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变频器应用中的干扰与抗干扰措施

关于本文的内容介绍
   1 引言
  变频器在工业生产及日常生活的许多领域已广泛应用。变频器调速技术是集自动控制、微电子、电力电子、通信等技术于一体的高科技,它以较好的调速和节能性能应用到了工业控制的各个领域中, 但带来的变频系统的电磁干扰也比较严重。变频器系统的干扰主要有两个方面:一是变频器对其他电子设备、通信设备和无线电等产生的干扰。二是电网中的谐波干扰变频器的正常工作。下面主要探讨一下变频器系统干扰问题及抗干扰措施。
  2 电磁辐射和高次谐波干扰的危害
  1) 磁辐射使经过变频器输出导线附近的控制信号、检测信号等弱电信号受干扰, 严重时使系统无法得到正确的检测信号, 或是系统紊乱。
  2) 谐波使电网中的电器元件产生了附加的谐波损耗,降低了输变电及用电设备的效率。
  3) 谐波可以通过电网传导到其他的用电器, 影响了许多电气设备的正常运行。
  4) 谐波会引起电网中局部的串联或并联谐振, 从而使谐波放大。
  5) 谐波或电磁辐射干扰会导致继电器保护设置的误动作, 使电器仪表计量不准确, 甚至无法正常工作。
  3 变频器的主要干扰源
  电磁干扰 ( EM)I , 是外部噪声和无用信号在接收中所造成的电磁干扰, 通常是通过电路传导和以场的形式传播。变频器的整流电路对电网来说是非线性负载, 它所产生的谐波会对同一电网的其他电子、电气设备产生谐波干扰。另外, 变频器的逆变大多采用PWM 技术, 其工作于开关模式并作高速切换, 产生大量耦合性噪声。变频器对系统内其他的电子、电气设备来说是一个电磁干扰源。
  1) 变频器的输入和输出电流中, 都含有很多高次谐波成分和能构成电源无功损耗的较低次谐波。它们将以各种方式把自己的能量传播出去, 形成对变频器本身和其它设备的干扰信号。
  2) 电网中的谐波干扰主要通过变频器的供电电源干扰变频器。电网中存在大量谐波源, 如各种整流设备、交直流互换设备、电子电压调整设备、非线性负载及照明设备等。这些负荷都使电网中的电压、电流产生波形畸变, 从而对电网中其它设备产生干扰。供电电源对变频器的干扰主要有: 过压、欠压、瞬时掉电, 浪涌,尖峰电压脉冲, 射频干扰等。
  3) 晶闸管换流设备对变频器的干扰。当供电网络内有容量较大的晶闸管换流设备时, 由于晶闸管总是在每相半周期内的部分时间内导通, 容易使网络电压出现凹口, 波形严重失真。它使变频器输入测的整流电路有可能因出现较大的反向电压而受到损害, 从而导致输入回路击穿而烧毁。
  4) 电力补偿电容对变频器的干扰。在补偿电容投入或切除的暂态过程中, 供电网络电压有可能出现很高的峰值, 其结果是可能使变频器的整流设备因承受过高的反向电压而被击穿。
  4 电磁干扰传播途径
  变频器能产生功率较大的谐波, 对系统其他设备干扰性较强。其干扰途径与一般电磁干扰途径是一致的, 主要为空间辐射干扰即电磁辐射干扰、耦合干扰、电源干扰。具体为: 电气、电子设备的高密度使用,使空间电磁波被污染的状况越来越严重, 这些干扰源产生的辐射波频率范围广且无规律, 可能引起电源过压、欠压、浪涌、下陷及产生尖峰干扰, 这些电压噪声均会通过电源内阻耦合到变频器的电路, 给系统造成极大的危害。
  5 抑制电磁干扰的技术措施
  抑制干扰的具体措施在工程上可采用隔离、滤波、屏蔽、接地等方法。
  1) 隔离 所谓干扰的隔离, 就是变频系统的供电电源与其它设备的供电电源相互独立, 或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器, 切断谐波电流的传输途径, 使它们不存在电的联系。通常是在电源和放大器电路之间的电源线上加装隔离变压器以免传导干扰, 电源隔离变压器可采用噪声隔离变压器。为避免传导干扰, 应尽量减少变频器与控制系统不必要的连线。
  2) 滤波 给变频器输入侧加装 EMI滤波器, 可以有效抑制变频器对电网的传导干扰。加装输入交流和直流电抗器, 可以提高功率因数,减少输入谐波。为减少电磁噪声和损耗, 可在变频器输出侧设置输出滤波器。若线路中有敏感电子设备, 可在电源线上设置电源噪声滤波器以避免传导干扰。
  3) 屏蔽 屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽, 不让其电磁干扰泄漏。在电动机和变频器之间的电缆应穿钢管覆设或使用铠装电缆。为使屏蔽有效, 屏蔽罩必须可靠接地, 这样能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰。
  4) 接地 正确的接地既可以使系统有效地抑制外来干扰, 又能降低设备本身对外界的干扰, 提高系统的抗干扰能力。在实际应用系统中,有时由于系统电源零线、地线不分, 控制系统屏蔽地的混乱连接, 大大降低了系统的稳定性和可靠性。对于变频器, 主回路端子 PE ( E、G)的正确接地是提高变频器抑制噪声能力和减小变频器干扰的重要手段,因此在应用中一定要非常重视。变频器接地导线的截面积一般应不小2.5mm, 长度控制在20m 以内。建议将变频器的接地点与其他动力设备的接地点分开。
  6 解决干扰实例
  1) 一台数控机床, 主轴电动机用变频器控制, 手脉数字常变化。解决方法: 可以断定是变频器电磁干扰。将手脉引线更换为屏蔽电缆, 并将屏蔽线接地, 远离变频器, 故障消除。
  2) 一台变频器改造后的注塑机, 采用热电偶检测加热单元的温度,温度显示和控制不准确, 注塑机不能正常运行。分析原因, 热电偶检测元件容易受到谐波干扰, 可能是热电偶被谐波干扰所致。解决方法: 缩短变频器与注塑机电动机之间的连线, 动力线用金属软管套装, 并远离温度检测线; 在变频器近端主回路线缆加装电抗器或磁环; 重新紧固变频器接地; 给注塑机内部温控电偶供电电源加阻容滤波电路。
  7 小结
  干扰的分布参数是很复杂的, 因此在抗干扰时, 应当采取适当的措施, 既要考虑效果, 又要考虑价格因素, 还要视现场情况而定, 通过对变频器运行过程中存在的干扰问题的分析, 提出了解决这些问题的实际方法, 随着新技术和新理论不断在变频器上的应用, 变频器应用中目前存在的这些问题有望通过变频器本身的功能和补偿来解决。
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