

  3.2屏蔽干擾源是抑制干擾的最有效的方法。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽,不讓其電磁干擾泄漏;輸出線最好用鋼管屏蔽,特別是以外部信號控制變頻器時,要求信號線盡可能短(一般為20m以內),且信號線采用雙芯屏蔽,并與主電路線(AC380V)及控制線(AC220V)完全分離,決不能放于同一配管或線槽內,周圍電子敏感設備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效,屏蔽罩必須可靠接地。

3.3在系統線路中設置濾波器的作用是為了抑制干擾信號從變頻器通過電源線傳導干擾到電源從電動機。為減少電磁噪聲和損耗,在變頻器輸出側可設置輸出濾波器; 為減少對電源干擾,可在變頻器輸入側設置輸入濾波器。若線路中有敏感電子設備,可在電源線上設置電源噪聲濾波器以免傳導干擾。在變頻器的輸入和輸出電路中,除了上述較低的諧波成分外,還有許多頻率很高的諧波電流,它們將以各種方式把自己的能量傳播出去,形成對其他設備的干擾信號。濾波器就是用于削弱頻率較高的諧波分量的主要手段。根據使用位置的不同,可分為:

  3.3.1輸入濾波器 通常又有兩種:

  a、 線路濾波器 主要由電感線圈構成。它通過增大線路在高頻下的阻抗來削弱頻率較高的諧波電流。b、 輻射濾波器 主要由高頻電容器構成。它將吸收掉頻率很高的、具有輻射能量的諧波成分。

  3.3.2輸出濾波器 也由電感線圈構成。它可以有效地削弱輸出電流中的高次諧波成分。非但起到抗干擾的作用,且能削弱電動機中由高次諧波諧波電流引起的附加轉矩。對于變頻器輸出端的抗干擾措施,必須注意以下方面:

  a變頻器的輸出端不允許接入電容器,以免在逆變管導通(關斷)瞬間,產生峰值很大的充電(或放電)電流,損害逆變管;b輸出濾波器由LC電路構成時,濾波器內接入電容器的一側,必須與電動機側相接。

  3.4正確的接地既可以使系統有效地抑制外來干擾,又能降低設備本身對外界的干擾。在實際應用系統中,由于系統電源零線(中線)、地線(保護接地、系統接地)不分、控制系統屏蔽地(控制信號屏蔽地和主電路導線屏蔽地)的混亂連接,大大降低了系統的穩定性和可靠性。對于變頻器,主回路端子PE(E、G)的正確接地是提高變頻器抑制噪聲能力和減小變頻器干擾的重要手段,因此在實際應用中一定要非常重視。變頻器接地導線的截面積一般應不小于2.5m,長度控制在20m以內。建議變頻器的接地與其它動力設備接地點分開,不能共地。

  3.5采用電抗器

  在變頻器的輸入電流中頻率較低的諧波分量(5次諧波、7次諧波、11次諧波、13次諧波等所)所占的比重是很高的,它們除了可能干擾其他設備的正常運行之外,還因為它們消耗了大量的無功功率,使線路的功率因數大為下降。在輸入電路內串入電抗器是抑制較低諧波電流的有效方法。根據接線位置的不同,主要有以下兩種:

  3.5.1電抗器 串聯在電源與變頻器的輸入側之間。其主要功能有:

  a通過抑制諧波電流,將功率因數提高至(0.75-0.85);b削弱輸入電路中的浪涌電流對變頻器的沖擊;c削弱電源電壓不平衡的影響。

  3.5.2直流電抗器 串聯在整流橋和濾波電容器之間。它的功能比較單一,就是削弱輸入電流中的高次諧波成分。但在提高功率因數方面比交流電抗器有效,可達0.95,并具有結構簡單、體積小等優點。

  3.6合理布線

  對于通過感應方式傳播的干擾信號,可以通過合理布線的方式來削弱。具體方法有:

  3.6.1設備的電源線和信號線應盡量遠離變頻器的輸入、輸出線;

  3.6.2其他設備的電源線和信號線應避免和變頻器的輸入、輸出線平行;

  4 結論

  隨著新技術和新理論不斷在變頻器上的應用,重視變頻器的電磁干擾,已成為變頻調速傳動系統設計、應用必須面對的問題,也是變頻器應用和推廣的關鍵之一。

  本文簡單介紹變頻器實際應用中干擾來源和傳播途徑,以及針對干擾采取了不同的抗干擾措施,我們相信隨著科技的進步變頻器的干擾問題一定會得到有效解決。
 

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