电梯变频器应用中的一些问题.doc

电梯变频器应用中的一些问题同 济 大 学 周国兴摘要：本文介绍电梯变频器的容量选择，控制柜集成中的接地，屏蔽，变频器的外围设备，电磁兼容性（EMC）等问题 ，以供读者参考。关键词： 电梯变频器 控制柜集成 接地保护 电磁兼容性1. 变频器的容量选择变频器的容量有三种表达方式 额定电流（A）：选I变频 I电机 额定功率（KW）：允许配电动机功率（四级电机）但这时电动机只能在额定电流以下连续运行，不能有经常的起、制动。如风机，水泵等负载可选P变频 1.1P电机 额定容量（KVA），考虑到cos的关系，15KW的变频器对应23KVA的视在容量，其额定电流为33A。因此建议以电流原则选择变频器普通型负载：I变频 I电机 快速频繁起制动机械：P变频比P电机提高1档次或2档次。举例： 电梯电机 配 变频器 7.5KW 11KW （24A） 11KW 15KW（33A） 15KW 18.5KW-22KW(42-50A) 22KW 30KW(60A) 2. 接地与屏蔽一个变频调速系统或伺服系统的优质、可靠运行，主要靠系统的硬件配置，软件的设计及现场的安装调试和维保工作。“接地”是抑制电磁干扰，提高电力电子设备电磁兼容性的重要措施。正确的接地，可有效地抑制外来干扰的影响，也可以减少设备本身对外围设备的干扰。2.1名词 地 是指“大地”，是一个电阻小，电容量很大的物体，拥有吸收无限电荷的能力。吸收大量电荷以后仍能保持电位不变，因此常作为电气系统的参考电位-这就是“电气地”。符号“地电位”在接地导体周围形成一个半球体的接地电流分布，离接地极越近，电阻越大，电压降也越大。距接地极20M之外的半球体已经很大了，哪里的电位接近于“0”，被称为“地电位”，亦称为“0”电位。“逻辑地” 在电子设备中，电流和信号的传输需要一个参考电位，这个地不一定是地电位，可能是金属外壳、底座、电子印刷板上的地线或者接地干线等。逻辑地可与大地连接，也可以不接大地。“接地”电力系统中接地的一点，一般是中性点，常为外露导电部分。正常运行时中性点不带电，但在故障下可能带电。为了人身安全，将电气、电子设备外部导电部分与“地线”连接，也就是通过接地线或接地极与“地”连接。2.2 接地作用防止人身触电 100Hz以下的交流电，0.5mA流过人体会有感觉，10mA交流电流通过手臂就会产生不能摆脱之感觉。而与以上对应的直流电为2mA和300mA.C0 分布电容碰壳当外壳不接地时，由于绝缘损坏，外壳带电，人体就会触电，图1 外壳不接地，容易触电C0 分布电容碰壳Rd当外壳接地后，因接地电阻Rd很小，人就再不会触电了。因为即使外壳带电，人体电阻较大，与小电阻Rd并联后分流到的电流很图2 外壳可靠接地，不会触电 保障电气系统正常运行。如中性点不接地时，三相有一相接地，其他两相电压升高。外壳接地后，这种情况下保护电器就会动作，自动切断电源。 防雷和静电必须安接地装置。传雷电和静电入地。 电子设备中，接地是减小干扰和抑制“噪声”的有效方法。2.3 低压系统中的接地方式： 三相四线制：接地线PE和中性线N共用，成为PEN线；在老大楼、老厂房中多见。A B C N N用电设备外壳PENR0中线电阻D图3 三相四线制供电系统适用于三相负荷基本平衡的情况下。若三相负荷严重不平衡（工业上有许多单相负荷，如电焊机等），中性线上有较大的回路电流，会在中线电阻R0上形成一个压降。设备外壳虽然接PEN或D点，但D点对PEN接地点有一个不小的压降，因此实际上所有设备的外壳仍带有电，严重时会有“触电”事故发生。电子设备中均有交、直流电源的回路，信号输入和输出的回路，后者常处于杂散的电磁场内，因而受到干扰，因此接地是减小干扰和抑制“噪声”的有效方法。三相五线制：PE线和中性线N分别敷设，形成三相五线制，是目前强制执行的标准。A B C N N用电设备外壳PEN图4 三相五线制供电系统D宜用于三相负荷不平衡情况下，也就是通常情况下在PE线上不流过电流，所以负载的外壳接PE线上D点就不会带电压。