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      技術支持

      變頻器在電氣控制柜中干擾問題要如何解決?


      在各種工業控制系統中,隨著變頻器等電力電子設備的廣泛使用,系統的電磁干擾越來越嚴重,相應的抗干擾設計技術變得越來越重要。有時變頻器的系統干擾會直接損壞系統的硬件。有時,雖然系統的硬件不能損壞,但微處理器的系統程序往往失控,導致控制故障,導致設備和生產事故。因此,如何提高系統的抗干擾能力和可靠性是自動化設備開發和應用中不可忽視的重要組成部分,也是計算機控制技術應用和推廣的關鍵之一。說到變頻器的抗干擾問題,首先了解干擾的來源和傳播方式,然后采取不同的措施。



      一、變頻器干擾源

      首先是來自外部電網的干擾。電網中的諧波干擾主要是變頻器的電源干擾造成的。電網中存在大量的諧波源,如各種整流裝置、交流/DC交換裝置、電子調壓裝置、非線性負載和照明裝置等。所有這些負載都會造成電網中電壓和電流的波形失真,從而對電網中的其他設備造成有害干擾。如果變頻器的電源受到被污染的交流電網的干擾,電網噪聲就會受到電網變頻器的電源電路的干擾。電源干擾對變頻器主要包括(1)過壓、欠壓、瞬時斷電(2)浪涌和驟降(3)峰值電壓脈沖(4)射頻干擾。


      1.晶閘管變流設備對變頻器的干擾

      當供電網絡中有大容量的晶閘管變流器時,由于晶閘管總是在每相半周的部分時間內導通,很容易使網絡電壓陷波,波形嚴重畸變??赡軙驗榉聪蚧謴碗妷捍蠖鴵p壞變頻器輸入側的整流電路,導致輸入電路擊穿燒壞。

      2.功率補償電容對變頻器的干擾

      電力部門對用電設備的功率因數有一定的要求。因此,許多用戶在變電站采用集中電容補償來提高功率因數。在開通或關斷補償電容的瞬態過程中,電網電壓可能出現高峰值,因此變頻器的整流二極管可能因反向電壓過大而擊穿。

      其次,變頻器對外界的自我干擾。變頻器的整流橋對于電網來說是非線性負載,其產生的諧波會對同一電網中的其他電子電氣設備造成諧波干擾。另外,變頻器的逆變器大多采用PWM技術,工作在開關模式和高速開關時會產生大量的耦合噪聲。因此變頻器是系統中其他電子電氣設備的電磁干擾源。

      變頻器的輸入和輸出電流包含許多高次諧波成分。除了可以構成電源無功損耗的較低次諧波外,還有很多高頻率的諧波成分。它們會以各種方式傳播自己的能量,對變頻器自身和其他設備形成干擾信號。

      (1)輸入電流變頻器的波形的輸入端是一個二極管整流器和電容濾波電路。顯然,只有當電源的線電壓UL大于電容器兩端的DC電壓UD時,整流橋中才會有充電電流。因此,充電電流總是以不連續沖擊波的形式出現在電源電壓的幅度附近。它有很強的諧波成分。相關數據顯示,輸入電流的5次和7次諧波分量最大,分別為50HZ基波的80%和70%。

      (2)輸出電壓和電流的波形對于大多數變頻器逆變橋都是SPWM調制,輸出電壓是一系列占空比分布為正弦的矩形波形;由于電機定子繞組的電感性,定子電流非常接近正弦波。但是等于載波頻率的諧波分量仍然很大。


      二、干擾信號的傳播方式

      變頻器會產生大功率諧波。由于其功率較大,對系統中的其他設備有較強的干擾,其干擾方式與一般電磁干擾相同,主要有傳導(即電路耦合)、電磁輻射和電感耦合。具體來說,首先是對周圍的電子電氣設備產生電磁輻射;其次,對直驅電機產生電磁噪聲,增加了電機的鐵損和銅損;并通過配電網對系統的電源和其他設備進行干擾;最后,變頻器感應耦合到其他相鄰線路,感應干擾電壓或電流。同樣,系統中的干擾信號也通過同樣的方式干擾變頻器的正常工作。

      (1)電路耦合模式通過電力網絡傳播。由于輸入電流為非正弦波,當變頻器容量較大時,網絡電壓會發生畸變,影響其他設備工作人員的工作。同時,輸出端產生的傳導干擾會大大增加直驅電機的銅損和鐵損,影響電機的運行特性。顯然,這是變頻器輸入電流干擾信號的主要傳播方式。

      (2)電感耦合方式當變頻器的輸入電路或輸出電路靠近其他器件的電路時,變頻器的高次諧波信號會以電感方式耦合到其他器件。歸納有兩種方式:

      a、電磁感應,這是電流干擾信號的主要方式;

