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      變頻器引起傳感器的干擾極其處理方法


      變頻器調速技術是集自動控制、微電子、電力電子、通信等技術於一體的高科技技術。它以很好的調速、節能性能,在各行各業中獲得了廣泛的應用。由於其采用軟啟動,可以減少設備和電機的機械衝擊,延長設備和電機的使用壽命。隨著科學技術的高速發展,變頻器以其具有節電、節能、可靠、高效的特性應用到了工業控制的各個領域中,如變頻調速在供水、空調設備、過程控制、電梯、機床等方面的應用,保證了調節精度,減輕了工人的勞動強度,提高了經濟效益,但隨之也帶來了一些干擾問題。現場的供電和用電設備會對變頻器產生影響,變頻器運行時產生的高次諧波也會干擾周圍設備的運行。變頻器產生的干擾主要有三種:對電子設備的干擾、對通信設備的干擾及對無線電等產生的干擾。對計算機和自動控制裝置等電子設備產生的干擾主要是感應干擾;對通信設備和無線電等產生的干擾為放射干擾。如果變頻器的干擾問題解決不好,不但系統無法可靠運行,還會影響其他電子、電氣設備的正常工作。因此有必要對變頻器應用系統中的干擾問題進行探討,以促進其進一步的推廣應用。下面主要討論變頻器的干擾及其抑制方法。

          2 變頻調速系統的主要電磁干擾源及途徑

          2.1 主要電磁干擾源

          電磁干擾也稱電磁騷擾 (EMI),是以外部噪聲和無用信號在接收中所造成的電磁干擾,通常是通過電路傳導和以場的形式傳播的。變頻器的整流橋對電網來說是非線性負載,它所產生的諧波會對同一電網的其他電子、電氣設備產生諧波干擾。另外,變頻器的逆變器大多采用PWM技術,當其工作於開關模式並作高速切換時,產生大量耦合性噪聲。因此,變頻器對系統內其他的電子、電氣設備來說是一個電磁干擾源。另一方面,電網中的諧波干擾主要通過變頻器的供電電源干擾變頻器。電網中存在大量諧波源,如各種整流設備、交直流互換設備、電子電壓調整設備、非線性負載及照明設備等。這些負荷都使電網中的電壓、電流產生波形畸變,從而對電網中其他設備產生危害的干擾。變頻器的供電電源受到來自被污染的交流電網的干擾後,若不加以處理,電網噪聲就會通過電網電源電路干擾變頻器。供電電源對變頻器的干擾主要有過壓、欠壓、瞬時掉電;浪湧、跌落;尖峰電壓脈衝;射頻干擾。其次,共模干擾通過變頻器的控制信號線也會干擾變頻器的正常工作。

          2.2 電磁干擾的途徑

          變頻器能產生功率較大的諧波,對系統其他設備干擾性較強。其干擾途徑與一般電磁干擾途徑是一致的,主要分電磁輻射、傳導、感應耦合。具體為:①對周圍的電子、電氣設備產生電磁輻射;②對直接驅動的電動機產生電磁噪聲,使得電動機鐵耗和銅耗增加,並傳導干擾到電源,通過配電網絡傳導給系統其他設備;③變頻器對相鄰的其他線路產生感應耦合,感應出干擾電壓或電流。同樣,系統內的干擾信號通過相同的途徑干擾變頻器的正常工作。下面分別加以分析。

          (1)電磁輻射

          變頻器如果不是處在一個全封閉的金屬外殼內,它就可以通過空間向外輻射電磁波。其輻射場強取決於干擾源的電流強度、裝置的等效輻射阻抗以及干擾源的發射頻率。變頻器的整流橋對電網來說是非線性負載,它所產生的諧波對接入同一電網的其它電子、電氣設備產生諧波干擾。變頻器的逆變橋大多采用PWM技術,當根據給定頻率和幅值指令產生預期的和重復的開關模式時,其輸出的電壓和電流的功率譜是離散的,並且帶有與開關頻率相應的高次諧波群。高載波頻率和場控開關器件的高速切換(dv/dt可達1kV/μs以上)所引起的輻射干擾問題相當突出。
       
      當變頻器的金屬外殼帶有縫隙或孔洞,則輻射強度與干擾信號的波長有關,當孔洞的大小與電磁波的波長接近時,會形成干擾輻射源向四周輻射。而輻射場中的金屬物體還可能形成二次輻射。同樣,變頻器外部的輻射也會干擾變頻器的正常工作。

          (2)傳導

          上述的電磁干擾除了通過與其相連的導線向外部發射,也可以通過阻抗耦合或接地回路耦合將干擾帶入其它電路。與輻射干擾相比,其傳播的路程可以很遠。比較典型的傳播途徑是:接自工業低壓網絡的變頻器所產生的干擾信號將沿著配電變壓器進入中壓網絡,並沿著其它的配電變壓器最終又進入民用低壓配電網絡,使接自民用配電母線的電氣設備成為遠程的受害者。

