浅谈变频调速系统中的干扰问题

2022-09-10

变频器调速系统具有稳定的调速性能、高效的节能性能以及可靠的保护报警功能;由其是它采用软启动控制方式, 可以大大减少设备启动过程中的机械冲击, 从而延长机电设备的使用寿命;在工业控制的各个领域中得到普遍应用。

但随之也带来了一些干扰问题, 主要有两个方面:一是现场的用电设备会对变频器产生影响, 二是变频器运行时产生的高次谐波也会干扰周围设备的运行。因此有必要对变频器应用系统中的干扰问题进行探讨, 以促进其进一步的推广应用。下面主要讨论变频调速系统的干扰及其抑制方法。

1 变频调速系统的主要干问题

1.1 主要电磁干扰源

变频调速系统干扰其它设备的根本原因是其输入和输出电流中具有高次谐波成分。其它设备干扰变频调速系统的原因在于变频器采用了高性能微处理器等集成电路, 对外来电磁干扰较敏感。

(1) 变频器产生的干扰:变频器的输入和输出电流的波形都不是标准正弦波, 含有很多高次谐波成分。它们将以空中辐射、线路传播等方式把自己的能量传播出去, 对周围的电子设备、通信和无线电设备的工作形成干扰, 如图1所示。因此在装设变频器时, 应考虑采取各种抗干扰措施, 削弱干扰信号的强度。

(2) 外来干扰:变频器采用了高性能微处理器等集成电路, 对外来电磁干扰较敏感, 会因电磁干扰的影响而产生错误, 对运转造成恶劣影响。外来干扰大多是多通过控制电缆侵入变频器的, 所以铺设控制电缆时必须采取充分的抗干扰措施。在变频器的输入电路中接入交流电抗器, 可有效地抑制干扰。

1.2 干扰信号的传播的方式

变频调速器能产生功率较大的谐波电流, 对系统中的其他电子设备干扰性较强。其干扰途径主要分传导、电磁辐射、感应耦合。下面分别加以分析。

1.2.1 电磁辐射

变频调速系统虽然是都采用金属外壳, 但总是不能在一个全封闭的金属外壳内, 它就可以通过空间的空隙向外辐射电磁波。电磁波的辐射场强取决谐波的电流强度、谐波干扰源的发射频率、电气设备等效辐射阻抗。电流强度大、频率高、效辐射阻抗小发射能力强。由于变频器的逆变电路大多采用S P W M技术, 较高载波频率和场控开关器件的高速切换所引起的辐射干扰问题会相当突出。

1.2.2 电路传导

电磁干扰不仅限可以通过与其相连的导线向外部发射, 还能通过阻抗耦合或接地回路耦合将干扰信号带入其它电路。电路传导干扰比辐射干扰传播的路程可以更远。具体传播途径是:一是通过电源网络传播, 这是变频器输入电流干扰信号的主要传播方式。变频器输入电流的非正弦波, 当电流较大时, 电网电压产生畸变, 干扰信号将沿着配电变压器进入中压网络, 并沿着其它的配电变压器最终又进入民用低压配电网络, 使接在配电母线的电气设备成为远程的受害者。二是通过漏电流传播, 变频器的输出侧干扰的主要传播方式, 由于分布电容的存在高频的漏电流通过地线传播到其它用电设备。

1.2.3 感应耦合方式

当变频调速器的输入和输出电路与其它电子设备的距离较近时, 高次谐波信号将通过感的方式影响其它电子设备。感应耦合是介于辐射与传导之间的第三条传播途径。电磁波的辐射能力与它的频率有关, 频率越低辐射能力差, 因而当干扰源的频率较低时, 电磁波辐射能力相当有限, 而该干扰源又不直接与其它导体连接, 这时的干扰主要以导体产生感应耦合方方式影响附近设备。在邻近导线或导体内感应出干扰电流或电压。感应耦合主要有有两种形试:一是电磁感应, 感应电流迭加到控制信号中改变控制信号的特性造成干扰;二是静电感应耦合, 由于相邻导体间存在分布电容, 可以通过分布电容将谐波电压耦合到控制电路中与控制信号迭加而改变控制电压信号, 从而造成干扰。实际系统中电磁感应和静电感受应同时存在, 表现为电容静电感应、电感电磁耦电感混合的形式出现, 这些都与干扰源的频率以及与相邻导体的距离等因素有密切关系。频率高、距离近时, 干扰的影响大。

2 抗干扰的措施

依据电磁感应的基本原理, 形成电磁干扰须具备电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统等三个要素。为防止干扰, 可从这三个个方面采取抗干扰措施。一般从干扰源和传播路径两方面入手来抑制干扰, 其总原则是抑制和消除干扰源、切断干扰对系统的耦合通道、降低系统对干扰信号的敏感性。