      靜電感應,這是電壓干擾信號的主要方式。

      (3)空氣輻射是指通過電磁波輻射到空氣中,是高頻諧波分量的主要傳播方式。


      三.變頻調速系統的抗干擾對策

      根據電磁學的基本原理,電磁干擾(EMI)的形成必須具備三個要素:電磁干擾源、電磁干擾通道和對電磁干擾敏感的系統。為了防止干擾,可以采用硬件抗干擾和軟件抗干擾。其中,硬件抗干擾是應用措施系統最基本、最重要的抗干擾措施。一般從抗干擾和反干擾兩方面抑制干擾??偟脑瓌t是抑制和消除干擾源,切斷干擾對系統的耦合通道,降低系統干擾信號的靈敏度。工程上可以采取隔離、濾波、屏蔽、接地等具體措施。

      1、所謂干擾隔離,是指將干擾源和易損部件從電路中隔離出來,使它們不發生電氣接觸。在變頻調速系統中,電源與放大電路之間的電力線上通常采用隔離變壓器,以避免傳導干擾,電源隔離變壓器可采用噪聲隔離變壓器。

      2.在系統電路中設置濾波器的目的是為了抑制變頻器通過電力線對供電從電機的干擾信號。為了降低電磁噪聲和損耗,可以在變頻器的輸出端設置一個輸出濾波器。為了降低對電源的干擾,可以在變頻器的輸入端設置一個輸入濾波器。如果線路中有敏感的電子設備,可以在電源線上設置電源噪聲濾波器,以避免傳導干擾。在變頻器的輸入輸出電路中,除了上面提到的低次諧波成分外,還有很多高頻率的諧波電流,它們會以各種方式傳播自身的能量,對其他器件形成干擾信號。濾波器是削弱較高頻率諧波成分的主要手段。根據使用位置的不同,可分為:

      (1)通常有兩種輸入濾波器:

      a、線路濾波器主要由電感線圈組成。它通過增加高頻時線路的阻抗來削弱較高頻率的諧波電流。

      b、輻射濾波器主要由高頻電容組成。它會吸收高頻和輻射能的諧波成分。

      (2)輸出濾波器也由電感線圈組成。能有效削弱輸出電流中的高次諧波成分。它不僅起到抗干擾的作用,還能削弱電機中高次諧波電流引起的附加轉矩。對于變頻器輸出的抗干擾措施,必須注意以下幾個方面:

      a、不允許在變頻器的輸出端接電容,以免逆變管導通(關斷)瞬間出現峰值較大的充電(或放電)電流,損壞逆變管;

      b.當輸出濾波器由LC電路組成時,濾波器連接到電容器的一側必須連接到電機側。

      3.屏蔽干擾源是抑制干擾最有效的方法。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽,防止電磁干擾泄漏;輸出線要用鋼管屏蔽,特別是用外部信號變頻器控制時,信號線盡量短(一般在20m以內),信號線要用雙芯屏蔽,與主電路線(AC380V)和控制線(AC220V)完全分開,不得放在同一配管或線槽內,周圍的電子敏感設備線也要屏蔽。為了使屏蔽有效,屏蔽必須可靠地接地。

      4.適當的接地不僅可以使系統有效抑制外界干擾,還可以減少設備本身對外界的干擾。在實際應用系統中,由于系統電源的零線(中性線)、地線(保護接地和系統接地)和控制系統的屏蔽地(控制信號的屏蔽地和主電路導體的屏蔽地)的混亂連接,大大降低了系統的穩定性和可靠性。

      對于變頻器,主電路端子PE(E,G)的正確接地是提高變頻器噪聲抑制能力,降低變頻器干擾的重要手段,在實際應用中必須高度重視。變頻器接地導體的截面積一般不應小于2.5mm2,長度應控制在20m以內。建議變頻器的接地與其他電源設備的接地點分開,不能一起接地。

      5.使用反應器

      低頻諧波分量(5次諧波、7次諧波、11次諧波、13次諧波等。)在變頻器的輸入電流中占比很高。它們不僅可能干擾其他設備的正常運行,而且由于消耗大量的無功功率,會大大降低線路的功率因數。在輸入回路中串lian電抗器是抑制低次諧波電流的有效方法。根據接線位置的不同,主要有以下兩種:

      (1)交流電抗器串lian在電源和變頻器的輸入側之間。其主要職能是:

      a.通過抑制諧波電流將功率因數提高到(0.75-0.85);

      b、削弱輸入電路中浪涌電流對變頻器的影響;

      c、削弱電源電壓不平衡的影響。

      (2)DC電抗器串鏈在整流橋和濾波電容器之間。它的作用比較簡單,就是削弱輸入電流中的高次諧波成分。但在提高功率因數方面比交流電抗器更有效,可達0.95,且具有結構簡單、體積小的優點。

      6.合理布線

      通過感應傳播的干擾信號可以通過合理布線來減弱。具體方法如下:

      (1)設備的電源和信號線應遠離變頻器的輸入輸出線;

      (2)其他設備的電源線和信號線應避免與變頻器的輸入輸出線平行;





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