變頻器的應(yīng)用和抗干擾措施

1、變頻器的應(yīng)用和抗干擾措施-江蘇德源藥業(yè)有限公司【內(nèi)容提要】變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用,將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。變頻器在使用過程中出現(xiàn)故障在所難免。我對江蘇德源藥業(yè)有限公司目前的變頻器運行情況進行了專項調(diào)查，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)發(fā)生故障時除了變頻器本身原因外和使用環(huán)境、電網(wǎng)質(zhì)量、工作人員、操作方法息息相關(guān)。對此，我在綜合分析的基礎(chǔ)上提出自己一些不成熟的看法及建議?！娟P(guān)鍵詞】變頻器的應(yīng)用 抗干擾措施一變頻器的應(yīng)用由于使用方法不正確或設(shè)置環(huán)境不合理，將容易造成變頻器誤動作及發(fā)生故障，或者無法滿足預(yù)期的運行效果。為防患于未然，事先對故障原因進行認真分析顯得尤為重要。如果變頻器周圍存在

2、干擾源，它們將通過輻射或電源線侵入變頻器的內(nèi)部，引起控制回路誤動作，造成工作不正常或停機，嚴重時甚至損壞變頻器。提高變頻器自身的抗干擾能力固然重要，但由于受裝置成本限制，在外部采取噪聲抑制措施，消除干擾源顯得更合理、更必要。以下幾項措施是對噪聲干擾實行“三不”原則的具體方法：變頻器周圍所有繼電器、接觸器的控制線圈上需加裝防止沖擊電壓的吸收裝置，如RC吸收器；盡量縮短控制回路的配線距離，并使其與主線路分離；指定采用屏蔽線回路，須按規(guī)定進行，變頻器接地端子應(yīng)按規(guī)定進行，不能同電焊、動力接地混用；變頻器輸入端安裝噪聲濾波器，避免由電源進線引入干擾 。1 .1 安裝環(huán)境 變頻器屬于電子器件裝置，在其規(guī)

3、格書中有詳細安裝使用環(huán)境的要求。在特殊情況下，若確實無法滿足這些要求，必須盡量采用相應(yīng)抑制措施：振動是對電子器件造成機械損傷的主要原因，對于振動沖擊較大的場合，應(yīng)采用橡膠等避振措施；潮濕、腐蝕性氣體及塵埃等將造成電子器件生銹、接觸不良、絕緣降低而形成短路，作為防范措施，應(yīng)對控制板進行防腐防塵處理，并采用封閉式結(jié)構(gòu)；溫度是影響電子器件壽命及可靠性的重要因素，特別是半導(dǎo)體器件，應(yīng)根據(jù)裝置要求的環(huán)境條件安裝空調(diào)或避免日光直射。除上述3點外，定期檢查變頻器的空氣濾清器及冷卻風(fēng)扇也是非常必要的。對于特殊的高寒場合，為防止微處理器因溫度過低不能正常工作，應(yīng)采取設(shè)置空間加熱器等必要措施 。1.2 電源異常電

4、源異常表現(xiàn)為各種形式，但大致分以下3種，即缺相、低電壓、停電，有時也出現(xiàn)它們的混和形式。這些異?，F(xiàn)象的主要原因多半是輸電線路因風(fēng)、雪、雷擊造成的，有時也因為同一供電系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)對地短路及相間短路。而雷擊因地域和季節(jié)有很大差異。除電壓波動外，有些電網(wǎng)或自行發(fā)電單位，也會出現(xiàn)頻率波動，并且這些現(xiàn)象有時在短時間內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)，為保證設(shè)備的正常運行，對變頻器供電電源也提出相應(yīng)要求。 如果附近有直接起動電動機和電磁爐等設(shè)備，為防止這些設(shè)備投入時造成的電壓降低，應(yīng)和變頻器供電系統(tǒng)分離，減小相互影響；對于要求瞬時停電后仍能繼續(xù)運行的場合，除選擇合適價格的變頻器外，還因預(yù)先考慮負載電機的降速比例。變頻器和外部控制回

