變頻器干擾對(duì)策研究

史峰

（遼北技師學(xué)院，遼寧 調(diào)兵山 112700）

在現(xiàn)代工業(yè)和經(jīng)濟(jì)生活中，隨著電子技術(shù)的應(yīng)用，自動(dòng)化、節(jié)能化和系統(tǒng)化得到了迅速的發(fā)展。伴隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)以及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，變頻裝置已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，在運(yùn)輸行業(yè)及生產(chǎn)行業(yè)正在以交流調(diào)速代替直流調(diào)速，通過(guò)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，使得交流拖動(dòng)系統(tǒng)具有了如同直流控制系統(tǒng)的調(diào)速特性。變頻器的使用使引發(fā)了自動(dòng)化控制的一場(chǎng)革命。使用變頻器的優(yōu)點(diǎn)在于：?jiǎn)?dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)的啟動(dòng)電流小，啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的影響小；可以連續(xù)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速；最高運(yùn)行速度不受電源頻率的影響；可定轉(zhuǎn)矩輸出；可控制加減速度等。此外，使用變頻裝置的節(jié)電效果十分顯著，據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，變頻器在工業(yè)領(lǐng)域中的節(jié)電潛力大約在25%~30%左右，年總節(jié)電量在280億KW·h以上。

1 變頻器的基本工作原理

目前變頻器主要是利用脈寬調(diào)制（PWM）就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要的波形，既能改變逆變電路輸出電壓的大小，又能改變輸出頻率。其主電路如圖1所示，其輸入部分經(jīng)整流、濾波形成直流電壓，再經(jīng)過(guò)逆變環(huán)節(jié)將直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘟涣麟妷禾峁┙o負(fù)載。PWM型變頻電路的主要特點(diǎn)為：可以得到相當(dāng)接近正弦波的輸出電壓；整流電路采用二極管，可獲得接近1的功率因數(shù)；電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；通過(guò)對(duì)輸出脈沖寬度的控制可改變輸出電壓，加快了變頻過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖1 電壓型PWM交-直-交變頻電路

2 變頻器的輸出電壓的合成以及實(shí)質(zhì)

把圖2a所示的正弦半波波形分成n等份，就可把正弦半波看成由n個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于π/n，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。

如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的小點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積(沖量)相等，就得到圖2b所示的脈沖序列，這就是PWM波形，可以看出，各脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。

根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱為SPWM形。

在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可，要改變等效輸出的正弦波的頻率時(shí)，只要改變調(diào)制波的頻率即可。PWM逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側(cè)電壓的幅值。在PWM型逆變電路中，使用最多的是圖3的三相橋式逆變電路，其控制方式一般都采用雙極性方式。u、v和w三相的PWM控制通常公用一個(gè)三角波載波。各點(diǎn)波形如圖4所示

圖2 PWM控制的基本原理

圖3 變頻器的逆變主電路

圖4 變頻器主電路部分電壓波形

圖4中，用對(duì)稱的三相交流電對(duì)同一三角波進(jìn)行調(diào)制得到三相對(duì)稱的PWM調(diào)制波形，當(dāng)改變調(diào)制信號(hào)的幅度時(shí)，將改變變頻器的輸出脈沖的寬度，利用電動(dòng)機(jī)線圈電感的濾波作用改變輸出電壓，以適應(yīng)不同頻率下的電機(jī)繞組不同的電抗值，達(dá)到恒磁通的作用。當(dāng)改變調(diào)制信號(hào)的頻率時(shí)，將改變變頻器輸出電壓的頻率，從而改變了電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)速差一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子也將隨之改變轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)速的作用。

3 變頻器在我校提升模擬裝置中的應(yīng)用

我校的模擬提升裝置主要用于教學(xué)、煤礦維修工人技術(shù)培訓(xùn)以及操作工鑒定等，因此，裝置完全按照目前礦山典型提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能用于模擬交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速操作方式、交流異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速操作方式、交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速操作方式的相互轉(zhuǎn)換以適應(yīng)不同的教學(xué)需要。其中，變頻調(diào)速操作方式是主要的控制方式，再系統(tǒng)安裝后，出現(xiàn)了一些干擾現(xiàn)象。