因此比较安全。 户外三相四线制，户内三相五线制A B C N N用电设备外壳PEN图5 户外四线制，室内五线制PPE如图5中P点离变压器中心接地点不太远，P点的电位不会升高至危险电压，室内单独敷设PE线（黄绿线），供设备外壳接地用，这样外壳的电位即UP，在负载不对称的情况下，也不会使外壳带危险电压，这一方法是目前广泛采用于原有的三相四线系统中。所以变频器和电机等电气设备外壳的接地必须接PE，不能简单地接N线。希望变频器的PE端最好接PE线，或“专用接地线”，接地线使用2.5mm2以上铜导线。2.4 控制线屏蔽接地 通信线的屏蔽接地：上位机PC/PLC与变频器的RS232/RS485接口之间用屏蔽电缆连接。最容易犯“两端接地”的错误 。见图7上位VVVFPEAPEBR0图6 若上位机离变频器较远，两个PE点之间有电位差，若A、B端的屏蔽层接PE就会形成地回路，反而带来干扰。因为上位机侧的用户，一般没有专用接地端，而把电源插座的接地端当作“0”电位，实际上这是接N线的方式。因此，图中PEA和PEB是有电位差的，严重会引起干扰，甚至设备损坏。因此变频器的通信口信号 100KC时，不用平行电缆，而用屏蔽电缆或双绞线，选用B端接地为好。对于其他总线控制，高速通信，选用两点或多点接地为好。 传感器信号屏蔽接地问题各类传感器信号源都用屏蔽线，且屏蔽层在插头内部与外壳连接，而在变频器这一端又接PE端，若此时变频器与外设的接地不良，即RG和RE都大于标准要求或两者严重不相等，如图7所示情况下就会出现通过屏蔽层的电流IE，会造成两端PE的电位浮动而形成干扰。上位VVVFPEAPEBREIERG图7因此在用传感器的闭环控制系统中，特别是同步电机的位置检测和速度闭环、位置闭环系统中，一定要保证外设和变频器的可靠、独立的接地，或采用传感器外壳不接屏蔽层的传感器，而在变频器一端接地。 模拟信号屏蔽层接地实践证明双绞线（1m长度内50个绞最好），双绞屏蔽线对磁场的屏蔽效果最好。对于4-20mA和0-10V、1-5V的模拟信号控制变频调速系统，一定用双绞线或屏蔽电缆，并在控制装置一端接地。如为双屏蔽电缆，外层屏蔽两端接PE，内层屏蔽层载变频器端接系统的地线（com）。 在一个控制柜内变频器与其他附件 如滤波器，电抗器等采用公共母排的接地方式；对于大功率系统，变频器及外部设备不可能装在一个柜中，则要把它们各个单独可靠接地；对于同一柜内的强电、弱电部件以分区安装为宜，相互之间用铁板屏蔽。 如图8强电区拉手弱电区隔板拉手图8 强弱电分区的控制柜正门内装功率单元和器件，侧门内装弱电单元。这样可以强、弱电很好的屏蔽，而且又充分利用柜子的空间。整个柜体要良好接地。3变频器的外围设备RSTUVWVFDRBF1abcdeef图9 变频器的外围设备电动机L1L2 (a)空气开关，短路、欠压等保护，选择IK I变频(b)主接触器，隔离，防止断电后自行来电自起动，选择IC I变频(c)进线电抗器L1：电源容量比变频器容量大10倍以上时，加进线电抗器有限制di/dt和增加电源阻抗之效，也能改善进线电流波形，提高功率因数。且能保护二极管整流桥一般取（69V）压降/每相，IL1 = I变频 。因为电源变压器容量较大时，其输出阻抗较小，对单个变频器负载而言，可以认为电源的短路阻抗为0，必须增大电源的短路阻抗。一般选0.04U额定。对单台变频器而言，每相：所以，应选择每相（6V-9V）压降的三铁芯电抗器，额定电流30A 以15KW变频器为例， (d) 进线滤波器F1：减少传导干扰，无线电滤波，限制高次谐波对电网的影响。同时也限制电网原有谐波对变频器的影响。(e)噪声滤波器（无线电干扰滤波器），是一个闭合高频磁环，当三相带电流导线串心而过时，各高次谐波电流会在磁环中产生高频电流，消耗掉这部分能量就会减少高频辐射，减少对无线电及通讯的干扰（f）L2 出线电抗器，减少PWM输出谐波电流干扰，抑制电机的电磁噪音和脉动力矩。