5、路采用瞬停補償方式，當(dāng)電壓回復(fù)后，通過速度追蹤和測速電機的檢測來防止在加速中的過電流；對于要求必須量需運行的設(shè)備，要對變頻器加裝自動切換的不停電電源裝置。 二極管輸入及使用單相控制電源的變頻器，雖然在缺相狀態(tài)也能繼續(xù)工作，但整流器中個別器件電流過大及電容器的脈沖電流過大，若長期運行將對變頻器的壽命及可靠性造成不良影響，應(yīng)及早檢查處理。 1.3 雷擊、感應(yīng)雷電雷擊或感應(yīng)雷擊形成的沖擊電壓有時也能造成變頻器的損壞。此外，當(dāng)電源系統(tǒng)一次側(cè)帶有真空斷路器時，短路器開閉也能產(chǎn)生較高的沖擊電壓。 變壓器一次側(cè)真空斷路器斷開時，通過耦合在二次側(cè)形成很高的電壓沖擊尖峰。為防止因沖擊電壓造成過電壓損壞，通常需要

6、在變頻器的輸入端加壓敏電阻等吸收器件，保證輸入電壓不高于變頻器主回路期間所允許的最大電壓。當(dāng)使用真空斷路器時，應(yīng)盡量采用沖擊形成追加RC浪涌吸收器。若變壓器一次側(cè)有真空斷路器，因在控制時序上保證真空斷路器動作前先將變頻器斷開。過去的晶體管變頻器主要有以下缺點：容易跳閘、不容易再起動、過負載能力低。由于IGBT及CPU的迅速發(fā)展，變頻器內(nèi)部增加了完善的自診斷及故障防范功能，大幅度提高了變頻器的可靠性。如果使用矢量控制變頻器中的“全領(lǐng)域自動轉(zhuǎn)矩補償功能”，其中“起動轉(zhuǎn)矩不足”、“環(huán)境條件變化造成出力下降”等故障原因，將得到很好的克服。該功能是利用變頻器內(nèi)部的微型計算機的高速運算，計算出當(dāng)前時刻所需

7、要的轉(zhuǎn)矩，迅速對輸出電壓進行修正和補償，以抵消因外部條件變化而造成的變頻器輸出轉(zhuǎn)矩變化。此外，由于變頻器的軟件開發(fā)更加完善，可以預(yù)先在變頻器的內(nèi)部設(shè)置各種故障防止措施，并使故障化解后仍能保持繼續(xù)運行，例如：對自由停車過程中的電機進行再起動；對內(nèi)部故障自動復(fù)位并保持連續(xù)運行；負載轉(zhuǎn)矩過大時能自動調(diào)整運行曲線，能夠?qū)C械系統(tǒng)的異常轉(zhuǎn)矩進行檢測。變頻器對周邊設(shè)備的影響及故障防范 變頻器的安裝使用也將對其他設(shè)備產(chǎn)生影響，有時甚至導(dǎo)致其他設(shè)備故障。因此，對這些影響因素進行分析探討，并研究應(yīng)該采取哪些措施時非常必要的。 1.4 電源高次諧波由于目前的變頻器幾乎都采用PWM控制方式，這樣的脈沖調(diào)制形式使得變

8、頻器運行時在電源側(cè)產(chǎn)生高次諧波電流，并造成電壓波形畸變，對電源系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重影響，通常采用以下處理措施：采用專用變壓器對變頻器供電，與其它供電系統(tǒng)分離；在變頻器輸入側(cè)加裝濾波電抗器或多種整流橋回路，降低高次諧波分量，對于有進相電容器的場合因高次諧波電流將電容電流增加造成發(fā)熱嚴重，必須在電容前串接電抗器，以減小諧波分量，對電抗器的電感應(yīng)合理分析計算，避免形成 LC振蕩。 電動機溫度過高及運行范圍 對于現(xiàn)有電機進行變頻調(diào)速改造時，由于自冷電機在低速運行時冷卻能力下降造成電機過熱。此外，因為變頻器輸出波形中所含有的高次諧波勢必增加電機的鐵損和銅損，因此在確認電機的負載狀態(tài)和運行范圍之后，采取以下的相應(yīng)

