變頻器應(yīng)用中存在的干擾問題及對策

劉玉巖

摘 ?要：電磁干擾（EMI）廣泛存在于許多工業(yè)操控系統(tǒng)的運(yùn)用中，極易使得處理器在運(yùn)行過程中出現(xiàn)程序?qū)用娴氖Э兀M(jìn)而引發(fā)控制系統(tǒng)的終端控制失效，最終很有可能造成設(shè)備的損壞和生產(chǎn)事故的發(fā)生。提升系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的可靠性，以及對干擾因素的消除能力，是實(shí)現(xiàn)研制以及應(yīng)用自動化工業(yè)裝置的重要基礎(chǔ)。該文主要介紹了變頻器的干擾來源、傳播方式以及問題所在，并針對變頻器干擾問題提出有效措施。

關(guān)鍵詞：變頻器;干擾問題;對策

中圖分類號： TN77 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在現(xiàn)代化的工業(yè)制造中，變頻器在生產(chǎn)過程中起到了重要的控制作用，因?yàn)樽冾l器具有較高的調(diào)速性和節(jié)能性，所以一直受到從業(yè)者的高度肯定以及廣泛應(yīng)用。然而，變頻器在運(yùn)行過程中，其工作過程經(jīng)常會因?yàn)橥饨缫蛩囟艿礁蓴_，再加上其自身運(yùn)行時(shí)可能會出現(xiàn)一些問題，因此就會不同程度地影響設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。在運(yùn)行過程中，變頻器內(nèi)部會產(chǎn)生高頻次的諧波，此時(shí)周圍的運(yùn)行裝置就會受到不同程度的干擾，而這些設(shè)備也會反過來作用于變頻器。為了保障變頻器的高效使用，對變頻器的抗干擾技術(shù)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求。如何提升變頻器在抗干擾方面的性能，筆者建議應(yīng)確定干擾源，并對其傳播方式進(jìn)行探究，然后再依據(jù)實(shí)際情況的差異性，采取針對性的措施。

1 變頻器應(yīng)用中的干擾來源

1.1 變頻器對外界電氣設(shè)備的干擾

變頻器中的非線性負(fù)載是非常重要的部分，其與逆變作用密切相關(guān)，因此，當(dāng)變頻器突然打開或者突然關(guān)閉的時(shí)候，內(nèi)部的逆變部分就會發(fā)生高速切換，進(jìn)而出現(xiàn)一系列耦合性噪聲。另外，在整流的過程中，交流電經(jīng)過一系列電路轉(zhuǎn)換成為直流電，這也就成為了電網(wǎng)的非線性負(fù)載，大量的諧波會在這一過程中產(chǎn)生。大量的諧波包括在輸入、輸出的電子流中，這些諧波將會以各種方式將能量傳播到外界，從而導(dǎo)致外界的電子設(shè)備和變頻器本身受到干擾。所以，就其他運(yùn)行的電氣設(shè)備來說，變頻器也成為了一種電磁干擾源。

1.2 外部電網(wǎng)對變頻器產(chǎn)生的干擾

在外部電網(wǎng)中存在大量諧波，這些諧波將成為干擾變頻器主要因素。電網(wǎng)中諧波的干擾問題主要體現(xiàn)在供電電源，像整流設(shè)備、電子調(diào)整設(shè)備等也會因?yàn)橹C波而發(fā)生相應(yīng)變化。這里以供電電源為例，當(dāng)電路中有電流通過時(shí)，整流設(shè)備等會引起電路電壓的波形變化，進(jìn)而可能威脅對應(yīng)設(shè)備[1]。此時(shí)如果沒有及時(shí)處理變頻器的供電電源，那么其電網(wǎng)系統(tǒng)中的干擾作用會持續(xù)存在，干擾范圍不斷擴(kuò)大，最終對變頻器整體產(chǎn)生干擾作用。供電電源的干擾作用表現(xiàn)為4種。1）浪涌和跌落。2）射頻干擾。3）欠壓、過壓以及瞬時(shí)掉電。4）電壓尖峰脈沖。

