變頻器對電氣設(shè)備的危害和防范措施

變頻器對電氣設(shè)備的危害和防范措施張宏（大慶鉆探工程公司鉆井四公司，吉林松原138000）0引言變頻器在實際工作過程中，因為電路中電壓、電流的脈沖和高頻振蕩的諧波能夠產(chǎn)生電磁干擾，導(dǎo)致變頻器成為非常強的電磁干擾源，能夠以輻射和傳導(dǎo)等方式對電子電氣設(shè)備造成強烈干擾，嚴重影響設(shè)備的穩(wěn)定正常運行，而且極有可能導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)損壞。隨著自動化程度不斷提高，相應(yīng)的電子電氣設(shè)備在復(fù)雜程度和密集度方面也在不斷提升，電磁干擾的危害逐漸加劇。在這種情況下，有必要對變頻器產(chǎn)生的危害做出分析，并合理借助相應(yīng)措施進行防范。1變頻器概述1概念分析變頻器是借助變頻技術(shù)和微電子技術(shù)，有效改變電機工作過程中的電源頻率，達到合理控制交流電機的一種電力控制設(shè)備，一般由整流單元、濾波單元、逆變單元、控制單元、驅(qū)動單元、檢測單元、微處理單元等部分組成。在實際運行過程中，靠內(nèi)部的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的開斷來有效調(diào)整實際輸出電源的具體電壓和頻率，結(jié)合電機的實際需求，合理有效地提供所需要的電源電壓，達到節(jié)能和調(diào)速的目的。變頻器還具備一系列保護功能，如過載保護、過壓保護和過流保護等。近幾年在工業(yè)自動化水平持續(xù)提高的背景下，變頻器得到較為廣泛的應(yīng)用，逐漸成為工業(yè)領(lǐng)域不可或缺的一項設(shè)備［1］。1.2工作原理分析現(xiàn)階段較為常用的變頻器一般都是“交一直一交”型變頻器，主要包括整流單元、儲能元件、逆變單元和控制單元等。實際工作原理為:借助整流單元將工作頻率固定的交流工頻電源轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娫矗瑢㈦娔艽鎯υ谧冾l器的儲能元件中，借助逆變單元中的電子開關(guān)將相應(yīng)的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌l率、寬度和幅度的方波，控制單元依照設(shè)定好的程序，對輸出方波的脈寬和幅度等進行控制，疊加成滿足需要的一種頻率比較接近正弦波的交流電，從而驅(qū)動交流電機，并且能夠?qū)﹄姍C電流和電壓等方面做出有效的電氣保護［2］。2變頻器對電氣設(shè)備的危害1對電網(wǎng)和電站的危害(1)變頻器產(chǎn)生的電磁干擾能夠從輸入端電源線有效反饋傳導(dǎo)出去,從而對電網(wǎng)產(chǎn)生較為嚴重的污染問題，容易使供電效率持續(xù)下降，影響供電質(zhì)量，也可以導(dǎo)致繼電保護裝置由于受到干擾而逐漸失去作用［3］o(2)高次諧波電流能夠在線路阻抗中逐漸形成諧波壓降，產(chǎn)生有功和無功損耗，情形嚴重時甚至能夠?qū)е码娏ο到y(tǒng)出現(xiàn)電壓諧振，同時在線路中引發(fā)過電壓問題，非常有可能擊穿電纜、導(dǎo)線和設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)，容易燒毀電氣設(shè)備的供電設(shè)施，最終引發(fā)火災(zāi)。(3)電站有時會借助電容器來補償由感性負載引發(fā)的功率因數(shù)下降,來提高發(fā)電機容量實際利用率和減少線路損耗。但是高頻電磁干擾實際上對電容器產(chǎn)生的影響最為明顯，因為電容對其呈現(xiàn)出低阻的同時對其提供了通路，所以能夠使各諧波和基波電流出現(xiàn)疊加問題，導(dǎo)致通過電容的實際總電流不斷增加。一個持續(xù)的過渡能促使電容器溫度不斷提升，從而影響其使用壽命。如果情況嚴重還能夠損壞電容器，甚至引發(fā)爆炸。電容器本身的容性阻抗和系統(tǒng)感性阻抗非常有可能在諧波頻率附近出現(xiàn)諧振問題，導(dǎo)致系統(tǒng)諧波含量快速增加，最終使系統(tǒng)難以運轉(zhuǎn)。對電機的危害電機屬于電力系統(tǒng)的主要負載，變頻器出現(xiàn)的高頻電磁干擾，能夠促使雜散電容和電感受激勵產(chǎn)生減幅振蕩，導(dǎo)致傳送到電機輸入端的實際驅(qū)動電壓出現(xiàn)過沖問題。因為電機繞組中也有雜散電容，過沖電壓在繞組中出現(xiàn)尖峰電流，一旦繞組絕緣層存在不均勻部位，便容易引起過熱問題，導(dǎo)致電機溫度持續(xù)上升，不但影響電機的穩(wěn)定性和可靠性，還能夠燒毀電機繞組的絕緣層，縮短電機使用壽命或直接燒毀電機。高頻電壓振蕩還能夠在電機的鐵芯疊片內(nèi)部有效激勵渦流引發(fā)熱損耗，也能促使電機的銅繞組產(chǎn)生更多的電能消耗，實際效率逐漸降低。