9、措施：對電機進行強冷通風(fēng)或提高電機規(guī)格等級；更換變頻專用電機；限定運行范圍，避開低速區(qū)。 1.5 震動、噪聲振動通常是由于電機的脈動轉(zhuǎn)矩及機械系統(tǒng)的共振引起的，特別是當(dāng)脈動轉(zhuǎn)矩與機械共振電恰好一致時更為嚴重。噪聲通常分為變頻裝置噪聲和電動機噪聲，對于不同的安裝場所應(yīng)采取不同的處理措施：變頻器在調(diào)試過程中，在保證控制精度的前提下，應(yīng)盡量減小脈沖轉(zhuǎn)矩成分；調(diào)試確認機械共振點，利用變頻器的頻率屏蔽功能，使這些共振點排除在運行范圍之外；由于變頻器噪聲主要有冷卻風(fēng)扇機電抗器產(chǎn)生，因選用低噪聲器件；在電動機與變頻器之間合理設(shè)置交流電抗器，減小因PWM調(diào)制方式造成的高次諧波。 1.6高頻開關(guān)形成尖峰電壓對電

10、機絕緣不利在變頻器的輸出電壓中，含有高頻尖峰電壓。這些高次諧波沖擊電壓將會降低電動機繞組的絕緣強度，尤其以PWM控制型變頻器更為明顯，應(yīng)采取以下措施：盡量縮短變頻器到電機的配線距離；采用阻斷二極管的浪涌電壓吸收裝置，對變頻器輸出電壓進行處理。二變頻器的抗干擾問題及措施2.1 變頻器應(yīng)用中的干擾問題在各種工業(yè)控制系統(tǒng)中，隨著變頻器等電力電子裝置的廣泛使用，系統(tǒng)的電磁干擾(EMI)日益嚴重，相應(yīng)的抗干擾設(shè)計技術(shù)(即電磁兼容EMC)已經(jīng)變得越來越重要。變頻器系統(tǒng)的干擾有時能直接造成系統(tǒng)的硬件損壞，有時雖不能損壞系統(tǒng)的硬件，但常使微處理器的系統(tǒng)程序運行失控，導(dǎo)致控制失靈，從而造成設(shè)備和生產(chǎn)事故。因此，

11、如何提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性是自動化裝置研制和應(yīng)用中不可忽視的重要內(nèi)容，也是計算機控制技術(shù)應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵之一。談到變頻器的抗干擾問題，首先要了解干擾的來源、傳播方式，然后再針對這些干擾采取不同的措施。2.1.1變頻器干擾的來源先是來自外部電網(wǎng)的干擾。電網(wǎng)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(wǎng)中存在大量諧波源如各種整流設(shè)備、交直流互換設(shè)備、電子電壓調(diào)整設(shè)備，非線性負載及照明設(shè)備等。這些負荷都使電網(wǎng)中的電壓、電流產(chǎn)生波形畸變，從而對電網(wǎng)中其它設(shè)備產(chǎn)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(wǎng)的干擾后若不加處理，電網(wǎng)噪聲就會通過電網(wǎng)電源電路干擾變頻器。供電電源的干擾對變

