浅谈交流变频器系统的抗干扰性和干扰性
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  随着我国经济的发展和科技的进步,交流变频调速的应用越来越广泛。在各种调速方式中,交流变频调速技术已被国内外公认为是最理想、最有发展前途的一种调速方式了。当工厂和设备采用交流调速时,在变频器的电源侧和电机侧都会产生谐波干扰。一方面当变频器运行时要防止会受到外界的电磁干扰;另一方面又要防止产生高次谐波干扰外部其他设备,即所谓的EMC。

一、 什么是EMC?

  EMC即是电磁兼容性。它是指电气设备在电磁环境中良好的工作能力,并且不能产生在此环境中工作的其它设备所不能接受的电磁干扰。

  国际电工委员会(IEC)对电磁兼容性的定义是:电磁兼容性是电子设备的一种功能,电子设备在电磁环境中能完成其功能而不产生不能容忍的干扰。

  我国颁布的电磁兼容性国家标准中,对电磁兼容性作出如下定义:设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁干扰。

  显然,电磁兼容性含有双重含义:抗干扰性和干扰性。

二、 变频器及电磁兼容性

  一般来说,电气设备必须同时具有对高频和低频干扰的抑制能力。其中高频干扰主要包括静电放电、脉冲干扰和发射性频率的电磁场等;而低频干扰主要指电源电压波动、欠压和频率不稳定等。通常变频器能够运行在一个可能存在着较高电磁干扰(EM1)的工业环境中,它既是噪声发射源,可能又是噪声接受器。

  1、 变频器所受的外部干扰

  1) 晶体管换流设备对变频器的干扰: 当供电网络内有容量较大的晶闸管换流设备时,由于晶闸管总是在每相半周期内的部分时间导通,容易使网络电压出现凹凸(如图1-1所示)。它使变频器输入侧的整流电路有可能因此出现较大的反向回复电压而受到损害。

  2) 补偿电容器的投入和切出对变频器的干扰: 当在供电线路的变电所内采用集中电容补偿的方法来提高功率因数时,在补偿电容投入和切出的暂态过程中,网络电压有可能出现很高的峰值(如图1-2所示)。其结果是可能使变频器的整流二极管内承受过高的反向电压而击穿。

2、 变频器对外部的干扰

  1) 变频器电流波形:变频器的输入电流和输出电流中,都具有较强的高次谐波成分,它们将对其它控制设备形成干扰,影响其它设备的正常工作。

  输入电流的波形: 如交-直-交电压型变频器的输入侧是整流和滤波电路(如图示2-2所示),只有电源的线电压U2大于电容两端的电压 UD时,整流桥中有充电电流。充电电流总是出现在电源电压的振幅值附近,呈不连续的冲击波形式(如图2-1所示)。它具有很高的奇次谐波成份,特别是5次和7次谐波,如表一(以西门子MM3变频器为例)。

  

  

  输出电压与电流的波形: 绝大多数变频器的逆变桥都采用PWM调制方式(如图22),其输出电压为占空比按正弦规律分布的系列矩形波(如图2-3所示)。

  寄生电容Cp存在于电机电缆和电机内部,因此变频器的PWM输出电压波形的开关翼部通过寄生电容产生一个高频脉冲电流Is,使变频器成为一个谐波干扰源。由于谐波电流Is的产生源是变频器,因此它一定要流回变频器。图中Ze为 大地阻抗,Zn为动力电缆与地之间的阻抗。谐波电流流过此二阻抗所造成的电压降,将影响到同一电网上的其它设备造成干扰。

  

3、 干扰信号的传播方式

  变频器的输入和输出电流中,都含有很多高次谐波成份,它们将以各种方式把自己的能量传播出去,形成对其它设备的干扰信号。大体上说,干扰信号的传播方式有以下几种

  1) 电路耦合方式:即通过电源网络传播。

  由于输入电流为非正弦波,当变频器的容量较大时,将使网络电压产生畸变,影响其它设备工作。这是变频器输入电流干扰信号的主要传播方式。

  2) 感应耦合方式:当变频器输入电路或输出电路与其它设备的电路靠得很近时,变频器的高次谐波信号将通过感应的方式耦合到其它设备中去。感应的方式有两种

  电磁感应方式:即通过电感而感应。这是电流干扰信号的主要传播方式。

  静电感应方式:即通过线间电容而感应。这是电压干扰信号的主要传播方式。

  3) 空中幅射方式:即以电磁波的方式向空中幅射,这是频率较高的谐波含量的主要传播方式。

  4、 变频器的抗干扰措施

  1)、电抗器(如图4-1所示):在变频器的输入回路中,频率较低的谐波含量(5-11次等)所含的比重较高,它们除了可能干扰其他设备的正常运行之外,还因为它们消耗了大量的无功功率,使线路的功率因数大为下降。在输入电路中串入电抗器是抑制较低谐波电流的有效方法。

