變頻器應(yīng)用中的干擾問(wèn)題及PowerFlex 系列變頻器的對(duì)策
發(fā)布時(shí)間：2019-07-25 09:42:38來(lái)源：
變頻器應(yīng)用中的干擾問(wèn)題及PowerFlex 系列變頻器的對(duì)策
隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電力電子裝置的廣泛使用，系統(tǒng)的電磁干擾日益嚴(yán)重，相應(yīng)的抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)(即電磁兼容EMC)已經(jīng)變得越來(lái)越重要。變頻器系統(tǒng)的干擾有時(shí)能直接造成系統(tǒng)的硬件損壞，有時(shí)雖不能損壞系統(tǒng)的硬件，但會(huì)造成微處理器的系統(tǒng)程序運(yùn)行失控，導(dǎo)致控制失靈，從而造成設(shè)備和生產(chǎn)事故。因此，如何提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性是自動(dòng)化裝置研制和應(yīng)用中不可忽視的重要內(nèi)容。本文將就變頻器應(yīng)用中的干擾問(wèn)題及PowerFlex 7(目前包含PowerFlex 70、PowerFlex 700)系列變頻器的對(duì)策談?wù)勎覀兊囊?jiàn)解，希望能給PowerFlex 7系列變頻器用戶提供一定的幫助。
一、 變頻器干擾的來(lái)源首先是來(lái)自外部電網(wǎng)
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)中其它設(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。
供電電源的干擾對(duì)變頻器的影響類型有：
(1)過(guò)壓、欠壓、瞬時(shí)掉電
(2)浪涌、跌落
(3)尖峰電壓脈沖
(4)射頻干擾。
舉例1：晶閘管換流類設(shè)備對(duì)變頻器的干擾
當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有容量較大的晶閘管換流設(shè)備時(shí)，由于晶閘管總是在每相半周期內(nèi)的部分時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，容易使網(wǎng)絡(luò)電壓出現(xiàn)凹口，波形嚴(yán)重失真。它使變頻器輸入側(cè)的整流電路有可能因出現(xiàn)較大的反向回復(fù)電壓而受到損害，從而導(dǎo)致輸入回路擊穿而燒毀。
舉例2：電力補(bǔ)償電容對(duì)變頻器的干擾
電力部門對(duì)用電單位的功率因數(shù)有一定的要求，為此，許多用戶都在變電所采用集中電容補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)提高功率因數(shù)。在補(bǔ)償電容投入或切出的暫態(tài)過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)電壓有可能出現(xiàn)很高的峰值，其結(jié)果是可能使變頻器的整流二極管因承受過(guò)高的反向電壓而擊穿。(歡迎來(lái)電咨詢 鄭州變頻器 網(wǎng)址：www.cntjjp.com.cn 手機(jī)：15515598858 )
二、 其次是變頻器自身對(duì)外部的干擾
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)同一電網(wǎng)的其它電子、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)工作于開(kāi)關(guān)模式且作高速切換時(shí)，產(chǎn)生大量耦合性噪聲。因此變頻器對(duì)系統(tǒng)內(nèi)其它的電子、電氣設(shè)備來(lái)說(shuō)是一個(gè)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(gòu)成電源無(wú)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(duì)變頻器本身和其它設(shè)備的干擾信號(hào)。
干擾信號(hào)的傳播方式變頻器能產(chǎn)生功率較大的諧波，由于功率較大，對(duì)系統(tǒng)其它設(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，主要分傳導(dǎo)(即電路耦合)、電磁輻射、感應(yīng)耦合。具體為:首先對(duì)周圍的電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射;其次對(duì)直接驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電磁噪聲，使得電機(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)其它設(shè)備;比較后變頻器對(duì)相鄰的其它線路產(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）電路耦合方式 即通過(guò)電源網(wǎng)絡(luò)傳播。由于輸入電流為非正弦波，當(dāng)變頻器的容量較大時(shí)，將使網(wǎng)絡(luò)電壓產(chǎn)生畸變，影響其他設(shè)備工工作，同時(shí)輸出端產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾使直接驅(qū)動(dòng)的電機(jī)銅損、鐵損大幅增加，影響了電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性。顯然，這是變頻器輸入電流干擾信號(hào)的主要傳播方式。
（2）感應(yīng)耦合方式 當(dāng)變頻器的輸入電路或輸出電路與其他設(shè)備的電路挨得很近時(shí)，變頻器的高次諧波信號(hào)將通過(guò)感應(yīng)的方式耦合到其他設(shè)備中去。感應(yīng)的方式又有兩種：a、電磁感應(yīng)方式，這是電流干擾信號(hào)的主要方式；b、靜電感應(yīng)方式，這是電壓干擾信號(hào)的主要方式。
（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。
三、抗干擾基本原理