当变频器和电机之间距离在50m以上时，最好要加L2，有标准产品可选。注：照欧洲标准，主电路动力线都应用屏缆电线，且屏蔽层都应两端可靠接PE线排。4变频系统的电磁兼容（EMC）问题电磁兼容EMC是（Electromagnetic Compatibility）的缩写。由国际电工委员会（IEC）定义为“设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且也不对环境中的其他设备或系统产生不能承受的电磁干扰。”这就是说，设备要有强的抗干扰能力EMS（Electromagnetic Susceptibility），和弱的产生干扰的能力EMI（Electromagnetic interference）。因此要求电子设备或控制系统在实际工作环境中既不受外界电磁环境影响而产生控制性能恶化，甚至误动作，也不因自身的工作而影响临近的其他设备的正常工作。这就是“电磁兼容”的概念。因此EMC = EMS + EMI 抗干扰（强）生干扰（弱） 4.1干扰（噪声）产生的机理放电噪声：火花放电，静电放电（火花），持续放电，电晕电弧，雷电等。接触噪声：接触，冲击，振动等引起的接触电阻变化而引起的电流变化。 触点抖动，接触不良，电压波动，电容引起的电流振荡。过渡过程噪声：高速数字电路的通断形成尖峰电流，电动机的起制动电流和负载冲击电流，动力线路的合闸和分闸电流，雷电在线路上的感应电荷。电磁环境噪声：工业电流的高次谐波，高频信号源的发射（天线、雷达、数字脉冲信号等）4.2 噪声的传递 通过导线传导：通过电源线、信号线、控制线侵入设备的敏感区。 空间感应和辐射：通过电磁波、静电感应等方式耦合到设备。 通过大地和接地电路：在“地线”、“0线”上由干扰信号流产生噪声电压，从而耦合到敏感电路中去。4.3 抗干扰的基本措施 合理布线：主电路和控制电路分开走线，不平行，不捆扎，不在同一线槽内布线。变频器的电源线与电机侧出线要分开布线，不平行，不捆扎，尽量缩短信号线的长度和阻抗。信号线与带干扰线间隔30cm以上。 屏蔽措施：信号线，数据线用屏蔽线或双绞线（每米长度内打50个绞）甚至用双绞屏蔽线。柜体机壳金属屏蔽。 滤波：在控制电源回路中加隔离变压器，和滤波器，在信号回路中加滤波器，有必要时变频器的主回路中加进线电抗器和滤波器等。 电子线路设计和印刷电路板设计时就有EMC的考虑，在元件布局，线路走向，高低频分区布置，采用多层板缩短连线长度等措施，增加电子线路的抗干扰能力。如果造成“先天不足”，很难弥补。 良好的接地，包括建筑结构，箱体，电柜和各种电缆的外装皮。屏蔽层都需要良好接地，有“人身安全”、提供“0”电位、抗干扰信号接地等功能。 在电磁线圈（继电器，接触器，电磁伐的线圈）旁并联RC吸收电路，为线圈是直流的，可并联反向二极管吸收装置，注意二极管不能接反，建议在二极管回路中串100电阻，以防二极管反接或击穿造成的本机损坏。 进入PLC或电脑板的各种“开关信号”，因线路较长易引入干扰，所以建议经过中间继电器过渡。由装在附近的中间继电器触点再去控制PLC或电脑板，是一种有效的抗干扰措施。 防静电噪声：在纺织，化纤，造纸等应用场合，设备上有静电产生，要采取相应的措施消除静电，防止静电积累到一定程度而放电，造成干扰。4.4 变频控制柜常见安装不规范示例： 不用滤波器。 进线电缆（R.S.T），和出线电缆（U.V.W）捆扎在一起走线。 电力电缆，控制电缆及通讯电缆没有分别走线。 电控柜内布置很乱，没有适当的强电，弱电分区布置和屏蔽措施，柜体太挤，通风不良。 布线很乱，同一线槽走线，且不用应有的屏蔽措施和屏蔽线。 接触器和继电器的线圈都没装吸收装置。 接地不良，地线太细，接“地”接“中”相混，而且多点环形接地，形成地线干扰。 编码器的安装除了良好的“同心度”外，一定要用屏蔽电缆，甚至是“双绞”双层屏蔽电缆。这对sin/cos等低电平传感器尤其重要。在永磁同步电机的伺服控制系统中不可疏忽，马虎。参考文件：电子控制设备的抗干