變頻器的干擾與使用

1、變頻器的干擾與使用摘 要:本文針對(duì)變頻器運(yùn)行過程中存在的諧波問題、負(fù)載匹配問題和發(fā)熱問題，系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并提出了相對(duì)應(yīng)的解決方案。 關(guān)鍵詞:變頻器 諧波 負(fù)載 發(fā)熱 注意事項(xiàng)1 變頻器自身產(chǎn)生的干擾 變頻器作為一種高效節(jié)能的電機(jī)調(diào)速裝置，因其較高的性能價(jià)格比，在工廠得到了越來越廣泛的應(yīng)用。眾所周知，變頻器是由整流電路、濾波電路、逆變電路組成。其中整流電路和逆變電路中均使用了半導(dǎo)體開關(guān)元件，在控制上則采用的是PWM控制方式，這就決定了變頻器的輸入、輸出電壓和電流除了基波之外，還含有許多的高次諧波成分。這些高次諧波成分將會(huì)引起電網(wǎng)電壓波形的畸變，產(chǎn)生無線電干擾電波，它們對(duì)周邊的設(shè)備（儀表）、包括

2、變頻器的驅(qū)動(dòng)對(duì)象-電動(dòng)機(jī)帶來不良的影響。（X電廠脫硫島內(nèi)變頻石膏泵對(duì)附近的吸收塔液位計(jì)造成讀數(shù)干擾，畫面液位值波動(dòng)；經(jīng)處理在該變頻器就地控制箱到DCS控制室控制屏蔽電纜外面加裝鍍鋅鋼管，此現(xiàn)象順利解決。） 變頻器能使輸入電源電壓產(chǎn)生高次諧波。同時(shí)，變頻器的輸出電壓和電流除了基波之外，還含有許多高次諧波的成分，它們將以各種方式把自己的能量傳播出去，這些高次諧波對(duì)周圍設(shè)備帶來不良的影響。其中，供電電源的畸變，使處于同一供電電源的其他設(shè)備出現(xiàn)誤動(dòng)作，過熱、噪聲和振動(dòng)；產(chǎn)生的無線干擾電波給變頻器周圍的熱控儀表產(chǎn)生干擾，造成測(cè)量不準(zhǔn)確；相關(guān)強(qiáng)弱電裝置帶來干擾，嚴(yán)重時(shí)不能正常工作；對(duì)變頻器的外部

3、控制信號(hào)產(chǎn)生干擾，這些控制信號(hào)受干擾后，就不能準(zhǔn)確、正常地控制變頻器運(yùn)行，使被變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生噪音，振動(dòng)和發(fā)熱現(xiàn)象。   1.1對(duì)接在同一電源設(shè)備帶來的干擾   當(dāng)變頻器的容量較大時(shí)，將使網(wǎng)絡(luò)電壓產(chǎn)生畸變，通過阻抗耦合或接地回路耦合將干擾傳入其它電路。消除或削弱對(duì)接在同一電源的設(shè)備帶來的干擾，可以將變頻器的輸入端串入交流電抗器，在變頻器的整流側(cè)插入直流電抗器。也可以在變頻器電源輸入端插入濾波器。 LC濾波器是被動(dòng)濾波器，它由電抗和電容組成對(duì)高次諧波的共振回路，從而達(dá)到吸收高次諧波的目的。有源濾波器的工作原理是：通過對(duì)電流中高次諧波進(jìn)行檢測(cè)

4、，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，輸入與高次諧波成分相位相反的電流來削弱高次諧波的目的。   1.2對(duì)于產(chǎn)生的無線電干擾波   目前，變頻器絕大部分是采用PWM控制方法。變頻器輸出信號(hào)是高頻的開關(guān)信號(hào)，在變頻器的輸出電壓、輸出電流中含有高次諧波，通過靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，產(chǎn)生無線電干擾波。這些干擾波有的通過電線傳導(dǎo)，有些輻射至空中的電磁波和電場(chǎng)直接輻射。而輻射場(chǎng)中的金屬物體還可能形成二次輻射。同樣，變頻器外部的輻射也會(huì)干擾變頻器的正常工作。   電線傳導(dǎo)的無線電干擾波的抑制，可以采用噪聲濾波變壓器，對(duì)高次諧波形成絕緣；插入電抗器，以提高對(duì)高次諧波成分的

5、阻抗，在變頻器的輸入端插入濾波器。   輻射無線電干擾波的抑制，較傳導(dǎo)無線電干擾波要困難一些。這種無線電干擾的大小，決定于安裝變頻器設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)，和電動(dòng)機(jī)電纜線長短等許多因素有關(guān)?？梢员M量縮短電動(dòng)機(jī)電線，電線采用雙絞措施，減少阻抗；輸入、輸出、控制線最好用屏蔽線，變頻器輸入、輸出線裝入鋼管屏蔽；將變頻器機(jī)殼良好地接；變頻器輸入、輸出端串接電抗器，插入濾波器。 1.3對(duì)于產(chǎn)生的噪聲干擾   由于變頻器采用了PWM 控制方式，變頻器的輸出電壓波形不是正弦波，通過電動(dòng)機(jī)的電流也難免含有許多諧波。變頻器輸出的諧波頻率與轉(zhuǎn)子固有頻率的共振，在