          (3)感應耦合

          感應耦合是介於輻射與傳導之間的第三條傳播途徑。當干擾源的頻率較低時,干擾的電磁波輻射能力相當有限,而該干擾源又不直接與其它導體連接,但此時的電磁干擾能量可以通過變頻器的輸入、輸出導線與其相鄰的其他導線或導體產生感應耦合,在鄰近導線或導體內感應出干擾電流或電壓。感應耦合可以由導體間的電容耦合的形式出現,也可以由電感耦合的形式或電容、電感混合的形式出現,這與干擾源的頻率以及與相鄰導體的距離等因素有關。

          3 抗電磁干擾的措施

          據電磁性的基本原理,形成電磁干擾(EMI)須具備電磁干擾源、電磁干擾途徑、對電磁干擾敏感的系統等三個要素。為防止干擾,可采用硬件和軟件的抗干擾措施。其中,硬件抗干擾是最基本和最重要的抗干擾措施,一般從抗和防兩方面入手來抑制干擾,其總原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對系統的耦合通道、降低系統對干擾信號的敏感性。具體措施在工程上可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。

          (1)隔離

          所謂干擾的隔離是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來,使它們不發生電的聯系。在變頻調速傳動系統中,通常是在電源和放大器電路之間的電源線上采用隔離變壓器以免傳導干擾,電源隔離變壓器可應用噪聲隔離變壓器。

          (2)濾波

          設置濾波器的作用是為了抑制干擾信號從變頻器通過電源線傳導干擾到電源及電動機。為減少電磁噪聲和損耗,在變頻器輸出側可設置輸出濾波器。為減少對電源的干擾,可在變頻器輸入側設置輸入濾波器。若線路中有敏感電子設備,可在電源線上設置電源噪聲濾波器,以免傳導干擾。

          (3)屏蔽

          屏蔽干擾源是抑制干擾的最有效的方法。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽,不讓其電磁干擾泄漏。輸出線最好用鋼管屏蔽,特別是以外部信號控制變頻器時,要求信號線盡可能短(一般為20m以內),且信號線采用雙芯屏蔽,並與主電路及控制回路完全分離,不能放於同一配管或線槽內,周圍電子敏感設備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效,屏蔽罩必須可靠接地。

          (4)接地

          實踐證明,接地往往是抑制噪聲和防止干擾的重要手段。良好的接地方式可在很大程度上抑制內部噪聲的耦合,防止外部干擾的侵入,提高系統的抗干擾能力。變頻器的接地方式有多點接地、一點接地及經母線接地等幾種形式,要根據具體情況采用,要注意不要因為接地不良而對設備產生干擾。
      單點接地指在一個電路或裝置中,只有一個物理點定義為接地點。在低頻下的性能好;多點接地是指裝置中的各個接地點都直接接到距它最近的接地點。在高頻下的性能好;混合接地是根據信號頻率和接地線長度,系統采用單點接地和多點接地共用的方式。變頻器本身有專用接地端子PE端,從安全和降低噪聲的需要出發,必須接地。既不能將地線接在電器設備的外殼上,也不能接在零線上。可用較粗的短線一端接到接地端子PE端,另一端與接地極相連,接地電阻取值<100Ω,接地線長度在20m以內,並注意合理選擇接地極的位置。當系統的抗干擾能力要求較高時,為減少對電源的干擾,在電源輸入端可加裝電源濾波器。為抑制變頻器輸入側的諧波電流,改善功率因數,可在變頻器輸入端加裝交流電抗器,選用與否可視電源變壓器與變頻器容量的匹配情況及電網允許的畸變程度而定,一般情況下采用為好。為改善變頻器輸出電流,減少電動機噪聲,可在變頻器輸出端加裝交流電抗器。圖1為一般變頻調速傳動系統抗干擾所采取措施。 
       
        以上抗干擾措施可根據系統的抗干擾要求來合理選擇使用。若系統中含控制單元如微機等,還須在軟件上采取抗干擾措施。

          (5)正確安裝

          由於變頻器屬於精密的功率電力電子產品,其現場安裝工藝的好壞也影響著變頻器的正常工作。正確的安裝可以確保變頻器安全和無故障運行。變頻器對安裝環境要求較高。一般變頻器使用手冊規定溫度範圍為最低溫度-10℃,最高溫度不超過50℃;變頻器的安裝海拔高度應小於1000m,超過此規定應降容使用;變頻器不能安裝在經常發生振動的地方,對振動衝擊較大的場合,應采用加橡膠墊等防振措施;不能安裝在電磁干擾源附近;不能安裝在有灰塵、腐蝕性氣體等空氣污染的環境;不能安裝在潮濕環境中,如潮濕管道下面,應盡量采用密封櫃式結構,並且要確保變頻器通風暢通,確保控制櫃有足夠的冷卻風量,其典型的損耗數一般按變頻器功率的3%來計算櫃中允許的溫升值。安裝工藝

