变频调速系统的主要电磁干扰源及途径.doc

随着科学技术的高速发展，变频器以其具有节电、节能、可靠、高效的特性应用到了工业控制的各个领域中，保证了调节精度，减轻了工人的劳动强度，提高了经济效益，但随之也带来了一些干扰问题。现场的供电和用电设备会对变频器产生影响，变频器运行时产生的高次谐波也会干扰周围设备的运行。如果变频器的干扰问题解决不好，不但系统无法可靠运行，还会影响其他设备的正常工作。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。谐波和电磁辐射的危害 1)谐波使电网中的电器元件产生了附加的谐波损耗，降低了输变电及用电设备的效率。 2)谐波可以通过电网传导到其他的用电器，影响了许多电器设备的正常运行，比如谐波会使变压器产生机械振动，使其局部过热，绝缘老化，寿命缩短，以至于损坏;还有传导来的谐波会干扰电气设备的正常运行。 3)谐波会引起电网中局部的谐振，从而使谐波放大。 4)谐波或电磁辐射干扰会导致继电器保护装置的误动作，使电器仪表计量不准确，甚至无法正常工作。 5)电磁辐射干扰使经过变频器输出导线附近的控制信号、检测信号等弱电信号受干扰，严重时使系统无法得到正确的检测信号，或使控制系统紊乱。变频调速系统的主要电磁干扰源及途径 1.电磁干扰源 电磁干扰也称电磁骚扰(EMI)，是外部噪声和无用信号在接收中所造成的，通常是通过电路传导和以场的形式传播的。变频器的整流桥对电网来说是非线性负载，它所产生的谐波会对同一电网的其他电子、电气设备产生谐波干扰。另外，变频器的逆变器大多采用pwM技术，当其工作于开关模式并作高速切换时，产生大量耦合性噪声。因此，变频器对系统内其他的电子、电气设备来说是一个电磁干扰源。另一方面，电网中的谐波干扰主要通过变频器的供电电源干扰变频器。电网中存在大量谐波源，这些负荷都使电网中的电压、电流产生波形畸变，从而对电网中其他设备产生有危害的干扰。变频器的供电电源受到来自被污染的交流电网的干扰后，若不加以处理，电网噪声就会通过电网电源电路干扰变频器。供电电源对变频器的干扰主要有过压、欠压、瞬时掉电，浪涌、跌落，尖峰电压脉冲及射频干扰等。 2.电磁干扰的途径 变频器能产生功率较大的谐波，对系统其他设备干扰性较强。其干扰途径与一般电磁干扰途径是一致的，主要分空间辐射干扰即电磁辐射干扰、耦合干扰、电源干扰。具体为:电气、电子设备的高密度使用，使空间电磁波污染越来越严重，这些干扰源产生的辐射波频率范围广且无规律。空间辐射干扰以电磁感应的方式通过检测系统的壳体、导线等，造成对系统的干扰。静电耦合干扰是指电路之间的寄生电容使系统内某一电路信号变化影响其他电路，形成静电耦合干扰，只要电路中有尖峰信号相脉冲信号等频率高的信号存在，就有静电耦合干扰存在。传导耦合干扰即系统的信号在传输过程中容易出现延时、变形并接收干扰信号，形成传导耦合干扰，对周围的电子、电气设备产生电磁辐射;对直接驱动的电动机产生电磁噪声，使得电动机铁耗和铜耗增加，并传导干扰到电源，通过配电网络传导给系统其他设备;变频器对相邻的其他线路产生感应耦合，感应出干扰电压或电流。同样，系统内的干扰信号通过相同的途径干扰变频器的正常工作。变频系统一般由工业用电网络供电，工业系统中的某些大设备的起动、停机等，可能引起电源过压、欠压、浪涌、下陷及产生尖峰干扰，这些电压噪声均会通过电源内阻耦合到变频系统的电路,给系统造成极大的危害。减小变频器谐波影响的方法 1.增加交流/直流电抗器 安装电抗器实际是从外部增加变频器供电电源的阻抗，在变频器的交流侧或直流侧安装电抗器或同时安装，可抑制谐波电流。采用交流/直流电抗器后，如图1所示，进线电流的THDv(电压畸变率)大约降低30%50%。 2.多相脉冲整流 在条件具备，或者要求产生的谐波限制在比较小的情况下，可以采用多相整流的方法。12相脉冲整流THDv大约为10%15%,18相脉冲整流的THD v大约为30%-8%，满足EN6l000-3-12和lEEE519-1992严格标准的要求。缺点是需要专用变压器和整流器，不利于设备改造，价格较高。 3.无源滤波器 采用无源滤波器后，如图2所示，满载时进线中的THDv可降至5%10%,满足EN6l000312和lEEE519-1992的要求，技术成熟，价格适中。