變頻器在強(qiáng)磁場(chǎng)運(yùn)行中所產(chǎn)生的干擾及抑制措施

張世全 黃河鑫業(yè)有限公司

前言

隨著變頻技術(shù)的提高，交流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，采用變頻調(diào)速可以提高生產(chǎn)的控制精度、生產(chǎn)效率，有利于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，是交流拖動(dòng)系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制性能，而且在許多生產(chǎn)場(chǎng)合具有顯著的節(jié)能效果。變頻器及其附屬設(shè)備的安裝、調(diào)試、日常維護(hù)及維修工作量劇增，給用戶造成重大直接和間接損失。本文就針對(duì)造成以上問題的原因，從應(yīng)用環(huán)境、電磁干擾與抗干擾、電機(jī)絕緣等方面進(jìn)行了分析，提出了一些改進(jìn)的建議。

1 變頻器的安裝

在粉塵大、磁場(chǎng)大、溫度高的環(huán)境中，使用變頻器時(shí)，采取正確的安裝、合理的防護(hù)措施是十分必要的，防塵措施得當(dāng)對(duì)保證變頻器正常工作非常重要。

1.1 變頻器安裝的基本要求

變頻器應(yīng)該安裝在控制柜內(nèi)部，最好安裝在控制柜內(nèi)的中部；變頻器要垂直安裝，正上方和正下方要避免安裝可能阻擋排風(fēng)、進(jìn)風(fēng)的大元件，變頻器上、下部邊緣距離控制柜頂部、底部、或者隔板、或者必須安裝的大元件等的最小間距，應(yīng)該大于300mm。如圖1 中的H1，H2 間距所示。對(duì)變頻器要進(jìn)行定期維護(hù)，及時(shí)清理內(nèi)部的粉塵等。

1.2 防塵控制柜的設(shè)計(jì)要求

總體要求控制柜整體應(yīng)該密封，應(yīng)該通過專門設(shè)計(jì)的進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口進(jìn)行通風(fēng)；控制柜頂部應(yīng)該有防護(hù)網(wǎng)和防護(hù)頂蓋出風(fēng)口；控制柜底部應(yīng)該有底板和進(jìn)風(fēng)口、進(jìn)線孔，并且安裝防塵網(wǎng)。

圖1 柜內(nèi)安裝變頻器的基本要求

(1) 控制柜的風(fēng)道要設(shè)計(jì)合理，排風(fēng)通暢，避免在柜內(nèi)形成渦流，在固定的位置形成灰塵堆積。

(2) 控制柜頂部出風(fēng)口上面要安裝防護(hù)頂蓋，防止雜物直接落入；防護(hù)頂蓋高度要合理，不影響排風(fēng)。防護(hù)頂蓋的側(cè)面出風(fēng)口要安裝防護(hù)網(wǎng)，防止絮狀雜物直接落入。

(3) 如果采用控制柜頂部側(cè)面排風(fēng)方式，出風(fēng)口必須安裝防護(hù)網(wǎng)。

(4) 一定要確?？刂乒耥敳康妮S流風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向正確，向外抽風(fēng)。如果風(fēng)機(jī)安裝在控制柜頂部的外部，必須確保防護(hù)頂蓋與風(fēng)機(jī)之間有足夠的高度；如果風(fēng)機(jī)安裝在控制柜頂部的內(nèi)部，安裝所需螺釘必須采用止逆彈件，防止風(fēng)機(jī)脫落造成柜內(nèi)元件和設(shè)備的損壞。建議在風(fēng)機(jī)和柜體之間加裝塑料或者橡膠減振墊圈，可以大大減小風(fēng)機(jī)震動(dòng)造成的噪音。

(5)控制柜的前、后門和其他接縫處，要采用密封墊片或者密封膠進(jìn)行一定的密封處理，防止粉塵進(jìn)入。

(6)控制柜底部、側(cè)板的所有進(jìn)風(fēng)口、進(jìn)線孔，一定要安裝防塵網(wǎng)。阻隔絮狀雜物進(jìn)入。防塵網(wǎng)應(yīng)該設(shè)計(jì)為可拆卸式，以方便清理、維護(hù)。防塵網(wǎng)的網(wǎng)格要小，能夠有效阻擋細(xì)小絮狀物(與一般家用防蚊蠅紗窗的網(wǎng)格相仿)；或者根據(jù)具體情況確定合適的網(wǎng)格尺寸。防塵網(wǎng)四周與控制柜的結(jié)合處要處理嚴(yán)密。

