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变频器在电气控制柜中干扰问题要如何解决?

  在各种工业控制系统中,随着变频器(以下简称-VFD)等电力电子设备的广泛使用,系统的电磁干扰越来越严重,相应的抗干扰设计技术(即与EMC的电磁兼容性)变得越来越重要。有时VFD的系统干扰会直接损坏系统的硬件。有时,虽然系统的硬件不能损坏,但微处理器的系统程序往往失控,导致控制故障,导致设备和生产事故。因此,如何提高系统的抗干扰能力和可靠性是自动化设备开发和应用中不可忽视的重要组成部分,也是计算机控制技术应用和推广的关键之一。说到VFD的抗干扰问题,首先了解干扰的来源和传播方式,然后采取不同的措施。
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  一、VFD干扰源

  首先是来自外部电网的干扰。电网中的谐波干扰主要是VFDVFD的电源干扰造成的。电网中存在大量的谐波源,如各种整流装置、交流/DC交换装置、电子调压装置、非线性负载和照明装置等。所有这些负载都会造成电网中电压和电流的波形失真,从而对电网中的其他设备造成有害干扰。如果VFD的电源受到被污染的交流电网的干扰,电网噪声就会受到电网VFD的电源电路的干扰。电源干扰对VFD主要包括(1)过压、欠压、瞬时断电(2)浪涌和骤降(3)峰值电压脉冲(4)射频干扰。

  1.晶闸管变流设备对VFD的干扰

  当供电网络中有大容量的晶闸管变流器时,由于晶闸管总是在每相半周的部分时间内导通,很容易使网络电压陷波,波形严重畸变。可能会因为反向恢复电压大而损坏VFD输入侧的整流电路,导致输入电路击穿烧坏。

  2.功率补偿电容对VFD的干扰

  电力部门对用电设备的功率因数有一定的要求。因此,许多用户在变电站采用集中电容补偿来提高功率因数。在开通或关断补偿电容的瞬态过程中,电网电压可能出现高峰值,因此VFD的整流二极管可能因反向电压过大而击穿。

  其次,VFD对外界的自我干扰。VFD的整流桥对于电网来说是非线性负载,其产生的谐波会对同一电网中的其他电子电气设备造成谐波干扰。另外,VFD的逆变器大多采用PWM技术,工作在开关模式和高速开关时会产生大量的耦合噪声。因此VFD是系统中其他电子电气设备的电磁干扰源。

  VFD的输入和输出电流包含许多高次谐波成分。除了可以构成电源无功损耗的较低次谐波外,还有很多高频率的谐波成分。它们会以各种方式传播自己的能量,对VFD自身和其他设备形成干扰信号。

  (1)输入电流VFD的波形的输入端是一个二极管整流器和电容滤波电路。显然,只有当电源的线电压UL大于电容器两端的DC电压UD时,整流桥中才会有充电电流。因此,充电电流总是以不连续冲击波的形式出现在电源电压的幅度附近。它有很强的谐波成分。相关数据显示,输入电流的5次和7次谐波分量最大,分别为50HZ基波的80%和70%。

  (2)输出电压和电流的波形对于大多数VFD逆变桥都是SPWM调制,输出电压是一系列占空比分布为正弦的矩形波形;由于电机定子绕组的电感性,定子电流非常接近正弦波。但是等于载波频率的谐波分量仍然很大。

  二、干扰信号的传播方式

  VFD会产生大功率谐波。由于其功率较大,对系统中的其他设备有较强的干扰,其干扰方式与一般电磁干扰相同,主要有传导(即电路耦合)、电磁辐射和电感耦合。具体来说,首先是对周围的电子电气设备产生电磁辐射;其次,对直驱电机产生电磁噪声,增加了电机的铁损和铜损;并通过配电网对系统的电源和其他设备进行干扰;最后,VFD感应耦合到其他相邻线路,感应干扰电压或电流。同样,系统中的干扰信号也通过同样的方式干扰VFD的正常工作。

  (1)电路耦合模式通过电力网络传播。由于输入电流为非正弦波,当VFD容量较大时,网络电压会发生畸变,影响其他设备工作人员的工作。同时,输出端产生的传导干扰会大大增加直驱电机的铜损和铁损,影响电机的运行特性。显然,这是VFD输入电流干扰信号的主要传播方式。

  (2)电感耦合方式当VFD的输入电路或输出电路靠近其他器件的电路时,VFD的高次谐波信号会以电感方式耦合到其他器件。归纳有两种方式:

  a、电磁感应,这是电流干扰信号的主要方式;