6、轉(zhuǎn)子固有頻率附近的噪聲增大，變頻器輸出的諧波分量使鐵心、機(jī)殼、軸架等諧波在其固有頻率附近的噪聲增大。因此，利用變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，電動(dòng)機(jī)繞組和鐵芯由于諧波的成分而產(chǎn)生噪聲。  通常，采用變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪音要比電網(wǎng)電源直接驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的噪音高出510dB。對(duì)于噪音的抑制可以采取的措施為:  1.3.1 選用以IGBT等為逆變模塊的載波頻率較高的低噪音變頻器。選用變頻器專用電動(dòng)機(jī)，在變頻器與電動(dòng)機(jī)之間串入電抗器，以減少PWM控制方式產(chǎn)生的高次諧波。  1.3.2 在變頻器與電動(dòng)機(jī)之間插入可以將輸出波形轉(zhuǎn)換成正弦波的濾波

7、器。   1.3.3 選用低噪音的電抗器。  1.4對(duì)于產(chǎn)生的振動(dòng)干擾   采用變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，同噪音相同的原因，會(huì)使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)。特別是較低階的高次諧波所產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，給電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出帶來較大的振動(dòng)。若機(jī)械系統(tǒng)與這種振動(dòng)發(fā)生共振時(shí)，其振動(dòng)就更為嚴(yán)重。（避開共振區(qū)）   通?？梢圆扇∫韵麓胧p小振動(dòng)：    強(qiáng)化機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛性，將剛性連接改為軟性連接。    在變頻器與電動(dòng)機(jī)之間串入電抗器   降低變頻器的輸出壓頻比

8、。    改變變頻器的載波頻率。   在變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速過程中，如果調(diào)速范圍較大時(shí)，應(yīng)先測(cè)到機(jī)械系統(tǒng)的共振頻率，然后利用變頻器的頻率跳躍功能，避開這些共振頻率。如果轉(zhuǎn)距有余量，可以將U/f給定小些。   1.5對(duì)于導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過熱和變頻器發(fā)熱 采用變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，由于高次諧波的原因，即使是對(duì)同一電動(dòng)機(jī)，在同一頻率下運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)也將增加5%10%的電流。電動(dòng)機(jī)溫度自然會(huì)提高。電動(dòng)機(jī)過熱的對(duì)策有以下幾種：    為電動(dòng)機(jī)另配冷卻風(fēng)扇，改自冷式為他冷式。增加低速運(yùn)行時(shí)的冷卻能

9、力。  實(shí)際電流超過電機(jī)電流，選用較大容量的電動(dòng)機(jī)。相關(guān)變頻器設(shè)置視情況調(diào)整。  改用變頻器專用電動(dòng)機(jī)。電機(jī)風(fēng)扇單獨(dú)一路電源。    改變調(diào)速方案，避免電動(dòng)機(jī)連續(xù)低速運(yùn)行。對(duì)于變頻器發(fā)熱是指變頻器在額定范圍之內(nèi)正常運(yùn)行的損耗。主要檢查變頻器冷卻風(fēng)扇工作是否正常。環(huán)境溫度是否太高、不利于散熱（室內(nèi)使用空調(diào)）。當(dāng)變頻器發(fā)生非正常運(yùn)行（如過流，過壓，過載等）產(chǎn)生的損耗必須通過正常的設(shè)計(jì)及選型來避免此類現(xiàn)象的發(fā)生。2外界對(duì)變頻器的干擾   供電電源對(duì)變頻器的干擾主要有過壓、欠壓、瞬時(shí)掉電；浪涌、跌落；尖峰電壓脈沖

10、；射頻干擾。電網(wǎng)電源內(nèi)有晶閘管整流設(shè)備工作時(shí)，會(huì)引導(dǎo)電源波形產(chǎn)生畸形。種種因素導(dǎo)致波形畸變的電網(wǎng)電源給變頻器供電時(shí)，又將對(duì)變頻器產(chǎn)生不良影響。變頻器的供電電源受到來自被污染的交流電網(wǎng)的諧波干擾后若不加處理，電網(wǎng)噪聲就會(huì)通過電網(wǎng)的電源電路干擾變頻器。變頻器的輸入電路側(cè)，是將交流電壓變成直流電壓。這就是常稱為"電網(wǎng)污染"的整流電路。由于這個(gè)直流電壓是在被濾波電容平滑之后輸出給后續(xù)電路的，電源供給變頻器的實(shí)際上是濾波電容的充電電流，這就使輸入電壓波形產(chǎn)生畸變。   2.1電網(wǎng)中存在各種整流設(shè)備、交直流互換設(shè)備、電子電壓調(diào)整設(shè)備，非線性負(fù)載及照明設(shè)備等大量諧波源