适用于所有负载下的THDv30%的情况，缺点是轻载时功率因数会降低。 4.输出电抗器 也可以采用在变频器到电动机之间增加交流电抗器的方法，如图3所示，主要目的是减少变频器的输出在能量传输过程中，线路产生的电磁辐射。该电抗器必须安装在距离变频器最近的地方，尽量缩短与变频器的引线距离。如果使用皑装电缆作为变频器与电动机的连线时，可不使用这方法，但要做到电缆的铠在变频器和电动机端可靠接地，而且接地的皑要原样不动接地，不能扭成绳或辫，不能用其他导线延长，变频器侧要接在变频器的地线端子上，再将变频器接地。 5.增加变频器供电电源内阻抗 通常情况下，电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用。这种内阻抗就是变压器的短路阻抗。电源容量相对变频器容量越小，内阻抗值相对越大，谐波含量越小;电源容量相对变频器容量越大，则内阻抗值相对越小，谐波含量越大。所以选择变频器供电电源变压器时，最好选择短路阻抗大的变压器。 6.调节变频器的载波比 提高变频器载波比，可有效抑制低次谐波。只要载波比足够大，较低次谐波就可以被有效地抑制，特别是参考波幅值与载波幅值小于1时，13次以下的奇数谐波不再出现。设备自身减弱谐波及干扰的方法 1.使用隔离变压器 使用隔离变压器主要是应对来自于电源的传导干扰，如图4所示。使用具有隔离层的隔离变压器，可以将绝大部分的传导干扰隔离在隔离变压器之前。同时还可以兼有电源电压变换的作用。隔离变压器常用于控制系统中的仪表、PLC，以及其他低压小功率用电设备的抗传导干扰。 2.使用滤波模块或组件 目前市场中有很多专门用于抗传导干扰的滤波器模块或组件，这些滤波器具有较强的抗干扰能力，同时还能防止用电器本身的干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能，对各类用电设备有很多好处。 常用双孔磁芯滤波器的结构如图5所示。还有单孔磁芯的滤波器，其滤波能力较双孔的弱些，但成本较低。 3.选用具有开关电源的仪表等低压设备 一般开关电源的抗电源传导干扰的能力都比较强，因为在开关电源的内部也都采用了如图5结构类似的滤波器。因此在选用控制系统的电源设备，或者选用控制用电器的时候，尽量采用具有开关电源类型的。 4.傲好信号线的抗干扰 信号线承担着检测信号和控制信号的传输任务，毋庸质疑，信号传输的质量直接影响到整个控制系统的准确性、稳定性和可靠性，因此做好信号线的抗干扰是十分必要的。 信号线上的干扰主要来自空间的电磁辐射，有差模干扰和共模干扰两种。 (1)差模干扰的抑制 差模干扰是指叠加在测量信号线上的干扰信号，这种干扰大多是频率较高的交变信号，其来源一般是藕合干扰。抑制差模干扰的方法有: 1)在输入回路接RC滤波器或双T滤波器。 2)尽量采用双积分式A/D转换器，由于这种积分器工作的特点，具有一定的消除高频干扰的作用。 3)将电压信号转换成电流信号再传输的方式，对于差模干扰有非常强的抑制作用。 (2)共模干扰的抑制 共模干扰是指信号线上共有的干扰信号，一般是由于被测信号的接地端与控制系统的接地端存在一定的电位差所致，这种干扰在两条信号线上的周期、幅值基本相等，所以采用上面的方法无法消除或抑制。对共模干扰的抑制方法如下: 1)采用双差分输入的差动放大器，这种放大器具有很高的共模抑制比。 2)把输入线绞合，绞合的双绞线能降低共模干扰，由于改变了导线电磁感应e的方向，从而使其感应互相抵消，如图6所示。 3)采用光电隔离的方法，可以消除共模干扰。 4)使用屏蔽线时，屏蔽层仅需一端接地。因为若两端接地，由于接地电位差在屏蔽层内会流过电流而产生干扰，因此只要一端接地即可防止干扰。 无论是为了抑制差模干扰还是共模干扰，都还应该做到以下几点: 1)输入线路要尽量短。 2)配线时避免和动力线接近，信号线与动力线分开配线，把信号线放在有屏蔽的金属管内，或者动力线和信号线分开距离要在4Ocm以上。 3)为了避免信号失真，对于较长距离传输的信号要注意阻抗匹配。 5.接地抗干扰 接地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