基于变频器系统的干扰问题分析与探索

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     在各种工业控制系统中，随着变频器等电力电子装置的广泛使用，系统的电磁干扰日益严重，相应的抗干扰设计技术已经变得越来越重要。因此，如何提高系统的抗干扰能力和可靠性是自动化装置研制和应用中不可忽视的重要内容，也是计算机控制技术应用和推广的关键之一。谈到变频器的抗干扰问题，首先要了解干扰的来源、传播方式，然后再针对这些干扰采取不同的措施。
      一、变频器的干扰的原因分析
      采用变频器驱动的电动机系统因其节能效果明显、调节方便、维护简单、网络化等优点而被越来越多的应用。但是，由于变频器特殊的工作方式带来的干扰越来越不容忽视。金机通提示，变频器干扰主要有：一是变频器中普遍使用了晶闸管或者整流二极管等非线性整流器件，其产生的谐波对电网将产生传导干扰，引起电网电压畸变，影响电网的供电质量；二是变频器的输出部分一般采用的是IGBT 等开关器件，在输出能量的同时将在输出线上产生较强的电磁辐射干扰，影响周边电器的正常工作。
      二、谐波和电磁辐射对电网及其它系统的危害分析
      1、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。
      2、谐波可以通过电网传导到其它的用电器，影响了许多电气设备的正常运行，比如谐波会使变压器产生机械振动，使其局部过热，绝缘老化，寿命缩短，以至于损坏；还有传导来的谐波会干扰电器设备内部软件或硬件的正常运转。
      3、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。
      4、谐波或电磁辐射干扰会导致继电器保护装置的误动作，使电气仪表计量不准确，甚至无法正常工作。
      5、电磁辐射干扰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到干扰，严重时使系统无法得到正确的检测信号，或使控制系统紊乱。金机通提示，一般来讲，变频器对电网容量大的系统影响不十分明显，这也就是谐波不被大多数用户重视的原因。但对系统容量小的系统，谐波产生的干扰就不能忽视。
      三、减少变频器谐波对其它设备影响的对策分析
      1、增加交流 / 直流电抗器。采用交流 / 直流电抗器后，进线电流的 THDv 大约降低 30%~50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右。
      2、多相脉冲整流。在条件具备，或者要求产生的谐波限制在比较小的情况下，可以采用多相整流的方法。12 相脉冲整流 THDv 大约为 10%~15%，18 相脉冲整流的 THDv 约为 3%~8%。缺点是需要专用变压器和整流器，不利于设备改造，价格较高。
      3、无源滤波器。采用无源滤波器后，满载时进线中的 THDv 可降至 5%~10%，技术成熟，价格适中。适用于所有负载下的THDv<30% 的情况。缺点是轻载时功率因数会降低。
      4、输出电抗器。也可以采用在变频器到电动机之间增加交流电抗器的方法，主要目的是减少变频器的输出在能量传输过程中，线路产生的电磁辐射。该电抗器必须安装在距离变频器最近的地方，尽量缩短与变频器的引线距离。金机提示，如果使用铠装电缆作为变频器与电动机的连线时，可不使用这方法，但要做到电缆的铠在变频器和电动机端可靠接地，而且接地的铠要原样不动接地，不能扭成绳或辨，不能用其它导线延长，变频器侧要接在变频器的地线端子上，再将变频器接地。
      四、减少或削弱变频器谐波及电磁问题分析
      辐射对设备干扰的方法上面介绍的方法是减少变频器工作时对外设备的影响，但并不是消除了变频器的对外干扰，如果想进一步提高其它设备对变频器谐波和电磁辐射的免疫能力，尤其是在变频器干扰较严重的场合中常用的方法通常有以下几种：
      1、使用隔离变压器
      使用隔离变压器主要是应对来自于电源的传导干扰。使用具有隔离层的隔离变压器，可以将绝大部分的传导干扰阻隔在隔离变压器之前。同时还可以兼有电源电压变换的作用。隔离变压器常用于控制系统中的仪表、PLC，以及其它低压小功率用电设备的抗传导干扰。
      2、使用滤波模块或组件
      目前市场中有很多专门用于抗传导干扰的滤波器模块或组件，这些滤波器具有较强的抗干扰能力，同时还具有防止用电器本身的干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能，对各类用电设备有很多好处。还有单孔磁芯的滤波器，其滤波能力较双孔的弱些，但成本较低。
      3、选用具有开关电源的仪表等低压设备一般开关电源的抗电源传导干扰的能力都比较强，因为在开关电源的内部也都采用了滤波器。因此在选用控制系统的电源设备，或者选用控制用电器的时候，尽量采用具有开关电源类型的。
      4、在使用以单片机、PLC、计算机等为核心的控制系统中，编制软件的时候，可以适当增加对检测信号和输出控制部分的软件滤波，以增强系统自身的抗干扰能力。
      五、系统设计应注意的其他问题分析
      1、变频器与弱电控制设备分开布置。在设备排列布置时，应该注意将变频器单独布置，尽量减少可能产生的电磁辐射干扰。金机通提示，在实际工程中，由于受到房屋面积的限制，往往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。
      2、变频器不可频繁操作。变频器电源输入侧可采用容量适宜的空气开关作为短路保护，但切记不可频繁操作。由于变频器内部有大电容，其放电过程较为缓慢，频繁操作将造成过电压而损坏元件。因此，应尽量由变频器、而不是通过接触器启停变频调速电机。
      3、减少不必要的连线。为避免传导干扰，除了控制系统与变频器之间必须的控制线外，其它如控制电源等应分开。由于控制系统及变频器均需要24V直流电源，如果共用一个直流电源，有时变频器会通过直流电源对控制系统产生传导干扰。设计或订货时要特别加以说明，要求用两个直流电源分别对两个系统供电。
      4、注意变频器对电网的干扰。变频器在运行时产生的高次谐波会对电网产生影响，使电网波形严重畸变，可能造成电网电压降很大、电网功率因数很低，大功率变频器应特别注意。采用无功自动补偿装置以调节功率因数，同时根据具体情况在变频器电源进线侧加电抗器以减少对电网产生的影响。进线电抗器可以由变频器供应商配套提供，但在订货时要加以说明。
      5、应注意限制最低转速。在低转速时，电机噪声增大，电机冷却能力下降，若负载转矩较大或满载，可能烧毁电机。确需低速运转的高负荷变频电机，应考虑加大额定功率，或增加辅助的强风冷却。
      6、注意防止发生共振现象。由于定子电流中含有高次谐波成分，电机转矩中含有脉动分量，有可能造成电机的振动与机械振动产生共振，使设备出现故障。预先找到负载固有的共振频率后，利用变频器频率跳跃功能设置，躲开共振率点。
      7、变频器柜不宜安置其它操作性开关电器。变频器柜内除本机专用的空气开关外，不宜安置其它操作性开关电器，以免开关噪声入侵变频器，造成误动作。
      干扰的分布参数是很复杂的，因此在抗干扰时，应当尽量采用适当的措施，既要考虑效果，又要考虑价格等其他因素。采用的措施只要能解决问题即可，往往过多的抗干扰措施有可能会产生额外的干扰，所以应该具体情况具体解决。