1.2.1 晶閘管換流設(shè)備對變頻器的干擾

當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)中引入了容量非常大的晶閘管設(shè)備時(shí)，由于晶閘管的作用，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的電壓波形中會出現(xiàn)明顯的拗凹口，嚴(yán)重脫離正常情況，干擾作用較強(qiáng)。再加上晶閘管轉(zhuǎn)流設(shè)備工作中會向變頻器輸入較大的反向電壓，如果養(yǎng)護(hù)工作不到位，還會因?yàn)榉聪螂妷哼^高而受損，最終造成擊穿變頻器輸入電路的后果[2]。

1.2.2 電力補(bǔ)償電容對變頻器的干擾

現(xiàn)階段國內(nèi)電力部分對用電單位的功率等有明確規(guī)定，為了顯著提升系統(tǒng)的功率因素，許多用電單位會選擇采用電力補(bǔ)償電容。必須承認(rèn)這種方式確實(shí)能起到積極作用，但是當(dāng)補(bǔ)償電容的切入與切出可能會出現(xiàn)生產(chǎn)事故，網(wǎng)絡(luò)電壓高峰值便會隨之出現(xiàn)，有些設(shè)備如變頻器中的整流二極管就可能因?yàn)檫@一過程被擊穿。

2 變頻器應(yīng)用中干擾信號的傳播方式

通常情況下，變頻器會產(chǎn)生較大功率的諧波，正是如此變頻器在應(yīng)用過程中會干擾系統(tǒng)內(nèi)部的電子設(shè)備，結(jié)合干擾信號的傳播途徑等就可以發(fā)現(xiàn)，變頻器的電磁干擾與常規(guī)設(shè)備基本相似，可以被分為3種類型：感應(yīng)耦合、傳導(dǎo)和電磁輻射[3]。其具體內(nèi)容如下。1）運(yùn)行中的變頻器所產(chǎn)生的高頻諧波，會向空中輻射對周圍電子設(shè)備產(chǎn)生影響。2）其次是傳導(dǎo)干擾，這是由于在帶變頻器工作時(shí)，與其直接相關(guān)的電動機(jī)會被電磁噪聲干擾，然后電動機(jī)內(nèi)部的鐵銅等損耗加快，干擾作用進(jìn)而傳導(dǎo)至電源部分，最后又跟隨電網(wǎng)逐漸滲透到其他相關(guān)設(shè)備[4]。相同的，來自系統(tǒng)的干擾信號也會通過相同的路徑對變頻器的工作產(chǎn)生一定的干擾。

2.1 電路耦合

干擾信號電路耦合傳播是指相應(yīng)干擾信號以電源為基礎(chǔ)，沿著電路網(wǎng)絡(luò)慢慢傳播。由于變頻器的自身特性，其向電路內(nèi)輸入的電流不會出現(xiàn)正弦波動，當(dāng)變頻器中的電壓容量顯著增大時(shí)，整個(gè)電網(wǎng)中的電壓就會發(fā)生劇烈的變化，那么其他電子設(shè)備也會受到不同程度的影響。與此同時(shí)，傳導(dǎo)干擾還會增加電機(jī)銅損和鐵損，又會使得電動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)受到影響，因此可以說干擾信號的產(chǎn)生以電流輸入為基礎(chǔ)。

2.2 電磁感應(yīng)與靜電感應(yīng)

如果變頻器的電路設(shè)置接近其他電路設(shè)備時(shí)，因電磁感應(yīng)產(chǎn)生的耦合就會形成，那些距離變頻器輸入電路或者輸出電路較近的設(shè)備均會受到影響。具體來說，這種干擾可以分為2種作用機(jī)制。1）電磁感應(yīng)。2）靜電感應(yīng)，2種感應(yīng)有所差異，分別是電流和電壓干擾信號的最主要途徑。

3 提高變頻器抗干擾能力的對策

3.1 干擾隔離

進(jìn)入電子設(shè)備和儀器的諧波電流，通常來源于變頻器的輸入端。針對此情況，所以只有在輸入端采取隔離措施才能有效減少對儀器的干擾影響。其具體方法，分為電源隔離以及信號隔離。

電源隔離的方式如圖1（a）所示，該電路當(dāng)中專門引入了隔離變壓器，需要注意的是隔離變壓器的設(shè)備要遵循2點(diǎn)原則。1）變壓器的線圈數(shù)必須保持體制。2）變壓器外側(cè)要均使用金屬薄膜來加強(qiáng)隔離作用。當(dāng)然2個(gè)隔離變壓器的電路中可以適當(dāng)接入電容器。