1.3 控制柜電纜要求

裝有變頻器的控制柜應(yīng)盡量遠(yuǎn)離大容量變壓器和電機(jī)。其控制電纜線路也應(yīng)避開這些漏磁通大的設(shè)備。弱電壓電流控制電纜不要接近易產(chǎn)生電弧的斷路器和接觸器。控制電纜建議采用1.25mm*2或2mm*2 屏蔽絞合絕緣電纜。屏蔽電纜的屏蔽要連續(xù)到電纜導(dǎo)體同樣長(zhǎng)。電纜在端子箱中連接時(shí)，屏蔽端子要互相連接。

1.4 布線方式

通過共用的接地線傳播干擾是干擾傳播的最普遍的方式。將動(dòng)力線的接地與控制線的接地分開是切斷這一途徑的根本方法，即將動(dòng)力裝置的接地端子接到地線上，將控制裝置的接地端子接到該裝置盤的金屬外殼上。

信號(hào)線靠近有干擾源電流的導(dǎo)線時(shí)，干擾會(huì)被誘導(dǎo)到信號(hào)線上，使信號(hào)線上的信號(hào)受到干擾，布線分離對(duì)消除這種干擾行之有效。實(shí)際把高壓電纜、動(dòng)力電纜、控制電纜常常與儀表電纜分開走線，分走不同的橋架，即使是變頻器的控制線也最好與其主回路線以垂直的方式走線。

2 變頻器控制回路設(shè)計(jì)

由于主回路的非線性（進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作），變頻器本身就是諧波干擾源，而其周邊控制回路卻是小能量、弱信號(hào)回路，極易遭受其它裝置產(chǎn)生的干擾，造成變頻器自身和周邊設(shè)備無法正常工作。因此，變頻器在安裝使用時(shí)，必須對(duì)控制回路采取抗干擾措施。

2.1 變頻器的基本控制回路

同外部進(jìn)行信號(hào)交流的基本回路有模擬和數(shù)字兩種：（1）4～20MA電流信號(hào)回路（模擬）；1～5v/0 ～5v 電壓信號(hào)回路（模擬）。（2）開關(guān)信號(hào)回路，變頻器的開停指令、正反轉(zhuǎn)指令等（數(shù)字）。外部控制指令信號(hào)通過上述基本回路導(dǎo)入變頻器，同時(shí)干擾源也在其回路上產(chǎn)生干擾電勢(shì)，以控制電纜為媒體入侵變頻器。

2.2 變頻器對(duì)微機(jī)控制板的干擾

電解多功能天車大小、車采用PLC 控制，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)或者改造過程中，一定要注意變頻器對(duì)微機(jī)控制板的干擾問題。在采用變頻器后，產(chǎn)生的傳導(dǎo)和輻射干擾，往往導(dǎo)致控制系統(tǒng)工作異常，因此需要采取必要措施。

(1) 良好的接地。電機(jī)等強(qiáng)電控制系統(tǒng)的接地線必須通過接地匯流排可靠接地，微機(jī)控制板的屏蔽地，最好單獨(dú)接地。對(duì)于某些干擾嚴(yán)重的場(chǎng)合，建議將傳感器、I/O 接口屏蔽層與控制板的控制地相連。

(2) 給微機(jī)控制板輸入電源加裝EMI 濾波器、共模電感、高頻磁環(huán)等，成本低。如圖3 所示，可以有效抑制傳導(dǎo)干擾。

圖2 微機(jī)控制板的電源抗干擾措施

(3) 給變頻器輸入加裝EMI 濾波器，可以有效抑制變頻器對(duì)電網(wǎng)的傳導(dǎo)干擾，加裝輸入交流和直流電抗器L1、L2，可以提高功率因數(shù)，減小諧波污染，綜合效果好。在某些電機(jī)與變頻器之間距離超過100m 的場(chǎng)合，需要在變頻器側(cè)添加交流輸出電抗器L3，解決因?yàn)檩敵鰧?dǎo)線對(duì)地分布參數(shù)造成的漏電流保護(hù)和減少對(duì)外部的輻射干擾。一個(gè)行之有效的方法就是采用鋼管穿線或者屏蔽電纜的方法，并將鋼管外殼或者電纜屏蔽層與大地可靠連接。請(qǐng)注意，在不添加交流輸出電抗器L3 時(shí)，如果采用鋼管穿線或者屏蔽電纜的方法，增大了輸出對(duì)地的分布電容，容易出現(xiàn)過流。如圖4 所示，當(dāng)然在實(shí)際中一般只采取其中的一種或者幾種方法。

