變頻器應(yīng)用中抗干擾問題的探討

1 引言

　　隨著電力電子及其控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器及其變頻調(diào)速已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，如變頻調(diào)速在供水、空調(diào)設(shè)備、過程控制、電梯、機床等方面的應(yīng)用，變頻器的廣泛應(yīng)用也帶來了不能忽視的干擾問題。這種干擾表現(xiàn)在現(xiàn)場供電和其他用電設(shè)備對變頻器的干擾和變頻器運行時產(chǎn)生的高次諧波對電網(wǎng)和周圍設(shè)備的干擾兩個方面。如果變頻器的干擾問題解決不好，不僅變頻器系統(tǒng)無法可靠運行，還會影響其周邊其他電子、電氣設(shè)備的正常工作。因此，變頻器應(yīng)用系統(tǒng)中的干擾問題倍受理論界和工程應(yīng)用界的廣泛重視。下面結(jié)合自己的工作實踐，主要討論變頻器及其調(diào)速系統(tǒng)的干擾及其抑制方法。

2 變頻器系統(tǒng)的主要干擾

2.1 外部對變頻器的干擾

(1) 非線性用電設(shè)備對變頻器的干擾

　　由于各種整流設(shè)備、交直流互換設(shè)備、電子電壓調(diào)整設(shè)備、照明設(shè)備等非線性負(fù)載的應(yīng)用，這些負(fù)載成為電網(wǎng)中的大量諧波源，使電網(wǎng)電壓、電流產(chǎn)生波形畸變。圖1示出晶閘管換相引起的畸變。

圖1 晶閘管換相引起的畸變

變頻器的供電電源受到來自被污染的交流電網(wǎng)的干擾后，若不加以處理，電網(wǎng)噪聲就會通過電網(wǎng)電源電路干擾變頻器。供電電源對變頻器的干擾主要有過壓、欠壓、瞬時掉電；浪涌、跌落；尖峰電壓脈沖；射頻干擾。其次，共模干擾通過變頻器的控制信號線也會干擾變頻器的正常工作。

(2) 補償電容器的投入和切出對變頻器的干擾

　　許多用戶都在變電所內(nèi)采用集中電容補償?shù)姆椒▉硖岣?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/功率因數(shù)">功率因數(shù)，在補償電容器投入和切出的暫態(tài)過程中，網(wǎng)絡(luò)電壓有可能出現(xiàn)很高的峰值，如圖2所示，其結(jié)果是可能使變頻器的整流管因承受過高的反電壓而擊穿。

圖2 補償電容投入時的電壓畸變

2.2 變頻器對外部的干擾

　　變頻器對電網(wǎng)來說也是非線性負(fù)載，它所產(chǎn)生的諧波會對同一電網(wǎng)的其他電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾。另外，逆變器采用spwm技術(shù)，當(dāng)其工作于開關(guān)模式并作高速切換時，產(chǎn)生大量耦合性噪聲,對共網(wǎng)的其他的電子、電氣設(shè)備來說是一個電磁干擾源。

(1) 輸入電流的波形

　　ac-dc-ac壓型變頻器的輸入側(cè)是整流和濾波電路，只有在電源的線電壓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(xiàn)在電源電壓的振幅值附近，呈不連續(xù)的沖擊波形式，如圖3a)所示。它具有很強的高次諧波成分，其中5次諧波和7次諧波分量很大，如圖3b)所示。

圖3 輸入電流的波形及其諧波分析

圖4 輸出電壓與電流的波形

(2) 輸出電壓與電流的波形

　　變頻器的逆變橋大多采用spwm技術(shù)，其輸出電壓為占空比按正弦規(guī)律分布的系列矩形波，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，如圖4a)所示。其高載波頻率和場控開關(guān)器件的高速切換(dv/dt可達(dá)1kv/μs以上)所引起的輻射干擾相當(dāng)突出。

3 電磁干擾的傳播途徑

　　變頻器能產(chǎn)生功率較大的諧波，對系統(tǒng)其他設(shè)備干擾性較強。其干擾途徑與一般電磁干擾途徑一樣，有電磁輻射、電路耦合、感應(yīng)耦合等[1]，現(xiàn)分析如下。