信號隔離的方式如圖1（b）所示，該種隔離模式下信號與光電耦合器相連，促使光電耦合器起到隔離作用，比較適用于傳感器傳導(dǎo)線路較長的情況。但是需要注意光電耦合器兩側(cè)所連的電容器不會削減傳輸信號，即就是說當(dāng)信號為直流時(shí)，可以適當(dāng)增加電容量。

3.2 設(shè)置濾波器

為了實(shí)現(xiàn)電磁噪聲的削減作用，可以考慮在系統(tǒng)電路內(nèi)設(shè)置濾波器，其安裝位置較多。比如想要減少能源損耗，可以在輸出端安裝濾波器，如果想要保障電源的順利運(yùn)行，可以在輸入端設(shè)置濾波器[5]。與此同時(shí)也可以在電源線上安裝噪聲濾波器，使得線路中的敏感干擾大大減少。諧波信號偏高，可以用濾波器進(jìn)行過濾，由于濾波器的使用位置不同，可以大致分為輸入濾波器和輸出濾波器。

3.2.1 輸入濾波器

輸入濾波器可以分為輻射濾波器與線路濾波器。

輻射濾波器的作用是吸收掉相當(dāng)一部分的高頻、具有輻射能力的諧波，其構(gòu)造主要為高頻電容器。

線路濾波器可以增強(qiáng)線路當(dāng)中的阻抗作用，進(jìn)而降低高頻諧波電流的干擾作用，其結(jié)構(gòu)主要為電感線圈。

3.3.2 輸出濾波器

電感線圈也是構(gòu)成輸出濾波器的主要材料，它可以有效降低諧波中的高頻次成分。不僅實(shí)現(xiàn)了抗干擾，還能降低附加轉(zhuǎn)矩[6]。

3.3 屏蔽干擾源

屏蔽干擾源其實(shí)是減少干擾最有效果的方法，也具有一定的可操作性。通常，變頻器外圍都是一層金屬殼，這樣設(shè)計(jì)的目的就是為了屏蔽亦或是削弱電磁輻射。另外，如果用鋼管對線路進(jìn)行屏蔽，也是最佳選擇。此外，調(diào)控變頻器時(shí)，應(yīng)該設(shè)計(jì)最短的信號線，20 m為最高限度，并且為了使信號屏蔽作用達(dá)到最佳，應(yīng)該采用雙芯線路。此外，還要注意對屏蔽罩進(jìn)行接地操作，該情況下才能使屏蔽到達(dá)一定效果。

3.4 合理布線

干擾信號的傳遞方式不一，當(dāng)以感應(yīng)的形式傳遞，合理布線是能夠削弱其對變頻器的干擾影響的，其具體操作方法如下。1）設(shè)備信號線以及電路電源線應(yīng)該和輸出、入線保持較大的距離。2）避免電源線和輸入、出線處于平行狀態(tài)。

4 結(jié)語

綜上所述，通過該文對變頻器在應(yīng)用過程中干擾信號的來源以及傳播途徑的深入分析，筆者具體說明了應(yīng)對措施。近年來，在變頻器領(lǐng)域中，新技術(shù)不斷產(chǎn)生，理論也在不斷完善，對變頻器EMC的重視和要求，也逐漸成為變頻器研發(fā)和應(yīng)用的中心。隨著工業(yè)生產(chǎn)和社會環(huán)境的變化和升級，對變頻器的要求只會更高，相信科學(xué)技術(shù)的發(fā)展必定會推動真正滿足需求的變頻器的面世，最終變頻器EMC問題將不再成為技術(shù)難點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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[3]鄭旭東，關(guān)鴻權(quán)，吳赤兵.通用變頻器運(yùn)行過程中存在的問題及對策[J].石化 技術(shù)，2013， 8（4）：234-236.

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[5]李燕.圖解變頻器應(yīng)用[M]. 北京：中國電力出版社， 2019.

[6]馬小亮.高性能變頻調(diào)速及其典型控制系統(tǒng)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2016.