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(gè)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(jī)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(chǎng)供電和其他用電設(shè)備對(duì)變頻器的干擾和變頻器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的高次諧波對(duì)電網(wǎng)和周圍設(shè)備的干擾兩個(gè)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(wú)法可靠運(yùn)行，還會(huì)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(shí)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(duì)變頻器的干擾

(1) 非線性用電設(shè)備對(duì)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(huì)通過電網(wǎng)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，共模干擾通過變頻器的控制信號(hào)線也會(huì)干擾變頻器的正常工作。

(2) 補(bǔ)償電容器的投入和切出對(duì)變頻器的干擾

　　許多用戶都在變電所內(nèi)采用集中電容補(bǔ)償?shù)姆椒▉硖岣?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/功率因數(shù)">功率因數(shù)，在補(bǔ)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(bǔ)償電容投入時(shí)的電壓畸變

2.2 變頻器對(duì)外部的干擾

　　變頻器對(duì)電網(wǎng)來說也是非線性負(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，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(shí)，產(chǎn)生大量耦合性噪聲,對(duì)共網(wǎng)的其他的電子、電氣設(shè)備來說是一個(gè)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(shí)，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(qiáng)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(chǎng)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(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(duì)電網(wǎng)來說是非線性負(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。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。

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(hào)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(hào)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(shí)，變頻器的高次諧波信號(hào)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(hào)主要以電磁感應(yīng)方式傳播，電壓干擾信號(hào)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(xiàng)

　　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(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，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(duì)安裝環(huán)境要求較高。一般變頻器使用手冊(cè)對(duì)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(gè)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(shí)阻抗較低)連接到公共地線上。按國(guó)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(shí)將電源線和控制電纜分開，其它設(shè)備的電源線和信號(hào)線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離變頻器的輸入、輸出線，例如使用獨(dú)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(shí)，確保未屏蔽之處盡可能短，條件允許時(shí)應(yīng)采用電纜套管。

(4) 確?？刂乒裰械慕佑|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(diǎn)特別重要。

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

(6) 如果變頻器運(yùn)行在對(duì)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(yùn)行外，還消耗大量的無(wú)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(duì)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(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，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(hào)。

(2) 輸出濾波器

　　在變頻器的輸出側(cè)和電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的運(yùn)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(duì)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(hào)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(diǎn)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(hào)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(zhǎng)，并采用電流信號(hào)的場(chǎng)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(duì)傳輸信號(hào)應(yīng)無(wú)衰減作用，即為直流信號(hào)時(shí)電容量可大些，脈沖信號(hào)時(shí)則應(yīng)根據(jù)脈沖頻率的大小適當(dāng)選擇。

　　4.5 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(zhǎng)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(diǎn)接地、多點(diǎn)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?yàn)榻拥夭涣级鴮?duì)設(shè)備產(chǎn)生干擾。

●單點(diǎn)接地

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

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

●混合接地

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。

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(jī)等，還須在軟件上采取抗干擾措施。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　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(jì)設(shè)置抗干擾環(huán)節(jié)、注意安裝工藝等實(shí)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(chǎng)和社會(huì)環(huán)境對(duì)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(bǔ)償來解決，“綠色”變頻器一定會(huì)面世。