變頻器應用中抗干擾問(wèn)題的探討

1 引言

　　隨著(zhù)電力電子及其控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器及其變頻調速已經(jīng)被廣泛應用到工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，如變頻調速在供水、空調設備、過(guò)程控制、電梯、機床等方面的應用，變頻器的廣泛應用也帶來(lái)了不能忽視的干擾問(wèn)題。這種干擾表現在現場(chǎng)供電和其他用電設備對變頻器的干擾和變頻器運行時(shí)產(chǎn)生的高次諧波對電網(wǎng)和周?chē)O備的干擾兩個(gè)方面。如果變頻器的干擾問(wèn)題解決不好，不僅變頻器系統無(wú)法可靠運行，還會(huì )影響其周邊其他電子、電氣設備的正常工作。因此，變頻器應用系統中的干擾問(wèn)題倍受理論界和工程應用界的廣泛重視。下面結合自己的工作實(shí)踐，主要討論變頻器及其調速系統的干擾及其抑制方法。

2 變頻器系統的主要干擾

2.1 外部對變頻器的干擾

(1) 非線(xiàn)性用電設備對變頻器的干擾

　　由于各種整流設備、交直流互換設備、電子電壓調整設備、照明設備等非線(xiàn)性負載的應用，這些負載成為電網(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(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)電源電路干擾變頻器。供電電源對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)變頻器的控制信號線(xiàn)也會(huì )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(hù)都在變電所內采用集中電容補償的方法來(lái)提高功率因數，在補償電容器投入和切出的暫態(tài)過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò )電壓有可能出現很高的峰值，如圖2所示，其結果是可能使變頻器的整流管因承受過(guò)高的反電壓而擊穿。

圖2 補償電容投入時(shí)的電壓畸變

2.2 變頻器對外部的干擾

　　變頻器對電網(wǎng)來(lái)說(shuō)也是非線(xiàn)性負載，它所產(chǎn)生的諧波會(huì )對同一電網(wǎng)的其他電子、電氣設備產(chǎn)生諧波干擾。另外，逆變器采用spwm技術(shù)，當其工作于開(kāi)關(guān)模式并作高速切換時(shí)，產(chǎn)生大量耦合性噪聲,對共網(wǎng)的其他的電子、電氣設備來(lái)說(shuō)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是整流和濾波電路，只有在電源的線(xiàn)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在電源電壓的振幅值附近，呈不連續的沖擊波形式，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，并且帶有與開(kāi)關(guān)頻率相應的高次諧波群，如圖4a)所示。其高載波頻率和場(chǎng)控開(kāi)關(guān)器件的高速切換(dv/dt可達1kv/μs以上)所引起的輻射干擾相當突出。

3 電磁干擾的傳播途徑

　　變頻器能產(chǎn)生功率較大的諧波，對系統其他設備干擾性較強。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、感應耦合等[1]，現分析如下。

3.1 電磁輻射

　　變頻器對電網(wǎng)來(lái)說(shuō)是非線(xiàn)性負載，它所產(chǎn)生的諧波對接入同一電網(wǎng)的其它電子、電氣設備產(chǎn)生諧波干擾。當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(cháng)有關(guān)，當孔洞的大小與電磁波的波長(cháng)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(guò)與其相連的導線(xiàn)向外部發(fā)射，還可以通過(guò)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(zhù)配電變壓器進(jìn)入中壓網(wǎng)絡(luò )，并沿著(zhù)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(xiàn)的電氣設備成為遠程的受害者。

3.3 感應耦合

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

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、切斷干擾對系統的耦合通道、降低系統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(xiàn)

　　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備接地良好，應該使用短、粗的接地線(xiàn)(最好采用扁平導體或金屬網(wǎng)，因其在高頻時(shí)阻抗較低)連接到公共地線(xiàn)上。按國家標準規定，其接地電阻應小于4歐姆。另外與變頻器相連的控制設備(如plc或pid控制儀)要與其共地。

(2) 安裝布線(xiàn)時(shí)將電源線(xiàn)和控制電纜分開(kāi)，其它設備的電源線(xiàn)和信號線(xiàn)應盡量遠離變頻器的輸入、輸出線(xiàn)，例如使用獨立的線(xiàn)槽等。如果控制電路連接線(xiàn)必須和電源電纜交叉，應成90°交叉布線(xiàn)。

(3) 使用屏蔽導線(xiàn)或雙絞線(xiàn)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(guò)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(xiàn)和信號線(xiàn)都應盡量屏蔽，用屏蔽和鎧裝電纜作為電機接線(xiàn)時(shí)，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(lái)自變頻器的傳導和輻射干擾。為達到最優(yōu)效果，濾波器與安裝金屬板之間應有良好的導電性。

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備的正常運行外，還消耗大量的無(wú)功功率，使線(xiàn)路的功率因數降低。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。根據接線(xiàn)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之間，如圖5中la所示，其作用是抑制諧波電流、　提高功率因數、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。

　　4.3 加入濾波器

　　如圖6所示，為減少電磁噪聲和損耗，在變頻器輸出側可設置輸出濾波器；為減少對電源的干擾，可在變頻器輸入側設置輸入濾波器。若線(xiàn)路中有敏感電子設備，可在電源線(xiàn)上設置電源噪聲濾波器，抗傳導干擾。

圖6 濾波器接法

(1)輸入濾波器

　　根據結構和作用不同，可分為線(xiàn)路濾波器和輻射濾波器。

　　線(xiàn)路濾波器主要由電感線(xiàn)圈構成，如圖6中f11，通過(guò)增大線(xiàn)路在高頻下的阻抗來(lái)削弱　　通過(guò)線(xiàn)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成，如圖6中f12所示，通過(guò)吸收的方法來(lái)削弱通過(guò)輻射傳播的干擾信號。

(2) 輸出濾波器

　　在變頻器的輸出側和電動(dòng)機之間串入由電感構成的輸出濾波器，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矩，改善了電動(dòng)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

　　變頻器輸入側的諧波電流常常從電流側進(jìn)入各種儀器，成為許多儀器的干擾源。針對此情況，應在受干擾儀器的電源側采取有效的隔離。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(diǎn)是一、二次繞組的匝數相等，但一、二次側之間應由金屬薄膜進(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中在信號側接入光電耦合器進(jìn)行隔離，適用于一些傳感器傳輸線(xiàn)路較長(cháng)，并采用電流信號的場(chǎng)合。需注意的是：所用光電耦合器應是傳輸比為1的線(xiàn)性光耦合器；光電耦合器兩側的電容器對傳輸信號應無(wú)衰減作用，即為直流信號時(shí)電容量可大些，脈沖信號時(shí)則應根據脈沖頻率的大小適當選擇。

　　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部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統的抗干擾能力。變頻器本身有專(zhuān)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(xiàn)接在電器設備的外殼上，也不能接在零線(xiàn)上；

(2) 可用較粗的短線(xiàn)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(xiàn)長(cháng)度在20m以?xún)龋?/P>

(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，要根據具體情況采用，要注意不要因為接地不良而對設備產(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

混合接地是根據信號頻率和接地線(xiàn)長(cháng)度，系統采用單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地共用的方式。

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

5 結束語(yǔ)

　　本文通過(guò)分析變頻調速系統中存在的干擾源，提出了通過(guò)設計設置抗干擾環(huán)節、注意安裝工藝等實(shí)際方法，克服和抑制各種干擾。隨著(zhù)變頻器抗干擾技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)現場(chǎng)和社會(huì )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(wèn)題有望通過(guò)變頻器本身的功能和補償來(lái)解決，“綠色”變頻器一定會(huì )面世。