12、頻器主要有(1)過壓、欠壓、瞬時掉電(2)浪涌、跌落(3)尖峰電壓脈沖(4)射頻干擾。2.1.1.1晶閘管換流設(shè)備對變頻器的干擾當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有容量較大的晶閘管換流設(shè)備時，由于晶閘管總是在每相半周期內(nèi)的部分時間內(nèi)導(dǎo)通，容易使網(wǎng)絡(luò)電壓出現(xiàn)凹口，波形嚴重失真。它使變頻器輸入側(cè)的整流電路有可能因出現(xiàn)較大的反向回復(fù)電壓而受到損害，從而導(dǎo)致輸入回路擊穿而燒毀。2.1.1.2電力補償電容對變頻器的干擾電力部門對用電單位的功率因數(shù)有一定的要求，為此，許多用戶都在變電所采用集中電容補償?shù)姆椒▉硖岣吖β室驍?shù)。在補償電容投入或切出的暫態(tài)過程中，網(wǎng)絡(luò)電壓有可能出現(xiàn)很高的峰值，其結(jié)果是可能使變頻器的整流二極管因承受過高

13、的反向電壓而擊穿。其次是變頻器自身對外部的干擾。變頻器的整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)來說是非線性負載，它所產(chǎn)生的諧波對同一電網(wǎng)的其它電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾。另外變頻器的逆變器大多采用PWM技術(shù)，當(dāng)工作于開關(guān)模式且作高速切換時，產(chǎn)生大量耦合性噪聲。因此變頻器對系統(tǒng)內(nèi)其它的電子、電氣設(shè)備來說是一電磁干擾源。變頻器的輸入和輸出電流中，都含有很多高次諧波成分。除了能構(gòu)成電源無功損耗的較低次諧波外，還有許多頻率很高的諧波成分。它們將以各種方式把自己的能量傳播出去，形成對變頻器本身和其它設(shè)備的干擾信號。(1)輸入電流的波形變頻器的輸入側(cè)是二極管整流和電容濾波電路。顯然只有電源的線電壓UL大于電容器兩端的直流電壓UD時

14、，整流橋中才有充電電流。因此，充電電流總是出現(xiàn)在電源電壓的振幅值附近，呈不連續(xù)的沖擊波形式。它具有很強的高次諧波成分。有關(guān)資料表明，輸入電流中的5次諧波和7次諧波的諧波分量是最大的，分別是50HZ基波的80%和70%。(2)輸出電壓與電流的波形絕大多數(shù)變頻器的逆變橋都采用SPWM調(diào)制方式，其輸出電壓為占空比按正弦規(guī)律分布的系列矩形式形波；由于電動機定子繞組的電感性質(zhì)，定子的電流十分接近于正弦波。但其中與載波頻率相等的諧波分量仍是較大的。2.1.2干擾信號的傳播方式變頻器能產(chǎn)生功率較大的諧波，由于功率較大，對系統(tǒng)其它設(shè)備干擾性較強，其干擾途徑與一般電磁干擾途徑是一致的，主要分傳導(dǎo)(即電路耦合)、

15、電磁輻射、感應(yīng)耦合。具體為:首先對周圍的電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射;其次對直接驅(qū)動的電動機產(chǎn)生電磁噪聲，使得電機鐵耗和銅耗增加;并傳導(dǎo)干擾到電源，通過配電網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)給系統(tǒng)其它設(shè)備;最后變頻器對相鄰的其它線路產(chǎn)生感應(yīng)耦合，感應(yīng)出干擾電壓或電流。同樣，系統(tǒng)內(nèi)的干擾信號通過相同的途徑干擾變頻器的正常工作。(1)電路耦合方式即通過電源網(wǎng)絡(luò)傳播。由于輸入電流為非正弦波，當(dāng)變頻器的容量較大時，將使網(wǎng)絡(luò)電壓產(chǎn)生畸變，影響其他設(shè)備工工作，同時輸出端產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾使直接驅(qū)動的電機銅損、鐵損大幅增加，影響了電機的運轉(zhuǎn)特性。顯然，這是變頻器輸入電流干擾信號的主要傳播方式。(2)感應(yīng)耦合方式當(dāng)變頻器的輸入電路或輸出電路