  

  交流电抗器(进线电抗器):串联在电源与变频器输入侧之间(如图4-1中La),进线电抗器的主要作用如下:

  (1) 降低变频器产生的谐波,同时增加电源阻抗。

  (2) 吸收削弱附近设备产生的浪涌电压、电流和主电源的电压尖峰对变频器的冲击。

  (3) 消弱电源电压不平衡对变频器的影响

  直流电抗器(平波电抗器):串联在整流桥和滤波电容之间(如图4-1中Ld),它的功能主要就是削弱逆变器输入电流中的高次谐波成份,并且可通过抑制谐波电流来提高功率因数。

  滤波器; 在变频器的输入输出侧电路中,除上述较低次的谐波成份外,还有许多频率较高的谐波电流,它们将以各种方式形成对其他设备的干扰信号,滤波器就是用于削弱频率较高的谐波分量的方法(如图4-2所示)。

  输入滤波器:通常有两种

  (1) 线路滤波器:主要由电感线圈构成(如图4-2中F11所示)。它主要通过增大线路在高频下的阻抗来削弱频率较高的谐波电流。

  (2) 辐射滤波器:主要由高频电容构成(如图4-2中F12所示,也可以△接方式)。它将吸收掉频率很高的具有辐射能量的谐波成份。使得流回电源的高频电流大大减少。(也可以采用变频器生产厂家提供的专用无线电抗干扰滤波器)。

  输出滤波器:也主要由电感线圈构成(如图4-2中F0所示)。它可以有效地削弱输出电流中的高次谐波成份,不但起到抗干扰作用,而且能削弱电机中高次谐波电流引起的附加转矩。

  注:当输出滤波器由LC电路构成时,滤波器内接入电容器的一侧,必须与电动机相接。

  

  3)、使用屏蔽电缆及合理布线: 对通过感应方式传播的干扰信号可通过下列方式予以消除。

  使用屏蔽电机电缆:对于高频干扰,如果高次谐波干扰电流Is有一条合理的通道,则高频干扰是可以得到抑制的。如果使用非屏蔽电缆,则高次干扰谐波电流Is以一个不确定的路线流回变频器,并在此回路中产生高频分量压降,影响干扰其它设备。为使高次谐波干扰电流Is能沿确定路线流回变频器,需要采用屏蔽电机电缆(如图4-3所示)。电缆屏蔽层必须连接到变频器外壳和电机外壳上,当高次谐波干扰电流Is必须回变频器时,屏蔽层形成一条有效的通道。这样,高次谐波干扰电流就不会在Ze上产生压降,在Zn上的压降可由进线电抗干扰滤波器来抑制(如图4-2中的F12)。

  

  屏蔽信号电缆增加抗干扰(如图4-4所示): 当变频器作为被干扰对象时,高次谐波干扰电流Is可以通过电势和耦合电容进入变频器并且在阻抗 Zi上产生一个压降,导致噪声干扰。为此最有效的方法是严格隔离高频干扰和信号电缆,并且信号电缆屏蔽一定要在两端接地。

  控制电缆最好使用屏蔽电缆。一般来说,控制电缆的屏蔽层应直接在变频器的内部接地,另一侧通过一个高频小电容(例如3.3nf/3000V)接地。当屏蔽层两端的差模电压不高和连接到同一地线上时,也可以将屏蔽层的两端直接接地。信号线和它的返回线绞在一起,减小感性耦合引起的干扰。绞合越靠近端子越好。模拟信号的传输线应使用双屏蔽的双绞线。不同的模拟信号线应该独立走线,有各自的屏蔽层,以减少线间的耦合。不要把不同的模拟信号置于同一个公共反回线。低压数字信号最好使用双屏蔽的双绞线,也可以使用单屏蔽的双绞线。

  良好的接地及合理的布线:确保柜体中的所有设备接地良好,使用短和粗的接地线连接到公共接地点或接地母排上。特别重要的是,连接到变频器的任何控制设备要与其共地,同样也要用短和粗的导线接地。最好采用扁平导体(如金属网),因其在高频时阻抗较低。

  合理布线也是很重要,模拟信号和数字信号的传输电缆应该分别走线。尽量不要将低压线与220VAC电源线共用同一电缆。应尽量避免电机电缆与其它电缆长距离平行走线。

  设计控制柜体时要注意EMC的区域原则,尽量把不同的设备规划在不同的区域中。

三、 结束语

  设备的抗干扰性和干扰性是一个很重要的问题,目前EMC已成为系统故障的一个主要原因。EMC的一条准则是预防是最有效的、最经济的方案。所以EMC已成为保证变频设备可靠正常运行的一个不可忽视的重要问题。

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