電力傳動(dòng)控制柜的電磁兼容問題及其處理方法

潘奕如 謝天程

【摘 要】近年來我國(guó)各行各業(yè)均發(fā)展非常迅速，尤其是電力電子技術(shù)在其他領(lǐng)域的滲透，推動(dòng)了我國(guó)科技的進(jìn)步。雖然與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)電力電子技術(shù)和電力傳動(dòng)技術(shù)等還比較落后，對(duì)其他國(guó)家有一定的依賴性，但隨著我國(guó)電力產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)加強(qiáng)了對(duì)本國(guó)電力電子與電力傳動(dòng)研究的支持力度，因此我國(guó)電力電子與電力傳動(dòng)發(fā)展有良好的機(jī)遇。

【關(guān)鍵詞】傳動(dòng)控制柜；干擾源；接地

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器越來越小型化多功能化高性能化，并且隨著變頻器的控制手段全數(shù)字化，在交流傳動(dòng)、新能源發(fā)電等領(lǐng)域，變頻傳動(dòng)柜的應(yīng)用越來越廣泛。目前幾乎所有的變頻器都采用PWM控制技術(shù)。變頻器輸入側(cè)是整流以及濾波電路，而變頻器功率開關(guān)器件的高速開通關(guān)斷會(huì)使整流橋中產(chǎn)生充電電流，呈現(xiàn)一種不連續(xù)沖擊的形式且含有高次諧波成分。這不僅會(huì)影響變頻器設(shè)備的自身安全運(yùn)行，還會(huì)對(duì)電子裝置、PLC等弱電設(shè)備產(chǎn)生干擾，影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

1 電力電子的含義及應(yīng)用的重要性

隨著我國(guó)整體實(shí)力的快速增長(zhǎng)，多個(gè)行業(yè)對(duì)電力的需求和要求越來越高，如機(jī)械行業(yè)、交通行業(yè)、石油化工行業(yè)、環(huán)保行業(yè)、國(guó)防及航天等，因此加強(qiáng)對(duì)電力電子的研究，提高電力電子水平具有比較。對(duì)電力電子的研究，主要是針對(duì)電力電子器件、變流器拓?fù)浼翱刂频龋_保電能量、磁能量的控制、傳輸?shù)龋瑢?shí)現(xiàn)對(duì)電能高效率的使用，提供高質(zhì)量電能。在對(duì)電力電子進(jìn)行研究時(shí)，主要需要對(duì)電力電子元器件、功率集成電路、電力電子變流技術(shù)、電力電子應(yīng)用技術(shù)、電力電子系統(tǒng)集成等方面進(jìn)行研究，以保證電力電子系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展，且具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

電力電子將各種能源轉(zhuǎn)換成電能的方式，不僅方便人們的生活，還具有節(jié)能環(huán)保的特征，有效推動(dòng)電力系統(tǒng)逐漸實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化和節(jié)能化。根據(jù)對(duì)我國(guó)電力電子的發(fā)展分析，可以從以下方面針對(duì)電力電子的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析：①分布式發(fā)電和可再生能源發(fā)電，分布式發(fā)電技術(shù)在國(guó)外頗受重視，其可以讓發(fā)電設(shè)備拉近與用戶的距離，實(shí)現(xiàn)近距離輸電，且還可以實(shí)現(xiàn)用戶用電的獨(dú)立性，在應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害時(shí)，有效提高安全和應(yīng)變能力。此外風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等均采用分布式發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)電力電子技術(shù)的依賴性較強(qiáng)。根據(jù)相關(guān)研究調(diào)查可知，全球?qū)﹄娏﹄娮赢a(chǎn)品應(yīng)用在分布式和混合式發(fā)電設(shè)備的發(fā)展勢(shì)頭越來越猛，尤其是逆變器、頻率變流器、靜態(tài)傳輸開關(guān)等，但由于很多可再生能源和分布式發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能存在不穩(wěn)定的狀態(tài)，此時(shí)需要加強(qiáng)電能儲(chǔ)存技術(shù)的應(yīng)用，即利用電力電子技術(shù)對(duì)不穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行控制。②電能質(zhì)量控制，電力電力技術(shù)在電力系統(tǒng)改造方面具有重要的作用，能夠有效實(shí)現(xiàn)節(jié)省電能，提高用電效率，而且隨著高壓大功率電力電力裝置的應(yīng)用，對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生、輸送和分配等應(yīng)用價(jià)值越來越高。