16、與其他設(shè)備的電路挨得很近時，變頻器的高次諧波信號將通過感應(yīng)的方式耦合到其他設(shè)備中去。感應(yīng)的方式又有兩種：a、電磁感應(yīng)方式，這是電流干擾信號的主要方式；b、靜電感應(yīng)方式，這是電壓干擾信號的主要方式。(3)空中幅射方式即以電磁波方式向空中幅射，這是頻率很高的諧波分量的主要傳播方式。2.2 變頻器抗干擾的措施據(jù)電磁性的基本原理，形成電磁干擾(EMI)須具備三要素:電磁干擾源、電磁干擾途徑、對電磁干擾敏感的系統(tǒng)。為防止干擾，可采用硬件抗干擾和軟件抗干擾。其中，硬件抗干擾是應(yīng)用措施系統(tǒng)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(tǒng)的藕合通道、降低

17、系統(tǒng)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。2.2.1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(fā)生電的聯(lián)系。在變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)中，通常是電源和放大器電路之間電源線上采用隔離變壓器以免傳導(dǎo)干擾，電源隔離變壓器可應(yīng)用噪聲隔離變壓器。2.2.2 在系統(tǒng)線路中設(shè)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(dǎo)干擾到電源從電動機。為減少電磁噪聲和損耗，在變頻器輸出側(cè)可設(shè)置輸出濾波器;為減少對電源干擾，可在變頻器輸入側(cè)設(shè)置輸入濾波器。若線路中有敏感電子設(shè)備，可在電源線上設(shè)置電源噪聲濾波器以免傳導(dǎo)干擾。在變頻器的輸入和輸出電路中，除了上述較低

18、的諧波成分外，還有許多頻率很高的諧波電流，它們將以各種方式把自己的能量傳播出去，形成對其他設(shè)備的干擾信號。濾波器就是用于削弱頻率較高的諧波分量的主要手段。根據(jù)使用位置的不同，可分為:(1)輸入濾波器通常又有兩種：a、線路濾波器主要由電感線圈構(gòu)成。它通過增大線路在高頻下的阻抗來削弱頻率較高的諧波電流。b、輻射濾波器主要由高頻電容器構(gòu)成。它將吸收掉頻率很高的、具有輻射能量的諧波成分。(2)輸出濾波器也由電感線圈構(gòu)成。它可以有效地削弱輸出電流中的高次諧波成分。非但起到抗干擾的作用，且能削弱電動機中由高次諧波諧波電流引起的附加轉(zhuǎn)矩。對于變頻器輸出端的抗干擾措施，必須注意以下方面：a、變頻器的輸出端不允

19、許接入電容器，以免在逆變管導(dǎo)通(關(guān)斷)瞬間，產(chǎn)生峰值很大的充電(或放電)電流，損害逆變管；b、當(dāng)輸出濾波器由LC電路構(gòu)成時，濾波器內(nèi)接入電容器的一側(cè)，必須與電動機側(cè)相接。2.2.3 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(nèi))，且信號線采用雙芯屏蔽，并與主電路線(AC380V)及控制線(AC220V)完全分離，決不能放于同一配管或線槽內(nèi)，周圍電子敏感設(shè)備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。2.2.4正確的接地既可以使系統(tǒng)有效地抑制外來干擾，又能降低設(shè)備本身對外界的干擾。在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)電源零線(中線)、地線(保護接地、系統(tǒng)接地)不分、控制系統(tǒng)屏蔽地(控制信號屏蔽地和主電路導(dǎo)線屏蔽地)的混亂連接，大大降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。于變頻器，主回路端子PE(E、G)的正確接地是提高變頻器抑制噪聲能力和減小變頻器干擾的重要手段，因此在實際應(yīng)用中一定要非常重視。變頻器接地導(dǎo)線的截面積一般應(yīng)不小于2.5mm2，長度控制在20m以內(nèi)。建議變頻器的接地與其它動力設(shè)備接地點分開，不能共地。2.2.5采用電抗器在變頻器的輸入電流中頻率較低的諧波分量(5次諧波、7次諧波、11次諧波、13次諧波等所)所占的比重是很高的，它們除了可能干