  静电感应,这是电压干扰信号的主要方式。

  (3)空气辐射是指通过电磁波辐射到空气中,是高频谐波分量的主要传播方式。

  三.变频调速系统的抗干扰对策

  根据电磁学的基本原理,电磁干扰(EMI)的形成必须具备三个要素:电磁干扰源、电磁干扰通道和对电磁干扰敏感的系统。为了防止干扰,可以采用硬件抗干扰和软件抗干扰。其中,硬件抗干扰是应用措施系统最基本、最重要的抗干扰措施。一般从抗干扰和反干扰两方面抑制干扰。总的原则是抑制和消除干扰源,切断干扰对系统的耦合通道,降低系统干扰信号的灵敏度。工程上可以采取隔离、滤波、屏蔽、接地等具体措施。

  1、所谓干扰隔离,是指将干扰源和易损部件从电路中隔离出来,使它们不发生电气接触。在变频调速系统中,电源与放大电路之间的电力线上通常采用隔离变压器,以避免传导干扰,电源隔离变压器可采用噪声隔离变压器。

  2.在系统电路中设置滤波器的目的是为了抑制VFD通过电力线对供电从电机的干扰信号。为了降低电磁噪声和损耗,可以在VFD的输出端设置一个输出滤波器。为了降低对电源的干扰,可以在VFD的输入端设置一个输入滤波器。如果线路中有敏感的电子设备,可以在电源线上设置电源噪声滤波器,以避免传导干扰。在VFD的输入输出电路中,除了上面提到的低次谐波成分外,还有很多高频率的谐波电流,它们会以各种方式传播自身的能量,对其他器件形成干扰信号。滤波器是削弱较高频率谐波成分的主要手段。根据使用位置的不同,可分为:

  (1)通常有两种输入滤波器:

  a、线路滤波器主要由电感线圈组成。它通过增加高频时线路的阻抗来削弱较高频率的谐波电流。

  b、辐射滤波器主要由高频电容组成。它会吸收高频和辐射能的谐波成分。

  (2)输出滤波器也由电感线圈组成。能有效削弱输出电流中的高次谐波成分。它不仅起到抗干扰的作用,还能削弱电机中高次谐波电流引起的附加转矩。对于VFD输出的抗干扰措施,必须注意以下几个方面:

  a、不允许在VFD的输出端接电容,以免逆变管导通(关断)瞬间出现峰值较大的充电(或放电)电流,损坏逆变管;

  b.当输出滤波器由LC电路组成时,滤波器连接到电容器的一侧必须连接到电机侧。

  3.屏蔽干扰源是抑制干扰最有效的方法。通常VFD本身用铁壳屏蔽,防止电磁干扰泄漏;输出线要用钢管屏蔽,特别是用外部信号VFD控制时,信号线尽量短(一般在20m以内),信号线要用双芯屏蔽,与主电路线(AC380V)和控制线(AC220V)完全分开,不得放在同一配管或线槽内,周围的电子敏感设备线也要屏蔽。为了使屏蔽有效,屏蔽必须可靠地接地。

  4.适当的接地不仅可以使系统有效抑制外界干扰,还可以减少设备本身对外界的干扰。在实际应用系统中,由于系统电源的零线(中性线)、地线(保护接地和系统接地)和控制系统的屏蔽地(控制信号的屏蔽地和主电路导体的屏蔽地)的混乱连接,大大降低了系统的稳定性和可靠性。

  对于VFD,主电路端子PE(E,G)的正确接地是提高VFD噪声抑制能力,降低VFD干扰的重要手段,在实际应用中必须高度重视。VFD接地导体的截面积一般不应小于2.5mm2,长度应控制在20m以内。建议VFD的接地与其他电源设备的接地点分开,不能一起接地。

  5.使用反应器

  低频谐波分量(5次谐波、7次谐波、11次谐波、13次谐波等。)在VFD的输入电流中占比很高。它们不仅可能干扰其他设备的正常运行,而且由于消耗大量的无功功率,会大大降低线路的功率因数。在输入回路中串联电抗器是抑制低次谐波电流的有效方法。根据接线位置的不同,主要有以下两种:

  (1)交流电抗器串联在电源和VFD的输入侧之间。其主要职能是:

  a.通过抑制谐波电流将功率因数提高到(0.75-0.85);

  b、削弱输入电路中浪涌电流对VFD的影响;

  c、削弱电源电压不平衡的影响。

  (2)DC电抗器串联在整流桥和滤波电容器之间。它的作用比较简单,就是削弱输入电流中的高次谐波成分。但在提高功率因数方面比交流电抗器更有效,可达0.95,且具有结构简单、体积小的优点。

  6.合理布线

  通过感应传播的干扰信号可以通过合理布线来减弱。具体方法如下:

  (1)设备的电源和信号线应远离VFD的输入输出线;

  (2)其他设备的电源线和信号线应避免与VFD的输入输出线平行;

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