2 變頻器自身干擾

2.1 干擾源。變頻器主電路主要是由整流單元、逆變單元及其控制電路構(gòu)成的。變頻器在運(yùn)行時(shí)，功率開關(guān)器件一般在幾百毫秒的周期內(nèi)完成開通關(guān)斷，因此會(huì)產(chǎn)生高次諧波，經(jīng)過公共阻抗耦合、電磁耦合、傳導(dǎo)耦合三種方式產(chǎn)生電磁干擾[1]。在變頻裝置受到高次諧波的干擾時(shí)，不但會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率，而且容易損壞設(shè)備，為此必須重視變頻器產(chǎn)生的高次諧波。變頻器在運(yùn)行過程中，是一個(gè)功率強(qiáng)大的干擾源，IGBT管的高速開通、關(guān)斷會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的高次諧波，并且以各種方式將含高次諧波的能量傳播出去，形成強(qiáng)烈的電磁干擾。而且電力傳動(dòng)柜所用的開關(guān)電源也是一種干擾源，此時(shí)把電機(jī)線和電源線作為天線，通過和外殼連接的地線把干擾信號(hào)發(fā)出，線路越長(zhǎng)干擾就越大，因此我們要根據(jù)設(shè)備的具體情況，選擇相應(yīng)的抗干擾措施。為了能夠有效的抑制現(xiàn)場(chǎng)電磁噪聲干擾，選擇使用雙絞線。同時(shí)，若變頻器采用模擬脈沖信號(hào)通信，由于模擬信號(hào)的抗干擾性能較差，必須使用屏蔽線。

2.2 抗干擾措施。在實(shí)際工作中，變頻器的接地要確認(rèn)是否良好。同時(shí)可以安裝線路的抗干擾濾波器，將變頻器輸入端的各相連接在同一個(gè)磁芯上，按同一方向繞圈，繞線時(shí)要盡量將磁芯靠近電力傳動(dòng)柜。當(dāng)三相進(jìn)線端繞過磁芯時(shí)，電流中所含的基波分量產(chǎn)生的磁通為零，而電流中的高次諧波分量的合成磁通不為零。從而可以削弱諧波分量，此種方法簡(jiǎn)單有效。另外，還可將電力傳動(dòng)柜安裝在金屬機(jī)殼內(nèi)，既能防止外界電磁波進(jìn)入本系統(tǒng)，又能屏蔽交流調(diào)速系統(tǒng)向外輻射能量。

3外界設(shè)備對(duì)變頻器干擾

通常，電力傳動(dòng)柜運(yùn)行在情況復(fù)雜，環(huán)境惡劣，電磁污染較多的場(chǎng)景中，因此如果在設(shè)計(jì)電力傳動(dòng)柜時(shí)，如果敏感元件的選用、元器件的安裝、電路結(jié)構(gòu)布局布線等不合理的話，柜體就易受外界電氣干擾，通過各種耦合方式的將干擾傳到柜體內(nèi)部。

3.1 非線性用電設(shè)備。電網(wǎng)的諧波源很多，比如各種大功率的交直流能量變換設(shè)備，電壓調(diào)整裝置，非線性負(fù)載等等。同時(shí)，大型用電設(shè)備的突然啟停也會(huì)使電網(wǎng)電壓、電流產(chǎn)生沖擊，造成波形畸變。供電電源的變化比如過壓、欠壓、瞬時(shí)掉電，尖峰電壓脈沖、等等也會(huì)對(duì)變頻器的產(chǎn)生干擾，此外共模干擾也會(huì)影響變頻器運(yùn)行[3]。

