变频器应用中的干扰及其抑制干扰的措施社编辑部2015年征稿信息

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更新时间:2014年8月 来源:变频器应用中的干扰及其抑制干扰的措施社官网 点击:

  引 言

  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技术。由于其采用软启动, 可以减少设备和电机的机械冲击, 延长设备和电机的使用寿命。随着科学技术的高速发展, 变频器以其具有节电、节能、可靠、高效的特性应用到了工业控制的各个领域中, 如变频调速在供水、空调设备、过程控制、电梯、机床等方面的应用, 保证了调节精度,减轻了工人的劳动强度, 提高了经济效益, 但随之也带来了一些干扰问题。现场的供电和用电设备会对变频器产生影响, 变频器运行时产生的高次谐波也会干扰周围设备的运行。变频器产生的干扰主要有三种:对电子设备的干扰、对通信设备的干扰及对无线电等产生的干扰。对计算机和自动控制装置等电子设备产生的干扰主要是感应干扰; 对通信设备和无线电等产生的干扰为放射干扰。如果变频器的干扰问题解决不, 不但系统无法可靠运行, 还会影响其它电子、电气设备的正常工作。因此有必要对变频器应用系统中的干扰问题进行探讨, 以促进其进一步的推广应用。下面主要讨论变频器的干扰及其抑制方法。

  1 变频调速系统的主要电磁干扰源及途径

  1.1 主要电磁干扰源

  电磁干扰也称电磁骚扰(EMI), 是以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的。变频器的整流桥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它电子、电气设备产生谐波干扰。另外, 变频器的逆变器大多采用 PWM技术, 当工作于开关模式并作高速切换时, 产生大量耦合性噪声。因此, 变频器对系统内其它的电子、电气设备来说是一个电磁干扰源。另一方面, 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, 从而对电网中其他设备产生危害的干扰。变频器的供电电源受到来自被污染的交流电网的干扰后, 若不加以处理, 电网噪声就会通过电网电源电路干扰变频器。供电电源对变频器的干扰主要有过压、欠压、瞬时掉电; 浪涌、跌落; 尖峰电压脉冲; 射频干扰。其次, 共模干扰通过变频器的控制信号线也会干扰变频器的正常工作。

  1.2 电磁干扰的途径

  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, 主要分电磁辐射、传导、感应耦合。具体为: 一是对周围的电子、电气设备产生电磁辐射; 二是对直接驱动的电动机产生电磁噪声, 使得电动机铁耗和铜耗增加, 并传导干扰到电源, 通过配电网络传导给系统其他设备; 三是变频器对相邻的其他线路产生感应耦合, 感应出干扰电压或电流。同样, 系统内的干扰信号通过相同的途径干扰变频器的正常工作。
  1) 电磁辐射。变频器如果不是处在一个全封闭的金属外壳内, 它就可以通过空间向外辐射电磁波。其辐射场强取决于干扰源的电流强度、装置等效辐射阻抗以及干扰源的发射频率。变频器的整流桥对电网来说是非线性负载, 它所产生的谐波对接入同一电网的其它电子、电气设备产生谐波干扰。变频器的逆变桥大多采用 PWM技术, 当根据给定频率和幅值指令产生预期的和重复的开关模式时, 其输出的电压和电流的功率谱是离散的, 并且带有与开关频率相应的高次谐波群。高载波频率和场控开关器件的高速切换(dv/dt 可达 1kV/μs 以上) 所引起的辐射干扰问题相当突出。当变频器的金属外壳带有缝隙或孔洞, 则辐射强度与干扰信号的波长有关, 当孔洞的大小与电磁波的波长接近时, 会形成干扰辐射源向四周辐射。而辐射场中的金属物体还可能形成二次辐射。同样, 变频器外部的辐射也会干扰变频器的正常工作。
  2) 传导。上述的电磁干扰除了通过与其相连的导线向外部发射, 也可以通过阻抗耦合或接地回路耦合将干扰带入其它电路。与辐射干扰相比, 其传播的路程可以很远。比较典型的传播途径是: 接自工业低压网络的变频器所产生的干扰信号将沿着配电变压器进入中压网络, 并沿着其它的配电变压器最终又进入民用低压配电网络, 使接自民用配电母线的电气设备成为远程的受害者。
  3) 感应耦合。感应耦合是介于辐射与传导之间的第三条传播途径。当干扰源的频率较低时, 干扰的电磁波辐射能力相当有限, 而该干扰源又不直接与其它导体连接, 但此时的电磁干扰能量可以通过变频器的输入、输出导线与其相邻的其他导线或导体产生感应耦合, 在邻近导线或导体内感应出干扰电流或电压。感应耦合可以由导体间的电容耦合的形式出现,也可以由电感耦合的形式或电容、电感混合的形式出现, 这与干扰源的频率以及与相邻导体的距离等因素有关。
    2 抗电磁干扰的措施
  据电磁性的基本原理, 形成电磁干扰 (EMI) 须具备电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统等三个要素。为防止干扰, 可采用硬件和软件的抗干扰措施。其中, 硬件抗干扰是最基本和最重要的抗干扰措施, 一般从抗和防两方面入手来抑制干扰, 其总原则是抑制和消除干扰源、切断干扰对系统的耦合通道、降低系统对干扰信号的敏感性。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。在实际的工程中, 设备的布置时, 应尽量
  将变频器单独布置, 尽量将变频器产生的电磁干扰排除, 往往由于受房间面积的限制, 不可能有单独布置的位置, 应尽量将容易受干扰的弱电控制设备与变频器分开, 比如将动力配电柜放在变频器与控制设备之间以减少干扰。
  2) 滤波。变频器在运行中产生的高次谐波会对电网产生影响, 使电网波形严重畸变, 可能造成电网压降很大。电网功率因数较低, 大功率的变频器应特别的注意。一般的解决方法主要采用无功率补偿装置,调节功率因数, 同时根据具体情况。在电源进线端和接负载侧同时采取加装电抗滤波器, 应尽量减少对电网的影响。
  3) 屏蔽。应尽量采取把变频器全封闭在金属壳内, 金属外壳可靠的接地, 以减少通过空间对外辐射电磁波, 降低对其他设备的干扰, 特别是对电子线路和设备的干扰。另一方面, 变频器采用了高性能的微处理器等集成电路。对外来的电磁干扰较敏感, 会因电磁干扰的影响产生错误, 对运行造成恶劣影响。外来的干扰通过从变频器控制电缆为媒介的途径侵入, 所以在铺设电缆时必须采取充分的抗干扰措施。通常采取的措施为: 模拟量控制线路必须使用屏蔽线, 屏蔽层。靠近变频器一端应接控制电路的公共端。 ( COM) 而不应接在变频器的接地(E) 或大地, 屏蔽层的另一端悬空。
  4) 接地。变频器的接地端 E 应与大地良好的连接, 当变频器和其他设备或多台变频器一起接地时, 每台设备应单独与地连接, 而不允许将一台设备的接地端和另一台的接地端连接后再接地, 以减少空间的辐射和设备之间的相互干扰, 使设备正常运行。
  3 结束语
  以上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。随着工业现场和社会环境对变频器的要求不断提高, 满足实际需要的真正 “绿色”变频器不久也会面世。
  参考文献
  [1] 范锡普.发电厂电气部分[M].北京: 水利电力出版社, 1987.
  [2] 王维俭.电力系统继电保护基本原理[M]. 北京: 清华大学出版社, 1991.


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