(4)對(duì)模擬傳感器檢測(cè)輸入和模擬控制信號(hào)進(jìn)行電氣屏蔽和隔離。在變頻器組成的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，盡量不要采用模擬控制，特別是控制距離大于1M，跨控制柜安裝的情況下。因?yàn)樽冾l器一般都有多段速設(shè)定、開關(guān)頻率量輸入輸出，可以滿足要求。如果非要用模擬量控制時(shí)，建議一定采用屏蔽電纜，并在傳感器側(cè)或者變頻器側(cè)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端一點(diǎn)接地。

圖3 減小變頻器對(duì)外部控制設(shè)備的干擾措施

2.3 變頻器本身抗干擾問題

當(dāng)變頻器的供電系統(tǒng)附近，存在高頻沖擊負(fù)載如電焊機(jī)、電鍍電源、電解電源或者采用滑環(huán)供電的場(chǎng)合，變頻器本身容易因?yàn)楦蓴_而出現(xiàn)保護(hù)。建議采用如下措施：

(1)在變頻器輸入側(cè)添加電感和電容，構(gòu)成LC 濾波網(wǎng)絡(luò)。

(2)變頻器的電源線直接從變壓器側(cè)供電。

(3)在條件許可的情況下，可以采用單獨(dú)的變壓器。

(4)在采用外部開關(guān)量控制端子控制時(shí)，連接線路較長(zhǎng)時(shí)，建議采用屏蔽電纜。當(dāng)控制線路與主回路電源均在地溝中埋設(shè)時(shí)，除控制線必須采用屏蔽電纜外，主電路線路必須采用鋼管屏蔽穿線，減小彼此干擾，防止變頻器的誤動(dòng)作。

(5)在采用外部模擬量控制端子控制時(shí)，如果連接線路在1M 以內(nèi)，采用屏蔽電纜連接，并實(shí)施變頻器側(cè)一點(diǎn)接地即可；如果線路較長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)干擾嚴(yán)重的場(chǎng)合，建議在變頻器側(cè)加裝DC/DC 隔離模塊或者采用經(jīng)過V/F 轉(zhuǎn)換，采用頻率指令給定模式進(jìn)行控制。

在采用外部通信控制端子控制時(shí)，建議采用屏蔽雙絞線，并將變頻器側(cè)的屏蔽層接地(PE)，如果干擾非常嚴(yán)重，建議將屏蔽層接控制電源地(GND)。對(duì)于RS232 通信方式，注意控制線路盡量不要超過15m，如果要加長(zhǎng)，必須隨之降低通信波特率，在100m 左右時(shí)，能夠正常通信的波特率小于600bps。對(duì)于RS485 通信，還必須考慮終端匹配電阻等。對(duì)于采用現(xiàn)場(chǎng)總線的高速控制系統(tǒng)，通信電纜必須采用專用電纜，并采用多點(diǎn)接地的方式，才能夠提高可靠性。

2.4 發(fā)熱問題及對(duì)策

變頻器發(fā)熱是由于內(nèi)部的損耗而產(chǎn)生的，以主電路為主，約占98%，控制電路占2%。變頻器的故障率隨溫度升高而成指數(shù)的上升。環(huán)境溫度升高10 度，變頻器使用壽命減半。在變頻器工作時(shí)，流過變頻器的電流是很大的, 變頻器產(chǎn)生的熱量也是非常大的，因此，我們要重視散熱問題。為保證變頻器正?？煽窟\(yùn)行，必須對(duì)變頻器散熱。主要方法有：

1)變頻器安裝在控制柜中。我們要了解一臺(tái)變頻器的發(fā)熱量大概是多少. 可以用以下公式估算： 發(fā)熱量的近似值＝ 變頻器容量（KW）×55 [W] ，如果變頻器容量是以恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載為準(zhǔn)的 (過流能力150% * 60s)，如果變頻器帶有直流電抗器或交流電抗器, 并且也在柜子里面,這時(shí)發(fā)熱量會(huì)更大一些。電抗器安裝在變頻器側(cè)面或側(cè)上方比較好?；蛘哌m當(dāng)?shù)卦黾訖C(jī)柜的尺寸，使機(jī)柜中產(chǎn)生的熱量值盡可能地減少；如果把變頻器的散熱器部分放到控制機(jī)柜的外面，將會(huì)使變頻器有70%的發(fā)熱量釋放到控制機(jī)柜的外面。用隔離板把本體和散熱器隔開,使散熱器的散熱不影響到變頻器本體，這樣效果很好。

2)采用風(fēng)扇散熱

一般功率稍微大一點(diǎn)的變頻器，都帶有冷卻風(fēng)扇。同時(shí)，也建議在控制柜上出風(fēng)口安裝冷卻風(fēng)扇。進(jìn)風(fēng)口要加濾網(wǎng)以防止灰塵進(jìn)入控制柜。注意控制柜和變頻器上的風(fēng)扇都是要的，不能誰(shuí)替代誰(shuí)。

