变频器中的干扰和抑制

变频器中的干扰和抑制（共3篇）

变频器中的干扰和抑制 篇1

0 引言

变频器调速技术是集自动控制、微电子、电力电子、通信等技术于一体的高科技技术。它以优良的调速性能和节能性能在煤矿提升运输系统中获得了广泛的应用。由于其采用软启动, 可以减少设备和电机的机械冲击, 延长设备和电机的使用寿命, 保证了调控精度, 但随之也带来了一些电磁干扰问题。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。变频器在矿井中产生的电磁干扰主要影响有3个方面: (1) 对煤矿安全监测监控系统电子设备及传感器的干扰; (2) 对通信设备的干扰; (3) 对无线电等设备的干扰。对安全监测监控计算机和自动控制装置等电子设备产生影响的干扰主要是感应干扰;对通信设备和无线电等产生影响的干扰为辐射干扰。如果变频器的干扰问题解决不好, 不但变频器系统无法可靠运行, 还会影响其它电子、电气设备的正常工作。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。

1 变频调速系统的主要电磁干扰源及途径

1.1 电磁干扰源

电磁干扰也称电磁骚扰 (EMI) , 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它电子、电气设备产生干扰。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, 会产生大量的耦合性噪声。因此, 变频器对系统内其它的电子、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。由于在电网中存在大量谐波源, 如各种整流设备、交直流互换设备、电子电压调整设备、非线性负载及照明设备等, 这些负荷都使电网中的电压、电流产生波形畸变, 从而对电网中其它设备产生有害的干扰。如果变频器的供电电源受到来自被污染的交流电网, 若不加以处理, 电网噪声就会通过电网电源干扰变频器。而变频器对供电电源的干扰现象主要有过压、欠压、瞬时掉电、浪涌、跌落、尖峰电压脉冲、射频干扰等。其次, 共模干扰通过变频器的控制信号线也会干扰变频器的正常工作。

1.2 电磁干扰传播的途径

变频器能产生功率很大的谐波, 对系统其它设备干扰性较强。其干扰途径与一般电磁干扰途径是一致的, 主要分电磁辐射、传导、感应耦合: (1) 对周围的电子、电气设备产生电磁辐射; (2) 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, 并将干扰传导到电源, 通过配电网络传导给系统其它设备; (3) 变频器对相邻的其它线路产生感应耦合, 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。下面分别加以分析。

(1) 电磁辐射

变频器如果不是处在一个全封闭的金属外壳内, 它就可以通过空间向外辐射电磁波。其辐射场强取决于干扰源的电流强度、装置的等效辐射阻抗以及干扰源的发射频率。变频器的整流桥对电网来说是非线性负载, 它所产生的谐波对接入同一电网的其它电子、电气设备产生谐波干扰。变频器的逆变桥大多采用PWM技术, 当根据给定频率和幅值指令产生预期的和重复的开关模式时, 其输出的电压和电流的功率谱是离散的, 并且带有与开关频率相应的高次谐波群, 高载波频率和场控开关器件的高速切换 (dv/dt可达1 kV/μs以上) 所引起的辐射干扰问题相当突出。当变频器的金属外壳带有缝隙或孔洞, 则辐射强度与干扰信号的波长有关, 当孔洞的大小与电磁波的波长接近时, 会形成干扰辐射源向四周辐射。而辐射场中的金属物体还可能形成二次辐射。同样, 变频器外部的辐射也会干扰变频器的正常工作。

(2) 传导

电磁干扰除了通过与其相连的导线向外部发射外, 也可以通过阻抗耦合或接地回路耦合将干扰带入其它电路。与辐射干扰相比, 传导干扰传播的路程可以很远。比较典型的传播途径:接自矿井供电低压网络的变频器所产生的干扰信号将沿着矿井配电变压器进入中压网络, 并沿着其它的配电变压器最终又进入民用低压配电网络, 使接自民用配电母线的电气设备成为远程的受害者。

(3) 感应耦合

感应耦合是介于辐射与传导之间的第三条传播干扰的途径。当干扰源的频率较低时, 干扰的电磁波辐射能力相当有限, 而该干扰源又不直接与其它导体连接, 但此时的电磁干扰能量可以通过变频器的输入、输出导线与其相邻的其它导线或导体产生感应耦合, 在邻近导线或导体内感应出干扰电流或电压。感应耦合可以导体间的电容耦合的形式出现, 也可以电感耦合的形式或电容、电感混合的形式出现, 这与干扰源的频率以及与相邻导体的距离等因素有关。

