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解密變頻器抗干擾問題

2015-11-16 資料來源:臺灣自動控制股份有限公司

在現場，變頻器的干擾出現得比較多，且比較嚴重，甚至導致控制系統無法投入使用。變頻器的工作原理註定其會產生強電磁干擾。
變頻器包括整流電路和逆變電路，輸入的交流電經過整流電路和平波回路，轉換成直流電壓，再通過逆變器把直流電壓變換成不同寬度的脈衝電壓（稱為脈寬調製電壓，PWM）。用這個PWM電壓驅動電機，就可以起到調整電機力矩和速度的目的。這種工作原理導致以下三種電磁干擾：
1、諧波干擾
整流電路會產生諧波電流，這種諧波電流在供電系統的阻抗上產生電壓降，導致電壓波型發生畸變，這種畸變的電壓對於許多電子設備形成干擾（因為大部分電子設備僅能工作在正弦波電壓條件下），常見的電壓畸變是正弦波的頂部變平。諧波電流一定時，電壓畸變在弱電源的情況下更加嚴重，這種干擾的特徵是會對使用同一個電網的設備形成干擾，而與設備與變頻器之間的距離無關；
2、射頻傳導發射干擾
由於負載電壓為脈衝狀，因此變頻器從電網吸取電流也是脈衝狀，這種脈衝電流中包含了大量的高頻成分，形成射頻干擾，這種干擾的特徵是會對使用同一個電網的設備形成干擾，而與設備與變頻器之間的距離無關；
3、射頻輻射干擾
射頻輻射干擾來自變頻器的輸入電纜和輸出電纜。在上述的射頻傳導發射干擾的情形中，變頻器的輸入輸出電纜上有射頻干擾電流時，由於電纜相當於天線，必然會產生電磁波輻射，產生輻射干擾。變頻器輸出電纜上傳輸的PWM電壓，同樣包含豐富的高頻的成分，會產生電磁波輻射，形成輻射干擾。輻射干擾的特徵是，當其他電子設備靠近變頻器時，干擾現象變得嚴重。
根據電磁學的基本原理，形成電磁干擾必須具備三要素：電磁干擾源、電磁干擾途徑、對電磁干擾敏感的系統。為防止干擾，可採用硬體抗干擾和軟體抗干擾。其中，硬體抗干擾是最基本和最重要的抗干擾措施，一般從抗和放兩方面入手來抑制干擾，其總體原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對系統的耦合通道、降低系統干擾信號的敏感性。具體措施在工程上可採用隔離、濾波、遮罩、接地等方法。以下內容是解決現場干擾的主要步驟：
1、採用軟體抗干擾措施
具體來講就是通過變頻器的人機界面下調變頻器的載波頻率，把該值調低到一個適當的範圍。如果這個方法不能奏效，那麼只能採取下面的硬體抗干擾措施。
2、進行正確的接地
通過現場的具體調研我們可以看到，現場的接地情況是不甚理想的。而正確的接地既可以是系統有效地抑制外來干擾，又能降低設備本身對外界的干擾，是解決變頻器干擾最有效的措施。具體來講就是做到以下幾點：
（1）變頻器的主回路端子PE（E、G）必須接地，該接地可以和該變頻器所帶的電機共地，但不能與其它的設備共地，必須單獨打接地樁，且該接地點應該儘量遠離弱電設備的接地點。同時，變頻器接地導線的截面積應不小於4mm2，長度應控制在20m以內。
（2）其它機電設備的地線中，保護接地和工作接地應分開單獨設接地極，並最後匯入配電櫃的電氣接地點。控制信號的遮罩地和主電路導線的遮罩地也應分開單獨設接地極，並最後匯入配電櫃的電氣接地點。
3、遮罩干擾源
遮罩干擾源是抑制干擾的很有效的方法。通常變頻器本身用鐵殼遮罩，可以不讓其電磁干擾洩露，但變頻器的輸出線最好用鋼管遮罩，特別是以外部信號（從控制器上輸出4~20mA信號）控制變頻器時，要求該控制信號線盡可能短（一般為20m以內），且必須採用遮罩雙絞線，並與主電路線（AC380）及控制線（AC220V）完全分離。此外，系統中的電子敏感設備線路也要求採用遮罩雙絞線，特別是壓力信號。且系統中所有的信號線決不能和主電路線及控制線放于同一配管或線槽內。為使遮罩有效，遮罩層必須可靠接地。
4、合理的佈線
具體方法有：
（1）設備的電源線和信號線應儘量遠離變頻器的輸入輸出線。
（2）其它設備的電源線和信號線應避免和變頻器的輸入輸出線平行。
如果採取了以上的辦法之後還是不能夠奏效，那麼繼續以下辦法：
5、干擾的隔離
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，使他們不發生電的聯繫。通常是在電源和控制器及變送器等放大器電路之間在電源線上採用隔離變壓器以免傳導干擾，電源隔離變壓器可應用雜訊隔離變壓器。
6、在系統線路中設置濾波器
設備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和電動機。為減少電磁雜訊和損耗，在變頻器輸出側可設置輸出濾波器；為減少對電源干擾，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如控制器和變送器等，可在該設備的電源線上設置電源雜訊濾波器以免傳導干擾。濾波器根據使用位置的不同，可分為：
（1）輸入濾波器
通常有兩種：
a、線路濾波器：主要由電感線圈構成，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成，它將吸收頻率點很高的、具有輻射能量的諧波成分。
（2）輸出濾波器也由電感線圈構成
它可以有效地削弱輸出電流中的高次諧波成分。不僅起到抗干擾的作用，還能消弱電動機中由高次諧波產生的諧波電流引起的附加轉矩。對於變頻器輸出端的抗干擾措施，必須注意一下方面：
a、變頻器的輸出端不允許接入電容器，以免在功率管導通（關斷）瞬間，產生峰值很大的充電（或放電）電流，損害功率管；
b、當輸出濾波器由LC電路構成時，濾波器內接入電容器的一側，必須與電動機側相接。
7、採用電抗器
在變頻器的輸入電流中頻率較低的諧波成分（5次諧波、7次諧波、11次諧波、13次諧波等）所占的比重是很高的，它們除了可能干擾其它設備的正常運行之外，還因為它們消耗了大量的無功功率，使線路的功率因素大為下降。在輸入電路內串入電抗器是抑制較低諧波電流的有效方法。根據接線位置的不同，主要有以下兩種：
（1）交流電抗器
串聯在電源與變頻器的輸入側之間。其主要功能有：
a、通過抑制諧波電流，將功率因素提高至（0.75-0.85）；
b、削弱輸入電路中的浪湧電流對變頻器的衝擊；
c、削弱電源電壓不平衡的影響。
（2）直流電抗器
串聯在整流橋和濾波電容器之間。它的功能比較單一，就是削弱輸入電流中的高次諧波成分。但在提高功率因素方面比交流電抗器有效，可達0.95，並具有結構簡單、體積小等優點。
因此，變頻器的抗干擾措施主要包括在變頻器進線部分加裝交流電抗器和濾波器，進線和出線採用遮罩電纜，所有電纜的遮罩層與電抗器、濾波器、變頻器和電機的保護地共同接地，且該接地點與其他接地點分開，保持足夠的距離。同時，信號電纜和變頻器的動力電纜不要平行佈置。
此外，為防止變頻器干擾信號和控制回路，需要給控制器、儀錶和工控機採用單獨的隔離電源進行供電。