如果高頻振蕩頻率與一些電機零部件的固有振動頻率十分接近時,可誘導(dǎo)其出現(xiàn)機械共振問題和噪聲問題。對設(shè)備的危害交流裝置屬于電力系統(tǒng)應(yīng)用相對廣泛的一種設(shè)備，例如冰庫制冷和鍋爐系統(tǒng)中一般都含有交流裝置。如果采用直流電源，通常需要借助帶有晶閘管的交流裝置，變頻器產(chǎn)生的電磁干擾能夠?qū)е律鲜鲈O(shè)備的控制信號和幅頻出現(xiàn)畸變問題，控制角出現(xiàn)位移，可以引起自動檢測、控制系統(tǒng)中出現(xiàn)誤差或誤動作，電流或電壓的實際變化值過高，出現(xiàn)過熱效應(yīng)，從而導(dǎo)致晶閘管故障或損壞，情形嚴重的還能夠?qū)е陆涣餮b置直接失靈。3變頻器電磁干擾防范策略變頻器能夠?qū)Ω鞣N電氣設(shè)備造成不同程度的危害，所以在實際應(yīng)用過程中，需要充分明確電磁干擾的實質(zhì)采取針對性的技術(shù)措施，來降低甚至消除這些危害，確保變頻器自身的價值和作用充分發(fā)揮出來。電磁干擾實質(zhì)上屬于噪聲干擾，是電路中除了必要信號之外的任何一種或多種電氣信號和能量。而想要形成干擾，需要具備噪聲源、噪聲傳導(dǎo)路徑和感受體3個條件。這3個條件缺一不可，所以對于電磁干擾的防范可以從這3點入手。合理運用減少或抑制噪聲的措施(1)做好變頻器的屏蔽工作。屏蔽設(shè)備能夠有效防止系統(tǒng)不斷地向外輻射電磁波，對變頻器實施合理有效的屏蔽屬于至關(guān)重要的措施。為確保取得良好屏蔽效果，所用的屏蔽機箱一般采用良導(dǎo)體，如純鋁和紫銅等。借助整版或一次鑄造成型的整體機箱，盡可能減少接縫,并保證連續(xù)光滑，這樣可以避免有縫隙不斷地向外輻射電磁波［4］。(2)注重從輸入端和輸出端來減少或抑制噪聲。如果電網(wǎng)電壓不對稱問題較為嚴重，或變頻器連接的某個電源存在功率較大的晶閘管變流器負載時，工作人員可以在電源和變頻器之間加接電抗器。電抗器的作用主要是阻遏浪涌電壓，削弱三相電壓不平衡時對變頻器造成的不良影響，并且能夠削弱輸入電流的高次諧波分量，顯著提高功率因數(shù)，減輕變頻器對電網(wǎng)的污染。也可以在變頻器和電機之間加接電抗器，削弱變頻器輸出的高次諧波，減少電機的轉(zhuǎn)矩脈動，防止電機由于長期承受PWM（脈沖寬度調(diào)制）斬波浪涌沖擊而出現(xiàn)絕緣等級下降的問題。在傳導(dǎo)路徑上對噪聲信號進行抑制通常情況下，變頻器最嚴重的干擾一般屬于沿導(dǎo)線傳輸?shù)膫鲗?dǎo)性干擾,最典型也是危害最大的便是噪聲沿電源端竄入，對電路產(chǎn)生直接影響。為了抑制PWM調(diào)制引發(fā)的干擾信號的傳導(dǎo)性傳播，應(yīng)該在變頻器的輸入和輸出端開展濾波工作。一般可以借助電源濾波器來阻止干擾信號沿電源線傳播，使干擾被反射回干擾源。合理安裝電源濾波器，可以有效切斷電磁干擾通過電源線傳導(dǎo)的途徑。為了提升濾波效果，濾波器與變頻器安裝在同一塊底板中，保證兩者的連接對高頻信號呈現(xiàn)出一定的低阻特性。必要情況下，盡可能讓濾波器與變頻器的電機驅(qū)動器保持最近的連接距離［5］。以浙江桐鄉(xiāng)某紡織廠的POY直紡設(shè)備為例，由于熔體壓力信號遭受干擾，測量值產(chǎn)生波動引發(fā)控制系統(tǒng)時常發(fā)出壓力高和壓力低報警。在干擾過于嚴重的情況下，控制系統(tǒng)會誤認為壓力過低，從而出現(xiàn)自動停機問題，導(dǎo)致原料和電能都產(chǎn)生了較大的損失。通過檢查發(fā)現(xiàn)，是變頻器產(chǎn)生的電磁噪聲順著動力電路進入到了供電系統(tǒng)，借助儀表的供電電源再次進入到了閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而干擾了壓力信號。為解決這一問題，先選用一臺專用電源濾波器，發(fā)現(xiàn)雖然可以減小干擾但無法完全消除；最后選用加裝了變頻器輸入濾波器，從源頭控制傳播，該問題徹底消失。盡可能降低電氣設(shè)備的感受能力科學(xué)合理地布局各類設(shè)備可以降低設(shè)備對噪聲的感受力，在電路中將電氣特性相同或是相近的電路和信號盡可能地集中，特性存在差異的需要相對隔開。做分開布局的包括：輸入信號和輸出信號，強電信號和弱電信號，模擬信號和數(shù)字信號，高速元件和低速元件。還可以依照電路性質(zhì)的差異，如高噪聲電路和低能量信號電路等，先分別單點接地，后再將各個接地點有效地連接到同一個接地點，便可以顯著提高各類電氣設(shè)備的實際抗干擾能力。以杭州蕭山某紡織廠FDY設(shè)備實際調(diào)試過程為例，溫控表的升溫顯示非常慢，但實測加熱器溫度早已超出了設(shè)定值，險些導(dǎo)致設(shè)備損壞。檢查發(fā)現(xiàn)溫度傳感器的信號線，在布線橋架中與變頻器輸出線的距離較近，變頻器停止工作時溫度信號可以接近實測值，表明溫控表受到了變頻器電磁干擾。排查發(fā)現(xiàn)信號線屏蔽層未能可靠接地，