2 抗电磁干扰的措施

根据电磁特性的基本原理, 形成电磁干扰须具备电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统等3个要素。为防止干扰, 可采用硬件和软件的抗干扰措施。其中, 硬件抗干扰是最基本和最重要的抗干扰措施, 一般从抗和防2个方面入手来抑制干扰, 其总原则是抑制和消除干扰源、切断干扰对系统的耦合通道、降低系统对干扰信号的敏感性。具体措施是在煤矿井下采用隔离、滤波、屏蔽、接地等方法。

(1) 隔离

所谓隔离是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来, 使它们不发生电的联系。在提升机变频调速传动系统中, 通常是在电源和放大器电路之间的电源线上采用隔离变压器以免传导干扰, 电源隔离变压器可采用噪声隔离变压器。

(2) 滤波

设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电源及电动机。为减少电磁噪声和损耗, 在变频器输出侧可设置输出滤波器。为减少对电源的干扰, 可在变频器输入侧设置输入滤波器。若线路中有敏感电子设备, 可在电源线上设置电源噪声滤波器。

(3) 屏蔽

屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。通常变频器本身用金属壳屏蔽, 不让其电磁干扰泄漏。输出线最好用钢管屏蔽, 特别是以外部信号控制变频器时, 要求信号线尽可能地短, 且信号线采用双芯屏蔽, 并与主电路及控制回路完全分离, 不能放于同一配管或线槽内, 周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效, 屏蔽罩必须可靠接地。

(4) 接地

接地往往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噪声的耦合, 防止外部干扰的侵入, 提高系统的抗干扰能力。变频器的接地方式有多点接地、单点接地、经母线接地等几种形式, 要根据具体情况采用, 注意不要因为接地不良而对设备产生干扰。单点接地是指在1个电路或装置中, 只有1个物理点定义为接地点, 在低频下的性能较好;多点接地是指装置中的各个接地点都直接接到距它最近的接地点, 在高频下的性能较好;混合接地是根据信号频率和接地线长度, 系统采用单点接地和多点接地共用的方式。变频器本身有专用接地端子PE端, 从安全和降低噪声的需要出发, 必须接地。既不能将地线接在电器设备的外壳上, 更不能接在零线上。可用较粗的短线一端接到接地端子PE端, 另一端与接地极相连, 接地电阻取值应符合《煤矿安全规程》规定, 并注意合理选择接地极的位置。当系统的抗干扰能力要求较高时, 为减少对电源的干扰, 在电源输入端可加装电源滤波器。为抑制变频器输入侧的谐波电流, 改善功率因数, 可在变频器输入端加装交流电抗器。为改善变频器输出电流, 减少电动机噪声, 可在变频器输出端加装交流电抗器。以上抗干扰措施可根据系统的抗干扰要求合理地选择使用。若系统中含控制单元如微机等, 还须在软件上采取抗干扰措施。

(5) 正确安装

由于变频器属于精密的功率电力电子产品, 其现场安装工艺的好坏也影响着变频器的正常工作。正确的安装可以确保变频器安全和无故障地运行。变频器对安装环境要求较高, 一般变频器使用手册规定温度范围为最低温度不超过-10 ℃, 最高温度不超过50 ℃;变频器安装的海拔高度应小于1 000 m, 超过该规定应降容使用;变频器不能安装在经常发生振动的地方, 对振动冲击较大的场合, 应采用加橡胶垫等防振措施;变频器不能安装在电磁干扰源附近;变频器不能安装在有灰尘、腐蚀性气体等空气污染的环境;应尽量采用密封柜式结构, 并且要确保变频器通风畅通, 确保控制柜有足够的冷却风量, 其典型的损耗数一般按变频器功率的3%来计算柜中允许的温升值。安装工艺要求如下:

① 确保控制柜中的所有设备接地良好, 应该使用短、粗的接地线, 连接主接地极的接地母线应符合《煤矿安全规程》第486条规定, 其接地电阻应小于2 Ω。另外与变频器相连的控制设备 (如PLC或PID控制仪) 要与其共地。