3.1 電磁輻射

　　變頻器對電網(wǎng)來說是非線性負(fù)載，它所產(chǎn)生的諧波對接入同一電網(wǎng)的其它電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾。當(dāng)變頻器的金屬外殼帶有縫隙或孔洞，則輻射強度與干擾信號的波長有關(guān)，當(dāng)孔洞的大小與電磁波的波長接近時，會形成干擾輻射源向四周輻射。而輻射場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干擾變頻器的正常工作。

3.2 電路耦合

　　上述的電磁干擾除了通過與其相連的導(dǎo)線向外部發(fā)射，還可以通過阻抗耦合或接地回路耦合，將干擾信號帶入其它電路。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)生的干擾信號可沿著配電變壓器進(jìn)入中壓網(wǎng)絡(luò)，并沿著其它的配電變壓器最終又進(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。

3.3 感應(yīng)耦合

　　當(dāng)變頻器輸入或輸出電路與其它設(shè)備的電路很近時，變頻器的高次諧波信號可通過感應(yīng)的方式耦合到其它設(shè)備中去。其中電流干擾信號主要以電磁感應(yīng)方式傳播，電壓干擾信號主要以靜電感應(yīng)方式傳播。

4 抗電磁干擾的措施及注意事項

　　為防止干擾，可采用硬件和軟件的抗干擾措施。其中，硬件抗干擾是最基本和最重要的抗干擾措施，總的原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道、降低系統(tǒng)對干擾信號的敏感性，可從“抗”和“防”兩方面入手采取措施抑制干擾[2]。

4.1 正確安裝、合理布線

　　變頻器對安裝環(huán)境要求較高。一般變頻器使用手冊對環(huán)境溫度、通風(fēng)、濕度、海拔高度都有明確規(guī)定。以下幾個方面的安裝工藝要求值得注意：

(1) 確?？刂乒裰械乃性O(shè)備接地良好，應(yīng)該使用短、粗的接地線(最好采用扁平導(dǎo)體或金屬網(wǎng)，因其在高頻時阻抗較低)連接到公共地線上。按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其接地電阻應(yīng)小于4歐姆。另外與變頻器相連的控制設(shè)備(如plc或pid控制儀)要與其共地。

(2) 安裝布線時將電源線和控制電纜分開，其它設(shè)備的電源線和信號線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離變頻器的輸入、輸出線，例如使用獨立的線槽等。如果控制電路連接線必須和電源電纜交叉，應(yīng)成90°交叉布線。

(3) 使用屏蔽導(dǎo)線或雙絞線連接控制電路時，確保未屏蔽之處盡可能短，條件允許時應(yīng)采用電纜套管。

(4) 確保控制柜中的接觸器有滅弧功能，交流接觸器采用r-c抑制器，也可采用壓敏電阻抑制器，如果接觸器是通過變頻器的繼電器控制的，這一點特別重要。

(5) 所有的電源線和信號線都應(yīng)盡量屏蔽，用屏蔽和鎧裝電纜作為電機接線時，要將屏蔽層雙端接地。

(6) 如果變頻器運行在對噪聲敏感的環(huán)境中，可以采用rfi濾波器減小來自變頻器的傳導(dǎo)和輻射干擾。為達(dá)到最優(yōu)效果，濾波器與安裝金屬板之間應(yīng)有良好的導(dǎo)電性。

4.2 加入電抗器

　　在變頻器的輸入電流中，頻率較低的諧波分量(5、7、9、11、13次諧波等)所占的比重比較高，這些諧波除了可能干擾其它設(shè)備的正常運行外，還消耗大量的無功功率，使線路的功率因數(shù)降低。在輸入電路中串入電抗器是抑制較低諧波電流的有效方法，如圖5所示。根據(jù)接線位置不同，分以下兩種：

圖5 變頻器中串入電抗器

(1) 交流電抗器

　　交流電抗器串聯(lián)在電源與變頻器的輸入側(cè)之間，如圖5中l(wèi)a所示，其作用是抑制諧波電流、　提高功率因數(shù)、削弱輸入電路中的浪涌電流對變頻器的沖擊、削弱電源電壓不平衡等。