4 變頻器干擾分析

在礦井提升裝置中，由于設(shè)計(jì)了三種不同的調(diào)速方式，在運(yùn)行時(shí)由操作臺(tái)上的選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇。系統(tǒng)控制相對(duì)比較復(fù)雜，同時(shí)為了確保系統(tǒng)與實(shí)際生產(chǎn)中的提升裝置相貼近，在系統(tǒng)中采用可編程序控制器（PLC）來(lái)進(jìn)行同一協(xié)調(diào)控制。因此，將提升系統(tǒng)的諸多檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行取樣變換并輸入到PLC中。容易受到干擾的大部分是模擬信號(hào)，而開(kāi)關(guān)量信號(hào)一般不會(huì)受到干擾。因此，在系統(tǒng)中重點(diǎn)防止模擬量受到干擾，其中不僅要防止PLC輸入模擬量受到干擾，還要防止PLC輸出的模擬量受到干擾。

5 抗干擾對(duì)策

在系統(tǒng)安裝施工時(shí)根據(jù)變頻器說(shuō)明書(shū)及相關(guān)規(guī)定，變頻器的接線是按照標(biāo)準(zhǔn)接線進(jìn)行施工。為了排除或減小干擾，采取了以下措施。

從安全及降低噪聲的需要出發(fā)，為防止漏電和干擾侵入或輻射出去，必須接地。

根據(jù)電氣設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，接地電阻應(yīng)小于或等于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，且用較粗的短線接到變頻器的專用接地端子PE上。當(dāng)變頻器和其他設(shè)備，或有多臺(tái)變頻器一起接地時(shí)，每臺(tái)設(shè)備應(yīng)分別和地相接如圖5a和b所示，而不允許將一臺(tái)設(shè)備的接地端和另一臺(tái)的接地端相接后再接地。

圖5

變頻調(diào)速系統(tǒng)中的接觸器、電磁繼電器以及其他各類電磁鐵的線圈，采用吸收電路來(lái)控制通斷時(shí)產(chǎn)生的脈沖電壓。開(kāi)路集電極輸出端子連接控制繼電器，在勵(lì)磁線圈的兩端連接吸收電涌的二極管。交流線圈兩端并接Rc浪涌電壓吸收電路，Rc浪涌電壓吸收電路的接線不超過(guò)20cm。

控制電路端子上的連接電線用0.75mm2以下規(guī)格的屏蔽線或絞合在一起的聚乙烯線。

模擬信號(hào)的傳送所使用的電線采用聚氯乙烯絕緣，聚氯乙烯護(hù)套屏蔽電線。把一端連接到各自的共用端子，另一端不接。

電力線路和控制線路開(kāi)鋪設(shè)。在采用以上常規(guī)的抗干擾措施安裝后，試運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)只有液壓傳送回來(lái)的壓力信號(hào)還不夠穩(wěn)定，與液壓站上的壓力表讀數(shù)不相吻合。經(jīng)過(guò)分析電控系統(tǒng)的主回路發(fā)現(xiàn)，主電路具有一定的特殊性，主要是電動(dòng)機(jī)的定子控制線路和轉(zhuǎn)子控制線路都要通過(guò)電纜連接到相應(yīng)的配電柜中，大大增加了電動(dòng)機(jī)主電路的長(zhǎng)度。因此當(dāng)變頻器工作時(shí)產(chǎn)生的等幅度不等寬的PWM調(diào)制電流很容易發(fā)射出高頻電磁波來(lái)，成為強(qiáng)烈的干擾源，結(jié)果增加變頻運(yùn)行時(shí)的輻射干擾。同時(shí)，液壓站的壓力傳感器傳輸線路與主電路平行，受到的干擾最大，因此對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。

經(jīng)研究，再次提出解決方案。

在電動(dòng)機(jī)定子電纜和轉(zhuǎn)子電纜上穿入鐵管放入專用槽鋼內(nèi)并接地做為電磁屏蔽；將所有與電力電纜平行走線的控制線路均放入專用槽鋼內(nèi)，并加金屬蓋板進(jìn)行電磁屏蔽；在液壓站的油壓傳感器的供電電源（24V）兩端并聯(lián)入濾波電容和高頻電容，在信號(hào)傳輸線路上并聯(lián)有高頻濾波電容。經(jīng)過(guò)以上的嚴(yán)格的電磁抗干擾措施后，干擾現(xiàn)象消失。系統(tǒng)運(yùn)行得到滿意的效果。由此可見(jiàn)，抗干擾措施不僅要根據(jù)相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行施工，而且還要根據(jù)實(shí)際情況具體分析，提出切合實(shí)際的解決方案和制定合適的解決方法。

[1]石紅梅.變頻技術(shù)原理與應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社

[2]王兆安.電力電子技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社