② 安装布线时将电源线和控制电缆分开, 例如使用独立的线槽等。如果控制电路连接线必须和电源电缆交叉, 应成90°交叉布线。

③ 使用屏蔽导线或双绞线连接控制电路时, 确保未屏蔽之处尽可能地短, 条件允许时应采用电缆套管。

④ 控制柜中的接触器应尽可能地使用真空触头, 交流接触器采用R-C抑制器, 也可采用压敏电阻抑制器, 如果接触器是通过变频器的继电器控制的, 这一点特别重要。

(5) 用屏蔽和铠装电缆作为电机接线时, 要将屏蔽层双端接地。

(6) 如果变频器运行在对噪声敏感的环境中, 可以采用RFI滤波器减小来自变频器的传导和辐射干扰。为达到最优效果, 滤波器与安装金属板之间应有良好的导电性。

3结语

本文对变频器运行过程中存在的电磁干扰及其传播途径、所产生的影响进行了分析, 提出了解决这些问题的实际方法。随着新技术和新理论不断在变频器上的应用, 变频器应用中存在的这些问题有望通过变频器本身的功能和补偿来解决。

变频器的干扰来源与抑制技术分析 篇2

在很多工业控制系统里,随着变频器以及其他电子设备的应用,对控制系统的干扰也变得更加的严重,因此,抗电磁干扰的设计工作就越显得重要。由于变频器对于整个控制系统能够产生影响,甚至在有的情况下导致系统的硬件受到破坏,因此,抗干扰技术的研究成为亟待解决的问题。现在的电磁感应主要有以下几种:电磁感应方式、静电感应方式以及空中辐射的方式。

1 变频器干扰的来源

1.1 来自外部电网的干扰

在电网中主要通过变频器电源产生的谐波来对变频器进行干扰,电网中存在着很多种类的谐波源,如整流装置、直交流互换装备以及现在的电子调整装备等。这些谐波对于电网的电压及电流有着很大的影响,也对电网中的很多构件存在着干扰危害。如果变频器的供电源受到外来谐波的干扰后不采取一定的措施加以控制及处理,就会使得电网的干扰经过电网的电路来对变频器产生干扰。供电电源对变频器的干扰主要表现在几个方面:过压、欠声以及损耗等,为此,可以在变频器的输出端安装滤波器等设备来减小这些谐波对变频器的干扰。

1.2 变频器自身对外部的干扰

一般来说,变频器的整流桥相对于电网来说是一种非线性的负载,它发出的谐波对于电网中的电子设备存在着干扰谐波。在电网中除了比较低的谐波外,还有一些频率较高的谐波电流,这些谐波电流会以很多种方式来传播能量,这样就会对其他电子装备产生干扰,使用滤波器能够很好的把高频率谐波削弱甚至屏蔽,从而达到减小干扰的最终目的。

2 变频器控制回路的抗干扰技术

2.1 干扰的类型

1)静电耦合干扰。变频器控制电缆与周围电气回路的电容耦合干扰,包括电路周围物体上聚集的电荷对控制回路的泄放,以及周围的大载流导体产生的电场通过寄生电容对变频器产生耦合干扰。

2)静电感应干扰。周围大电流电器产生的磁通变化在变频器控制回路中感应出电动势,如动力线电动机、变压器继电器等都能产生这种磁场。

3)电磁辐射干扰。这种干扰主要是由频率高的发生装备中产生,以各种途径对空间辐射各种高频的电磁波,这对于变频器的干扰是非常严重的。

4)接触不良产生的干扰。这主要是由于变频器在连接时的电接点或者是由于继电器安装操作失误导致的接触不良,这样就使得在电路中接触的电阻发生了改变进而产生干扰。

5)电源线在传导过程中的干扰。其主要原因就是使用同一个电源进行供电时,各个用电器在工作时会产生电动势,进而导致干扰的产生。

6)接地的干扰。这种干扰是最常见的一种,如果在电源连接时接地方式不恰当,就会形成整个接地环路,这样就形成了接地的干扰。一般来说,变频器的控制在接地上主要有三种方式:强电、信号以及机体接地方式。如果在工作中出现负载问题,如漏电或者超载等,都会在整个回路中产生电势差,这样就会直接产生接地干扰。

2.2 硬件抗干扰技术在变频器设计中的应用

为了使得变频器在正常工作时,既不受到外部电磁的干扰,又不会对其他设备进行干扰,我们现在一般使用以下的几种技术办法:第一,增加控制电缆和干扰源的距离来控制静电产生的干扰,这样就能降低干扰所产生的影响,当然,在这两者之间加入能够屏蔽信号的导体也可以达到同样的效果。第二,电磁辐射干扰采用的措施有除了加大干扰源与变频器控制回路的距离外,必要时可以屏蔽变频器,并将壳状屏蔽体接地。第三,对于接触不良干扰变频器控制电缆的电接点应定期进行拧紧加固处理;在对继电器的触电方式上,可以使用并联法或者应用没有触点的继电器。第四,对于电源线传导干扰变频器的控制电源,应与其他电源分开供电,或在控制电源的输入回路装设滤波器或隔离变压器,并且需要屏蔽接地。第五,接地的干扰控制电缆,需要使用一点接地的方式进行,并且在此过程中,接地线不可以作为信号通路来使用。第六,需要把握好整个变频器控制柜的安装距离,当电缆装有变频器时,需要尽可能的使之与容量大的电器保持较远的距离;在对控制电缆进行布局时,需要考虑绕开漏磁大的设备以及极易产生电弧的接触器等。