(2) 直流電抗器

　　直流電抗器串聯(lián)在整流橋和濾波電容器之間，如圖5中的ld，其作用是削弱輸入電流中的高次諧波成分并可提高功率因數(shù)。

　　4.3 加入濾波器

　　如圖6所示，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，抗傳導(dǎo)干擾。

圖6 濾波器接法

(1)輸入濾波器

　　根據(jù)結(jié)構(gòu)和作用不同，可分為線路濾波器和輻射濾波器。

　　線路濾波器主要由電感線圈構(gòu)成，如圖6中f11，通過增大線路在高頻下的阻抗來削弱　　通過線路傳播的頻率較高的諧波電流。

　　輻射濾波器由高頻電容器構(gòu)成，如圖6中f12所示，通過吸收的方法來削弱通過輻射傳播的干擾信號。

(2) 輸出濾波器

　　在變頻器的輸出側(cè)和電動機之間串入由電感構(gòu)成的輸出濾波器，可以有效的削弱輸出電流中的高次諧波電流引起的附加轉(zhuǎn)矩，改善了電動機的運行特性，如圖6中的f0所示。

必須注意，在變頻器的輸出端不允許接入電容器，以免在逆變管導(dǎo)通(或關(guān)斷)瞬間，產(chǎn)生峰值很大的充電(或放電)電流，損壞逆變管[3]。

4.4 隔離

　　變頻器輸入側(cè)的諧波電流常常從電流側(cè)進(jìn)入各種儀器，成為許多儀器的干擾源。針對此情況，應(yīng)在受干擾儀器的電源側(cè)采取有效的隔離。方法有電源隔離法和信號隔離法[4]，如圖7和圖8所示。

圖7中接入隔離變壓器，隔離變壓器的特點是一、二次繞組的匝數(shù)相等，但一、二次側(cè)之間應(yīng)由金屬薄膜進(jìn)行良好的隔離。一、二次電路中都可接入電容器，如圖7中的c1、c2。

圖8中在信號側(cè)接入光電耦合器進(jìn)行隔離，適用于一些傳感器傳輸線路較長，并采用電流信號的場合。需注意的是：所用光電耦合器應(yīng)是傳輸比為1的線性光耦合器；光電耦合器兩側(cè)的電容器對傳輸信號應(yīng)無衰減作用，即為直流信號時電容量可大些，脈沖信號時則應(yīng)根據(jù)脈沖頻率的大小適當(dāng)選擇。

　　4.5 接地

　　實踐證明，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。變頻器本身有專用接地端子pe端，從安全和降低噪聲的需要出發(fā)，必須接地。這里須提醒大家的是：

(1) 不能將地線接在電器設(shè)備的外殼上，也不能接在零線上；

(2) 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，接地線長度在20m以內(nèi)；

(3) 注意選擇合理接地方式。變頻器的接地方式有單點接地、多點接地及混合接地等幾種形式，要根據(jù)具體情況采用，要注意不要因為接地不良而對設(shè)備產(chǎn)生干擾。

●單點接地

單點接地指在一個電路或裝置中，只有一個物理點定義為接地點，在低頻下的性能好；

●多點接地

多點接地是指裝置中的各個接地點都直接接到距它最近的接地點，在高頻下的性能好；

●混合接地

混合接地是根據(jù)信號頻率和接地線長度，系統(tǒng)采用單點接地和多點接地共用的方式。

以上諸種抗干擾措施，可根據(jù)系統(tǒng)的抗干擾要求來合理選擇使用。若系統(tǒng)中含控制單元如微機等，還須在軟件上采取抗干擾措施。

5 結(jié)束語

　　本文通過分析變頻調(diào)速系統(tǒng)中存在的干擾源，提出了通過設(shè)計設(shè)置抗干擾環(huán)節(jié)、注意安裝工藝等實際方法，克服和抑制各種干擾。隨著變頻器抗干擾技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)現(xiàn)場和社會環(huán)境對變頻器的要求不斷提高，變頻器的干擾和抗干擾問題有望通過變頻器本身的功能和補償來解決，“綠色”變頻器一定會面世。