變頻器的干擾抑制實(shí)例分析

吳惠強(qiáng) 楊 炯

（江蘇盛虹化纖有限公司，江蘇 吳江 215228）

1 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，供電系統(tǒng)增加了大量的非線性負(fù)載，特別是變頻器，從低壓小容量家用電氣到高壓大容量的工業(yè)變頻器廣泛使用，變頻器在工作中產(chǎn)生功率較大的諧波，由于功率較大，對(duì)系統(tǒng)其他設(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。使得電磁干擾（EMI）日益嚴(yán)重，相應(yīng)的抗干擾設(shè)計(jì)（即電磁兼容EMC）已經(jīng)變得越來(lái)越重要。有時(shí)電磁干擾能直接造成系統(tǒng)的硬件損壞，有時(shí)雖不能損壞系統(tǒng)的硬件，卻常使微處理器的系統(tǒng)程序運(yùn)行失控，導(dǎo)致控制失靈，從而造成設(shè)備的生產(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，也是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵之一。

我們一般抑制諧波干擾常用的方法有：抑制（包括采用增加交流/直流電抗器、多相脈沖整流等）、隔離、濾波、屏蔽、接地等，這些抗干擾措施可根據(jù)系統(tǒng)的抗干擾要求合理選擇使用。

以下重點(diǎn)講述我公司技術(shù)人員在生產(chǎn)實(shí)踐中經(jīng)常采用的抑制諧波干擾的具體實(shí)施例子。

2 實(shí)例1

本廠的3線螺桿壓力閉環(huán)系統(tǒng)，在變頻器起動(dòng)后，控制系統(tǒng)的儀表（RKC，F(xiàn)900F810*8—AD儀表輸入4～20mA）顯示壓力在±2MPa左右波動(dòng)，壓力探頭（Dynisco 0～35MP輸出4～20mA）。變頻器（安川616H3）上的頻率±5Hz左右波動(dòng)在（±2Hz）。因?yàn)槭情]環(huán)系統(tǒng)，所以要有一點(diǎn)在波動(dòng)會(huì)是整個(gè)壓力系統(tǒng)都在波動(dòng)，如圖1所示。

圖1

思路：先將儀表打手動(dòng)控制，輸出固定60%，壓力還是上下來(lái)回波動(dòng)，現(xiàn)儀表輸出13.6mA變頻36Hz，這就排除變頻和儀表輸出，想通過(guò)調(diào)正儀表PID（d↑微分系數(shù)為小，對(duì)即時(shí)變化反應(yīng)不夠快，反映措施不力，I↓積分系數(shù)過(guò)大，使微分反應(yīng)被淹沒(méi)飩化）調(diào)正后基本無(wú)效果。排除設(shè)制不當(dāng)。分析認(rèn)為是干擾引起的，通過(guò)示波器分析在變頻器的輸入電流中頻率較低的諧波量（5次、7次、11次、13次）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)行之處還因?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。

現(xiàn)針對(duì)變頻干擾采取必要的措施先從以下幾方面著手：

（1）加裝交流電抗器

交流電抗器串聯(lián)在電源與變頻器的輸入側(cè)之間，其目的是通過(guò)抑制諧波電流，將功率因數(shù)提高至0.75～0.85，削弱輸入電路中的浪費(fèi)電流對(duì)變頻器的沖擊，削弱電源電壓不平衡的影響。

（2）加裝直流電抗器

直流電抗器，串聯(lián)在整流橋和濾波電容器之間，其目是進(jìn)一步削弱輸入電流的高次諧波成分，但同時(shí)也可以將功率因數(shù)提高到0.95，如圖2所示。

（3）在輸入輸出側(cè)加裝濾波器

一般輸入濾波器通常又分兩種：

1）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擾來(lái)削弱頻率較高的諧波電流。

圖2

2）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。

一般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。不僅起到抗干擾的作用，且能削弱電動(dòng)機(jī)中由高次諧波電流引起的附加轉(zhuǎn)矩。對(duì)于變頻器輸出端的抗干擾措施必須注意以下方面：①變頻器的輸出端不允許接入電容器，以免在逆變管導(dǎo)通風(fēng)關(guān)斷瞬間，產(chǎn)生峰值很大充電（或放電）電流，損害逆變管；②當(dāng)輸出濾波器由LC電路構(gòu)成時(shí)，濾波器內(nèi)接入電容器的一側(cè)必須與電動(dòng)機(jī)側(cè)相接。

（4）檢查接地系統(tǒng)

由于系統(tǒng)電源零線（電線）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）的混亂連接會(huì)大大降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

通過(guò)處理后，壓力波動(dòng)在（±0.3MPa）頻率波動(dòng)在（±1Hz），諧波干擾基本抑制，系統(tǒng)工作正常。

3 實(shí)例2

本廠一臺(tái)VC443牽伸機(jī)系統(tǒng)有144個(gè)溫度點(diǎn)有一臺(tái)單片機(jī)控制，同時(shí)有一臺(tái)變頻器控制拖動(dòng)。在變頻器不工作時(shí)溫度顯示正?！?℃范圍，但變頻工作時(shí)溫度波動(dòng)且在大約30s周期±15℃波動(dòng)，通過(guò)現(xiàn)象分析了解，初步認(rèn)為是干擾引起的。在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)維修人員的了解中，得知原控制板上有2個(gè)5V電源燒壞1個(gè)后合用1個(gè)開(kāi)關(guān)電源，后開(kāi)機(jī)出現(xiàn)溫度異常。分析認(rèn)為可能問(wèn)題出在電源上。