3 结语

本文介绍了变频器的内部干扰和外部干扰措施,分析了各种干扰信号的抗干扰技术,对变频器在实际上的运用以及对如何提高变频器的稳定性具有很好的指向性。此外,本文分析了变频器在正常工作过程中的干扰源类型以及干扰源的传播方式,并且依据这些问题提出了解决方法。随着科技的不断发展,变频传动抗干扰技术必然可以实现进一步突破。

参考文献

[1]肖燕芳.变频传动控制技术在城市轨道交通车辆中的应用[J].中国科技信息,2007(12).

[2]刘旭.变频传动装置外部控制器的研发[J].自动化应用,2013(3).

变频器中的干扰和抑制 篇3

1 采煤机变频调速系统的结构及工作原理:

采煤机主电源通电后, 控制电源得电供给主控制器, 旋转操作面板的牵引按钮, 主控制器得到信号后接触器吸合, 变频器得电, 通过遥控器或端头站发出行走命令给主控制器, 主控制器控制变频器带动电机旋转。

2 采煤机变频器原理及其谐波的产生

采煤机机载式变频器一般采用是交-直-交结构 (如图2所示) , 外部输入380 V/50 Hz的工频电源, 经三相桥式不可控整流成直流电, 经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可调的交流信号。

变频器输入侧产生谐波机理:对于变频器而言, 只要是电源侧有整流回路的, 都将产生因非线性引起的谐波。以三相桥式整流电路为例, 交流电网电压为一正弦波, 交流输入电流波形为方波, 对于这个波形, 按傅氏级数可分解为基波和各次谐波, 通常含有6n±1 (n=1, 2, …) 次谐波, 其中高次谐波干扰电源电网。

变频器输出侧产生谐波的机理:在逆变输出回路中, 输出电压和输出电流均有谐波。由于变频器是通过CPU产生6组脉宽可调的SPWM波控制三相6组功率元件的导通/关断, 从而形成电压、频率可调的三相输出电压。其输出电压和输出电流是由SPWM波和三角载波的交点产生的, 不是标准的正弦波。谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时, 与所加的电压不呈线性关系, 就形成非正弦电流, 从而产生谐波。

3 谐波的危害

(1) 谐波干扰会导致采煤机继电器保护装置的误动作, 使电流互感器, 温度变送模块等元器件信号检测不准确, 尤其是对主控制器的遥控接收单元干扰, 使其不能准确的接收遥控信号, 并且谐波的干扰造成遥控距离大大缩短。

(2) 谐波会使牵引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。

(3) 谐波对供电线路产生了附加谐波损耗。谐波会使线路电阻随频率增加而提高, 造成电能的浪费;由于中性线导线较细, 当大量的三次谐波电流流过中性线时, 会使导线过热、绝缘老化、寿命缩短、损坏。

4 谐波的抑制

(1) 调节载波比

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。

(2) 合理布线, 屏蔽辐射

在电动机和变频器之间的电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆, 避免辐射干扰。采煤机主控制器的信号线采用屏蔽线, 且布线时与变频器主回路控制线错开一定距离, 区别交流线、直流稳压电源线、模拟信号线等, 从而切断辐射干扰。

(3) 电抗器

在变频器输入侧和输出侧串联交流电抗器, 这样不仅可以使整流阻抗增大来有效抑制高次谐波电流, 还可以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。

5 结束语

为了确保采煤机系统安全可靠运行, 减少变频器谐波对周边设备的干扰, 在治理上采用加电抗器, 滤波器的方式减少回路阻抗, 降低了对电网的污染, 通过调节载波比, 合理布线、屏蔽辐射等措施抑制谐波电流的干扰, 大大提高了控制系统的稳定性及遥控距离, 同时保证了采煤机的稳定运行, 进一步的分析和研究抑制谐波的方法将成为提高煤炭产量, 改善矿山电网供电质量的一个非常重要的课题。

参考文献

[1]韩安荣.通用变频器应用 (第2版) [M].机械工业出版社, 2000.

[2]张六一.变频器使用过程的干扰源和抗干扰措施[J].冶金丛刊, 2007 (1) :13-14.