          要求如下:

          ① 確保控制櫃中的所有設備接地良好,應該使用短、粗的接地線(最好采用扁平導體或金屬網,因其在高頻時阻抗較低)連接到公共地線上。按國家標准規定,其接地電阻應小於4歐姆。另外與變頻器相連的控制設備(如PLC或PID控制儀)要與其共地。

          ②  安裝布線時將電源線和控制電纜分開,例如使用獨立的線槽等。如果控制電路連接線必須和電源電纜交叉,應成90°交叉布線。

          ③ 使用屏蔽導線或雙絞線連接控制電路時,確保未屏蔽之處盡可能短,條件允許時應采用電纜套管。

          ④  確保控制櫃中的接觸器有滅弧功能,交流接觸器采用R-C抑制器,也可采用壓敏電阻抑制器,如果接觸器是通過變頻器的繼電器控制的,這一點特別重要。 

          ⑤ 用屏蔽和鎧裝電纜作為電機接線時,要將屏蔽層雙端接地。

          ⑥ 如果變頻器運行在對噪聲敏感的環境中,可以采用RFI濾波器減小來自變頻器的傳導和輻射干擾。為達到最優效果,濾波器與安裝金屬板之間應有良好的導電性。

          4 變頻控制系統設計中應注意的其他問題

          除了前面討論的幾點以外,在變頻器控制系統設計與應用中還要注意以下幾個方面的問題。

          (1)在設備排列布置時,應該注意將變頻器單獨布置,盡量減少可能產生的電磁輻射干擾。在實際工程中,由於受到房屋面積的限制往往不可能有單獨布置的位置,應盡量將容易受干擾的弱電控制設備與變頻器分開,比如將動力配電櫃放在變頻器與控制設備之間。

          (2)變頻器電源輸入側可采用容量適宜的空氣開關作為短路保護,但切記不可頻繁操作。由於變頻器內部有大電容,其放電過程較為緩慢,頻繁操作將造成過電壓而損壞內部元件。

          (3)控制變頻調速電機啟/停通常由變頻器自帶的控制功能來實現,不要通過接觸器實現啟/停。否則,頻繁的操作可能損壞內部元件。 

          (4)盡量減少變頻器與控制系統不必要的連線,以避免傳導干擾。除了控制系統與變頻器之間必須的控制線外,其它如控制電源等應分開。由於控制系統及變頻器均需要24V直流電源,而生產廠家為了節省一個直流電源,往往用一個直流電源分兩路分別對兩個系統供電,有時變頻器會通過直流電源對控制系統產生傳導干擾,所以在設計中或訂貨時要特別加以說明,要求用兩個直流電源分別對兩個系統供電。

          (5) 注意變頻器對電網的干擾。變頻器在運行時產生的高次諧波會對電網產生影響,使電網波型嚴重畸變,可能造成電網電壓降很大、電網功率因數很低,大功率變頻器應特別注意。解決的方法主要有采用無功自動補償裝置以調節功率因數,同時可以根據具體情況在變頻器電源進線側加電抗器以減少對電網產生的影響,而進線電抗器可以由變頻器供應商配套提供,但在訂貨時要加以說明。
       
      (6)變頻器櫃內除本機專用的空氣開關外,不宜安置其它操作性開關電器,以免開關噪聲入侵變頻器,造成誤動作。

          (7)應注意限制最低轉速。在低轉速時,電機噪聲增大,電機冷卻能力下降,若負載轉矩較大或滿載,可能燒毀電機。確需低速運轉的高負荷變頻電機,應考慮加大額定功率,或增加輔助的強風冷卻。

          (8)注意防止發生共振現像。由於定子電流中含有高次諧波成分,電機轉矩中含有脈動分量,有可能造成電機的振動與機械振動產生共振,使設備出現故障。應在預先找到負載固有的共振頻率後,利用變頻器頻率跳躍功能設置,躲開共振頻率點。

          5 結束語

          以上通過對變頻器運行過程中存在的干擾問題的分析,提出了解決這些問題的實際方法。隨著新技術和新理論不斷在變頻器上的應用,變頻器應用存在的這些問題有望通過變頻器本身的功能和補償來解決。隨著工業現場和社會環境對變頻器的要求不斷提高,滿足實際需要的真正“綠色”變頻器不久也會面世。