2.1 合理布线

合理布线能在相当大程度上削弱干扰信号的强度, 如图2所示, 布线时应遵循以下几个原则。

2.1.1 远离原则

由干扰的传方式分析可知, 频率高、距离近时, 干扰的影响大。干扰信号的大小与受干扰控制线与干线之间距离的平方成反比。如果受干扰的控制线距离干扰源30厘米, 则干扰的强度将削弱一半。因此各种设备的控制线应尽量远离变频器的输入、输出线路。

2.1.2 相绞原则

电磁感应耦合产生的干扰电流与控制信号电流叠加而影响控制信号, 如果干扰信号在两条线路控制线路中产生的干扰大小相等方向相反, 那么干扰对控制信号的影响就相互抵消。所以电将两根控制线相绞, 能有效地抑制差模干扰信号。控制线相绞后, 绞距越小抑制干扰的效果越好。使用屏蔽导线或双绞线连接控制电路时, 确保未屏蔽之处尽可能短, 条件允许时应采用电缆套管。

2.1.3 不平行原则

为了减小静电感应的干扰信号, 我们知道两相互较近的金属导体之间存在分布电容, 而分布电容的大小与相互之间的距离成反比, 与相对的面积成正比, 要减小干扰的影响就要减小电容的大小。因而要使线路间的相对面积越小越好。因为导线平形时相对应的面积最大。控制线与变频器的输入, 输出线平行, 则两者之间的互感越大, 分布电容也大, 电磁感应和静电感应的干扰信号就越大, 因而控制线在空间上, 应尽量和变频器的输入输出线交叉, 最好是垂直交叉。

为了使电源与控制电路的分布电容减小, 安装布线时将电源线和控制电缆分开。如果控制电路连接线必须和电源电缆交叉, 应成垂直交叉布线。

2.2 削弱干扰源

2.2.1 接入电抗器

电感有阻碍电流的变化的能力, 将高频电流信号转变为磁场能消耗在电抗器中, 减小电路中的高频电流信号。能有效的提高功率因数, 削弱输入电流中的高次谐波分量成分对其它设备的干扰。

2.2.2 接入滤波器

为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电源及其它电气设备。为减少电机的电磁噪声和损耗, 在变频器输出侧可设置输出滤波器。为减少对电源的干扰, 可在变频器输入侧设置输入滤波器, 如图3所示。滤波器的主要作用是抑制具有辐射能力的高频谐波电流。若线路中有敏感电子设备, 可在电源线上设置电源噪声滤波器, 以免传导干扰。

2.2.3 降低载波频率

变频器输出侧谐波电流的辐射能力、电磁感应能力和静电感应能力都和载波频率有关, 适当降低载波频率, 对抑制干扰是有利的。当然, 载波频率太低会增大电机的噪声, 对电机的运行不利。

2.3 隔离干扰信号

所谓干扰的隔离是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来, 使它们不发生电的联系。

2.3.1 电源隔离

在变频调速传动系统中, 通常是在电源和放大器电路之间的电源线上采用隔离变压器以免传导干扰, 电源隔离变压器可应用噪声隔离变压器。

2.3.2 信号隔离

所谓信号隔离, 就是想办法使已经进入控制线的干扰信号不进入仪器。常采用光电隔离和变压器耦合以及电容耠耦合等方式, 光电耦合和压器可防止强电侵入。电容耠耦合可除去低频干扰信号。

2.4 对线路进行屏蔽

屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法之一。通常有主电路屏蔽和控制电路屏蔽两种。变频调速器大都采用金属外壳屏蔽, 不让其电磁干扰泄漏而干扰其它设备, 同时也能削弱高频电磁场对变频器控制电路的影响。一是控制线路:要求外部信号控制信号线尽可能短 (小于20米) , 且采用双芯屏蔽, 注意信号屏蔽线的屏蔽层接地, 只能是在一端进行, 不能两端都接;二是主电路:输出线路最好用钢管屏蔽, 用屏蔽和铠装电缆作为电机接线时, 要将屏蔽层双端接地。

2.5 准确接地

设备的接地主要目是为了安全。一是人生安全, 保证操作人员的安全防止触电事故发生;二是设备安全, 防止设备的损坏。但是对于高频干扰设备接地往往是抑制噪声和防止干扰的重要手段。良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合, 防止外部干扰的侵入, 提高系统的抗干扰能力。接地时应注意以下几个方面:接地线应粗一些并靠近变频器;接地线要远离电源线;变频系统的接地线与其它设备接地线分开;变频器接地线不能与电源零线相连。