11、   電源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有這些負(fù)荷都使電網(wǎng)中的電壓、電流產(chǎn)生波形畸變，從而對(duì)電網(wǎng)中其它設(shè)備產(chǎn)生危害的干擾。例如：當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有較大容量的晶閘管換流設(shè)備時(shí)，因晶閘管總是在每相半周期內(nèi)的部分時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，故容易使網(wǎng)絡(luò)電壓出現(xiàn)凹口，波形嚴(yán)重失真。它使變頻器輸入側(cè)的整流電路有可能因出現(xiàn)較大的反向回復(fù)電壓而受到損害，從而導(dǎo)致輸入回路擊穿而燒毀。   2.2電力補(bǔ)償電容對(duì)變頻器的干擾   電力部門對(duì)用電單位的功率因數(shù)有一定的要求，為此，許多用戶都在變電所采用集中電容補(bǔ)償?shù)姆椒▉硖岣吖β室驍?shù)。在補(bǔ)償電容投入或切出的暫態(tài)過程中，網(wǎng)絡(luò)電壓有可能出現(xiàn)很高的峰值，其

12、結(jié)果是可能使變頻器的整流二極管因承受過高的反向電壓而擊穿。  2.3電源輻射傳播的干擾信號(hào)   電磁干擾(EMI)，是外部噪聲和無用信號(hào)在接收中所造成的電磁干擾，通常是通過電路傳導(dǎo)和以場(chǎng)的形式傳播的2即以電磁波方式向空中幅射，其輻射場(chǎng)強(qiáng)取決于干擾源的電流強(qiáng)度、裝置的等效輻射阻抗以及干擾源的發(fā)射頻率。   對(duì)于2.1、2.2兩項(xiàng)產(chǎn)生的干擾抑制可以在變頻器輸入電路中，串入交流電抗器，它對(duì)于基波頻率下的阻抗是微不足道的。但對(duì)于頻率較高的高頻干擾信號(hào)來說，呈現(xiàn)很高的阻抗，能有效地抑制干擾的作用。對(duì)于2.3項(xiàng)的干擾信號(hào)主要通過吸收方式來削弱。變頻器電源輸

13、入端，通常都加有吸收電容。也可以再加上專用的"無線電干擾濾器"，來進(jìn)一步削弱干擾信號(hào)。 3 負(fù)載匹配問題及其選型 變頻器類型的選擇要根據(jù)負(fù)載的要求進(jìn)行。對(duì)于風(fēng)機(jī)、泵類等平方轉(zhuǎn)矩，低速下負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，通?？蛇x擇普通功能型的變頻器。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩類負(fù)載或有較高靜態(tài)轉(zhuǎn)速精度要求的機(jī)械采用具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型變頻器則是比較理想的。因?yàn)檫@種變頻器低速轉(zhuǎn)矩大，靜態(tài)機(jī)械特性硬度大，不怕負(fù)載沖擊，具有挖土機(jī)特性。為了實(shí)現(xiàn)大調(diào)速比的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，常采用加大變頻器容量的辦法。對(duì)于要求精度高、動(dòng)態(tài)性能好、響應(yīng)快的生產(chǎn)機(jī)械（如造紙機(jī)械、軋鋼機(jī)等），應(yīng)采用矢量控制高功能型通用變頻器。大多數(shù)變頻器容量

14、可從三個(gè)角度表述：額定電流、可用電動(dòng)機(jī)功率和額定容量。其中后兩項(xiàng)，變頻器生產(chǎn)廠家由本國或本公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達(dá)變頻器的能力。選擇變頻器時(shí)，只有變頻器的額定電流是一個(gè)反映半導(dǎo)體變頻裝置負(fù)載能力的關(guān)鍵量。負(fù)載電流不超過變頻器額定電流是選擇變頻器容量的基本原則。需要著重指出的是，確定變頻器容量前應(yīng)仔細(xì)了解設(shè)備的工藝情況及電動(dòng)機(jī)參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的額定電流要大于普通籠形異步電動(dòng)機(jī)額定電流，冶金工業(yè)常用的電動(dòng)機(jī)不僅額定電流大很多，同時(shí)它允許短時(shí)處于堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，且傳動(dòng)大多是多電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。應(yīng)保證在無故障狀態(tài)下負(fù)載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。選擇的變頻器容量應(yīng)比變頻器說明書中的“配用電動(dòng)機(jī)容量”大一擋至二擋 。IN>IMmax式中，IN為變頻器的額定電流；IMmax為電動(dòng)機(jī)的最大工作電流。4 注意事項(xiàng)：4.1選擇變頻器時(shí)應(yīng)以實(shí)際電機(jī)電流值作為變頻器選擇的依據(jù)，電機(jī)的額定功率只能作為參考。4.2當(dāng)變頻器用于控制并聯(lián)的幾臺(tái)電機(jī)時(shí)，一定要考慮變頻器到電動(dòng)機(jī)的電纜的長度總和在變頻器的容許范圍內(nèi)。如果超過規(guī)定值，要放大一檔或兩檔來選擇變頻器。4.3