3.2 電容器的投入切出。為了能夠提高功率因數(shù)，會(huì)在設(shè)計(jì)中加入一些電容進(jìn)行集中補(bǔ)償，然而補(bǔ)償電容器在切換過程中，電網(wǎng)電壓有可能出現(xiàn)很高的峰值，產(chǎn)生較大的電網(wǎng)沖擊，電力傳動(dòng)柜內(nèi)的整流開關(guān)管會(huì)因承受過高的反電壓而發(fā)生擊穿。

3.3 抗干擾措施。1）電氣屏蔽。由低電阻材料或磁性材料制成的屏蔽物內(nèi)，具有很強(qiáng)的屏蔽隔離功能，將有關(guān)電路、元器件、設(shè)備安裝在此設(shè)備內(nèi)，可以隔離電磁場(chǎng)。2）磁屏蔽。對(duì)于冶煉廠、重型機(jī)械廠、電站、等場(chǎng)所，易受交變磁場(chǎng)的干擾，可以用鐵、鎳等導(dǎo)磁性能好的導(dǎo)體加以屏蔽。

4電力傳動(dòng)柜對(duì)其他弱電設(shè)備的干擾

當(dāng)變頻器金屬外殼有孔洞或縫隙時(shí)，在孔洞大小與電磁波的波長(zhǎng)接近的情況下，干擾輻射源可能會(huì)向柜體四周輻射，此時(shí)金屬物體如果處在輻射場(chǎng)中可能形成二次輻射。采取硬件抗干擾是最有效地抗干擾措施，處理電磁干擾基本原則是首先查找，抑制和消除干擾源，接著切斷電磁干擾經(jīng)過的耦合通道，然后降低系統(tǒng)對(duì)干擾信號(hào)的敏感性，增強(qiáng)設(shè)備自身的抗干擾的能力。在對(duì)所用設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造過程中，要特別注重和防范電力傳動(dòng)柜對(duì)弱電系統(tǒng)的干擾。當(dāng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控電力傳動(dòng)柜時(shí)，使用的控制線一般較長(zhǎng)，弱電儀表的二次線和控制線之間會(huì)存在平行段，當(dāng)兩線的相對(duì)距離比較小時(shí)，容易造成較大干擾?？刹扇∪缦轮C波干擾處理措施：1）熱工儀表的二次線與變頻器控制線都采用屏蔽線，在橋架中用鐵皮隔板將兩導(dǎo)線平行部分隔開，接地線與接地體的連接應(yīng)牢固可靠，屏蔽線屏蔽層應(yīng)良好接地。2）在電力傳動(dòng)柜電源進(jìn)線端電纜上套上1.5m～2m的金屬蛇皮管，并保證蛇皮管外殼的良好接地。3）傳送模擬信號(hào)的傳感器連接線要盡量短，并且不要盤成圈狀放置在柜體內(nèi)。

5總結(jié)

電力傳動(dòng)柜的電磁兼容問題是隨電力電子技術(shù)飛速發(fā)展以及系統(tǒng)容量的不斷增加而日趨嚴(yán)重的問題，再加上科研過程中涌現(xiàn)出新的電磁干擾問題，使得變頻傳動(dòng)柜的電磁兼容問題成為專家學(xué)者們亟待解決的問題。本文從電力傳動(dòng)柜的自身電磁干擾，變頻設(shè)備對(duì)外界設(shè)備的電磁干擾問題進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的解決措施。處理變頻傳動(dòng)柜的電磁兼容問題，重點(diǎn)是尋找干擾源，柜體設(shè)計(jì)時(shí)一定要注重電磁干擾問題。因此，為了能夠使變頻調(diào)速裝置以及周圍用電設(shè)備能夠穩(wěn)定安全可靠工作，設(shè)計(jì)改造和施工時(shí)應(yīng)充分考慮電力傳動(dòng)柜的電磁兼容問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]Jin liang.EMC Technology Development of China.EMC 2009.IEEE International Symposium，2009：132-136.

[2]李艷春、生一華等，電磁兼容接地和抑制干擾研究，山西電力，2009.3：57-59.

（作者單位：武漢供電公司客服武昌分中心）