單片機(jī)控在接口電路中采用光電隔離，如圖2。光電耦合器之所以在傳輸信號(hào)的同時(shí)能有效地抑制尖脈沖幫各種噪聲干擾，使通道上的信號(hào)噪聲比大為提，主要有以下幾方面的原因：

（1）光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，常為105～106Ω。由于沒(méi)有足夠的能量而不能使二極管發(fā)光，從而被抑制掉了。

（2）光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒(méi)有電氣聯(lián)系，也沒(méi)有共地；之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾噪聲都很難通過(guò)光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號(hào)的產(chǎn)生。

最后經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別使用獨(dú)立的電源，若兩端共用一個(gè)電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義。當(dāng)用光電耦合器來(lái)隔離輸入輸出通道時(shí)，必須對(duì)所有信號(hào)（包括數(shù)字量信號(hào)、控制量信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)）全部隔離，使得被隔離的兩邊沒(méi)有任何電氣上的聯(lián)系，否則這種隔離是沒(méi)有意義的。電源分開(kāi)后溫控工作正常。

4 結(jié)論

通過(guò)應(yīng)用過(guò)程中干擾的來(lái)源和傳播途徑的分析，提出了解決這些問(wèn)題的實(shí)際對(duì)策。大量的電磁干擾產(chǎn)生，如不加以抑制，將影響整個(gè)控制系統(tǒng)的正常工作。但完全消除電磁干擾是不現(xiàn)實(shí)的。電磁干擾的抑制應(yīng)根據(jù)不同元器件，不同的電磁環(huán)境采取適當(dāng)?shù)囊种拼胧?，以系統(tǒng)可以正常工作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有必要單純?yōu)榱俗非箅姶鸥蓴_抑制指標(biāo)而采取復(fù)雜的措施。通常電磁干擾抑制能力的強(qiáng)弱與投資成正比。

我們?cè)陔姎饪刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的其他問(wèn)題：

（1）確?？刂乒裰械乃性O(shè)備接地良好。另外與變頻器相連的控制設(shè)備（如PLC或PID控制儀）要與其共地。

（2）安裝布線時(shí)將電源線和控制電纜分開(kāi)，例如使用獨(dú)立的線槽等。如果控制電路連接線必須和電源電纜交叉，應(yīng)成90°交叉布線。

（3）使用屏蔽導(dǎo)線或雙絞線連接控制電路時(shí)，確保未屏蔽之處盡可能短。

（4）確?？刂乒裰械慕佑|器有滅弧功能，交流接觸器采用R-C抑制器，也可采用壓敏電阻抑制器，如果接觸器是通過(guò)變頻器的繼電器控制的，這一點(diǎn)特別重要。

（5）鎧裝電纜作為電機(jī)接線時(shí)，要將屏蔽層接地。

（6）在設(shè)備排列布置時(shí)，應(yīng)盡量交容易受干擾的弱電控制設(shè)備與變頻器分開(kāi)，比如將動(dòng)力配電柜放在變頻器與控制設(shè)備之間。

（7）盡量減少變頻器與控制系統(tǒng)不必要的連線，以避免傳導(dǎo)干擾。除了控制系統(tǒng)與變頻器之間必須的控制線外，其它如控制電源等應(yīng)分開(kāi)。由于控制系統(tǒng)及變頻器均需要24V直流電源，而生產(chǎn)廠家為了節(jié)省一個(gè)直流電源，往往用一個(gè)直流電源分成兩路分別對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)供電，有時(shí)變頻器會(huì)通過(guò)直流電源對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，所以在設(shè)計(jì)中或訂貨時(shí)要特別加以說(shuō)明，要求用兩個(gè)直流電源分別對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)供電。

（8）注意防止發(fā)生共振現(xiàn)象。由于定子電流中含有高次諧波成分，電機(jī)轉(zhuǎn)矩中含有脈動(dòng)分量，有可能造成電機(jī)的振動(dòng)與機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生共振，使設(shè)備出現(xiàn)故障。應(yīng)在預(yù)先找到負(fù)載固有的共振頻率后，利用變頻器頻率跳躍功能設(shè)置，躲開(kāi)共振頻率點(diǎn)。

變頻調(diào)速電氣系統(tǒng)的電磁兼容性是一項(xiàng)十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程。首先要找到干擾的源頭，先把源頭抑制，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，綜合考慮，采取經(jīng)濟(jì)、可行的抑制干擾措施。有許多實(shí)際的工作經(jīng)驗(yàn)需要總結(jié)，還有許多的理論需要探討。隨著新技術(shù)和新理論不斷應(yīng)用，我們相信EMC問(wèn)題一定會(huì)得到有效解決。

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