3)開關(guān)頻率：變頻器的發(fā)熱主要來自于IGBT，IGBT 的發(fā)熱有集中在開和關(guān)的瞬間。因此開關(guān)頻率高時(shí)自然變頻器的發(fā)熱量就變大了。有的廠家宣稱降低開關(guān)頻率可以擴(kuò)容，就是這個(gè)道理。

3 其它干擾注意事項(xiàng)

1)靜電耦合干擾

若控制電纜與周圍電氣回路的靜電容耦合，在電纜中產(chǎn)生電勢(shì)時(shí)，應(yīng)加大與干擾源電纜的距離，達(dá)到導(dǎo)體直徑40 倍以上時(shí)，干擾程度就不明顯，并在兩電纜間設(shè)置屏蔽導(dǎo)體接地。

1)靜電感應(yīng)干擾

周圍電氣回路產(chǎn)生的磁通變化在電纜中感應(yīng)出的電勢(shì)，一般將控制電纜與主回路電線或其它動(dòng)力電線分離鋪設(shè)，分離距離通常在30cm 以上（最低為10cm），分離困難時(shí)，將控制電纜穿過鐵管鋪設(shè)。干擾的大小取決于干擾源電纜與控制電纜間的相對(duì)角度，將控制導(dǎo)體絞合，絞合間距越小，鋪設(shè)的路線越短，抗干擾效果越好。

2)接觸不良干擾

變頻器控制電纜的電接點(diǎn)及繼電器觸電接觸不良，電阻發(fā)生變化在電纜中產(chǎn)生的干擾。應(yīng)采用并聯(lián)觸點(diǎn)或選用密封式繼電器，并對(duì)電纜連接點(diǎn)應(yīng)定期做擰緊加固處理。

3)電源線傳導(dǎo)干擾

指各種電氣設(shè)備從同一電源系統(tǒng)獲得供電時(shí)，由其它設(shè)備在電源系統(tǒng)直接產(chǎn)生電勢(shì)。措施：變頻器的控制電源由另外系統(tǒng)供電；在控制電源的輸入側(cè)裝設(shè)線路濾器；裝設(shè)絕緣變壓器，且屏蔽接地。

4)接地干擾

指機(jī)體接地和信號(hào)接地。對(duì)于弱電壓電流回路及任何不合理的接地均可誘發(fā)的各種意想不到的干擾，比如設(shè)置2 個(gè)以上接地點(diǎn)，接地處會(huì)產(chǎn)生電位差，產(chǎn)生干擾。措施：速度給定的控制電纜取1點(diǎn)接地，接地線不作為信號(hào)的通路使用。電纜的接地在變頻器側(cè)進(jìn)行，使用專設(shè)的接地端子，不與其它接地端子共用。并盡量減少接地端子引接點(diǎn)的電阻，一般不大于100d。

4 變頻器選型

驅(qū)動(dòng)和電氣環(huán)境是變頻器選型的決定性因素。就電解車而言，經(jīng)常工作在電解廠房溫度高，煙氣大，粉塵多、強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中，因此在選擇變頻器時(shí)，提高變頻器柜的密封等級(jí)，使密封等級(jí)達(dá)到IP55 級(jí)，并對(duì)變頻器柜加裝散熱裝置。除了具備基本的驅(qū)動(dòng)能力外，還必須考慮變頻器同電網(wǎng)之間的相互影響。①車體本身即是良好的導(dǎo)體，磁場(chǎng)對(duì)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)方向相反的作用力；車體自身具有大的慣性，因此需要變頻器具備良好的起動(dòng)轉(zhuǎn)距。②解決諧波電流和高頻干擾帶來的問題。因此，在變頻器選型時(shí)，應(yīng)使用智能模塊，全中文故障運(yùn)行顯示，還具有運(yùn)行狀況記錄功能等性能；具有雙風(fēng)扇冷卻，其抗熱能力強(qiáng)，抗干擾能力也強(qiáng)；變頻器的檢測(cè)應(yīng)非常齊全，由此帶來的故障報(bào)警、模型計(jì)算和自身保護(hù)多，使用戶使用起來非常的方便。如電機(jī)過熱、控制電源短路、通訊故障、三相檢測(cè)等。

5 結(jié)束語(yǔ)

變頻器控制是一種有效的節(jié)能控制，采用正確的安裝方式，合理的散熱要求，合適的方法來消除變頻器控制回路的噪聲和干擾，保持最佳的設(shè)置參數(shù)，可以延長(zhǎng)變頻器的使用壽命。