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(duì)電磁干擾敏感的系統(tǒng)。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(yīng)用措施系統(tǒng)比較基本和比較重要的抗干擾措施，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)的藕合通道、降低系統(tǒng)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。
1、隔離，是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開(kāi)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(dǎo)干擾，電源隔離變壓器可應(yīng)用噪聲隔離變壓器。
2、 在系統(tǒng)線路中設(shè)置濾波器 根據(jù)使用位置的不同，可分為:(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(gòu)成。它通過(guò)增大線路在高頻下的阻抗來(lái)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(gòu)成。它將吸收掉頻率很高的、具有輻射能量的諧波成分。（2） 輸出濾波器 也由電感線圈構(gòu)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(dòng)機(jī)中由高次諧波諧波電流引起的附加轉(zhuǎn)矩。
3、 屏蔽干擾源是抑制干擾的比較有效的方法。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽，不讓其電磁干擾泄漏;輸出線比較好用鋼管屏蔽，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，并與主電路線(AC380V)及控制線(AC220V)完全分離，決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。
4、 正確的接地既可以使系統(tǒng)有效地抑制外來(lái)干擾，又能降低設(shè)備本身對(duì)外界的干擾。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)電源零線(中線)、地線(保護(hù)接地、系統(tǒng)接地)不分、控制系統(tǒng)屏蔽地(控制信號(hào)屏蔽地和主電路導(dǎo)線屏蔽地)的混亂連接，大大降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。對(duì)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(shí)際應(yīng)用中一定要非常重視。變頻器接地導(dǎo)線的截面積一般應(yīng)不小于2.5mm2，長(zhǎng)度控制在20m以內(nèi)。建議變頻器的接地與其它動(dòng)力設(shè)備接地點(diǎn)分開(kāi)，不能共地。
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(shè)備的正常運(yùn)行之外，還因?yàn)樗鼈兿牧舜罅康臒o(wú)功功率，使線路的功率因數(shù)大為下降。在輸入電路內(nèi)串入電抗器是抑制較低諧波電流的有效方法。根據(jù)接線位置的不同，主要有以下兩種：（1）交流電抗器 串聯(lián)在電源與變頻器的輸入側(cè)之間。其主要功能有：a、 通過(guò)抑制諧波電流，將功率因數(shù)提高至（0.75-0.85）；b、 削弱輸入電路中的浪涌電流對(duì)變頻器的沖擊；c、 削弱電源電壓不平衡的影響。削弱。具體方法有：（1） 設(shè)備的電源線和信號(hào)線應(yīng)量遠(yuǎn)離變頻器的輸入、輸出線；（2） 其他設(shè)備的電源線和信號(hào)線應(yīng)避免和變頻器的輸入、輸出線平行；
四、PowerFlex 7系列變頻器的對(duì)策
由上述介紹可以看出，線路干擾的原因復(fù)雜，解決問(wèn)題的路徑也不一樣。部分問(wèn)題的解決依靠電氣布線、回路配置等通用手段，另一隨著變頻器的發(fā)展，其本身抗干擾的能力已經(jīng)得到加強(qiáng)。作為國(guó)際知名品牌AB旗下的PowerFlex 7 系列變頻器在這方面技術(shù)更為領(lǐng)先。當(dāng)然，其具體表現(xiàn)是體現(xiàn)在相關(guān)器件的配置上。
1、內(nèi)置直流母線電抗器
作用：抑制諧波，當(dāng)變壓器到變頻器電纜距離較短時(shí)，線路電抗較低時(shí)，需要加輸入電抗器以提高阻抗。特點(diǎn)：體積小，內(nèi)置與變頻器，無(wú)需額外安裝空間。自身?yè)p耗小。
2、可內(nèi)置輸入EMC濾波器
EMC即是“電磁兼容性”。它是指電氣設(shè)備在電磁環(huán)境中良好的工作能力，并且不能產(chǎn)生在此環(huán)境中工作的其它設(shè)備所不能接受的電磁干擾。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）對(duì)電磁兼容性的定義是：“電磁兼容性是電子設(shè)備的一種功能，電子設(shè)備在電磁環(huán)境中能完成其功能而不產(chǎn)生不能容忍的干擾?！?我國(guó)頒布的“電磁兼容性”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)電磁兼容性作出如下定義：“設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾”。
電磁兼容性含有雙重含義：抗干擾性和干擾性。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。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(duì)其他設(shè)備的干擾信號(hào)。濾波器就是用于削弱頻率較高的諧波分量的主要手段。
3、內(nèi)置輸出共模抑制濾波器
抑制輸出側(cè)對(duì)外界的電磁干擾、降低電機(jī)的噪音、降低電機(jī)的軸承電流。因?yàn)閮?nèi)置輸出共模抑制濾波器，變頻器到電機(jī)的電纜距離可以延長(zhǎng)，比較大可到200M左右。筆者在項(xiàng)目應(yīng)用中充分運(yùn)用該項(xiàng)功能，效果良好。
4、可選輸入/輸出電抗器
作用：抑制諧波，交流母線上有功率因數(shù)補(bǔ)償裝置時(shí)，保護(hù)變頻器輸入整流橋；交流母線三相不平衡時(shí)，保護(hù)變頻器輸入整流橋； (歡迎來(lái)電咨詢 鄭州變頻器 網(wǎng)址：www.cntjjp.com.cn 手機(jī)：15515598858 )