变频器应用中的可靠性设计

变频器应用中的可靠性设计李国厚,等

变频器应用中的可靠性设计

TheReliabilityDesignintheApplicationofFrequencyConverters

李国厚

涪活回熙蒸

(河南科技学院机电系,新乡453003)

摘要:变频器在工业控制中对外界的干扰及抗外部干扰的问题日益引起人们的重视。介绍了变频器应用系统中干扰产生的来源及其传播途径;分析了电磁干扰对电力电容器、电机和变压器等电力设备、电力系统、通信系统、电力测量、自动化设备和其他用户设备等的实际危害;由此提出了采用隔离、滤波、屏蔽和适当接地等抗干扰的实际解决方法。所阐述的系统设计和安装过程中抑制干扰的具体措施对变频器的正确、可靠使用有一定的实际意义。关键词:变频器电磁兼容干扰抑制中图分类号:TN773

Abstract:Inthefieldof

文献标识码:A

process

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EMCInterference

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引言

变频调速传动系统具有功率因数高、输出谐波小、

的扁平型波形,如图1b虚线所示。

起动平稳、调速范围宽等优点,一般运行于恶劣的电磁环境中。作为电力电子设备,内部由电子元器件、计算机芯片等组成,易受外界的电气干扰,其输入侧和输出

图t

a输入电路

b输出电流波

变频器的输入电路和输出电流波

currentwave

侧的电压、电流含有丰富的高次谐波,投入运行既要防

Fig.1

Inputcircuitandoutput

ofinverter

止受到外界干扰,又要防止对其他设备产生干扰,即所谓的电磁兼容性EMC(electro

magnetic

compatibility)。

电磁干扰也称电磁骚扰(EMI),是以外部噪声和无用信号在接收中所造成的电磁干扰,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

国际电工委员会(IEC)对电磁兼容性的定义是:电磁兼容性是电子设备的一种功能,电子设备在电磁环境中能完成其功能,而不产生不能容忍的干扰。电磁兼容性有双重含义:设备或系统不仅应具有抑制外部电磁干扰的能力,而且所产生的电磁干扰应不得影响同一电磁环境中其他电子设备的正常工作…。

变频调速系统的主要电磁干扰源及途径

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,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,从而对电网中其他设备产生危害的干扰。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

1.1主要电磁干扰源

通用变频器的输入电路通常由二极管全桥整流电路和直流侧电容器所组成,如图1a所示,这种电路的输入电流波形随阻抗的不同相差很大。在电源阻抗比较小的情况下,其波形为窄而高的瘦长型波形,如图1b所示;反之,当电源阻抗比较大时,其波形为矮而宽《自动化仪表》第27卷第12期2006年12月

变频器应用中的可靠性设计李国厚,等

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、射频干扰。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,主要分电磁辐射、传导、感应耦合。具体为: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,并传导干扰到电源,通过配电网络传导给系统其他设备;③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。下面分别加以分析。

1.2.1

与其相邻的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。感应耦合可以以导体间电容耦合的形式出现,也可以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高次谐波的危害

2.1对电力电容器的影响

由于电容器的容抗与频率成反比,因此在高次谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多,从而使谐波电流的波形畸变比谐波电压的波形畸变大得多,即使电压中谐波所占的比例不大,也会产生显著的谐波电流。特别是在发生谐振的情况下,很小的谐波电压就可引起很大的谐波电流,使电容器成倍地超过负荷,导致电容器因过流而损坏。41。2.2对旋转电机的影响

谐波电压或电流会在电机的定子绕组、转子回路以定子和转子铁芯中引起附加损耗。由于涡流和集肤效应的关系,定子和转子导体内的这些附加损耗要比直流电阻引起的损耗大。总的谐波损耗可用下式表示:

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他电子、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

∑P。=∑31;kR,。+∑3最尺“+

,,

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(1)

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式中:∑3圪尺。。为定子谐波铜耗;∑312小R。。为转子谐

,,

、2

kV/txs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孑L洞,则辐射强

波铜耗;∑0.01(孚)后7P(1)为谐波铁耗和谐波杂

』s,

质损耗;气为定子第k次谐波电流有效值;L为转子第矗次谐波电流有效值;,。为定子基波电流有效值;R。。为次谐波频率下考虑集肤效应的每相转子电阻(折合到定子侧);P为电机的功率。

另外,谐波电流还会增大电机的噪声和产生脉动转矩。转子第七次谐波电流与基波旋转磁场产生的脉动转矩可由下式表示∞J:

气n

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。1.2.2传导

上述的电磁干扰除了通过与其相连的导线向外部发射,也可以通过阻抗耦合或接地回路耦合将干扰带入其他电路。与辐射干扰相比,其传播的路程可以很远。比较典型的传播途径是:接自工业低压网络的变频器所产生的干扰信号将沿着配电变压器进入中压网络,并沿着其他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。1.2.3感应耦合

感应耦合是介于辐射与传导之间的第三条传播途径。当二F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他导体连接,但此时的电磁干扰能量可以通过变频器的输入、输出导线

瓦一。=≤},“E,cos(ktot一驴,)

二‘IUl

(2)

式中:E,为转子基波电势(折算到定子侧);.f为定子基波频率;p为电机的极对数;9,为t=0时,k与E,的相位差。

2.3对输电系统的影响

谐波电流一方面在输电线路上产生谐波电压降;另一方面增加了输电线路上的电流有效值,从而引起附加输电损耗。在电缆输电的情况下,谐波电压以正比于其幅值电压的形式增强了介质的电场强度,这影响了电缆的使用寿命。据有关资料介绍,谐波的影响

PROCESSAUTOMATIoNINSTRUMENTATIoNV01.27No.12December2006

将使电缆的使用寿命平均下降约60%。2.4对变压器的影响

变压器在高次谐波电压的作用下,将产生集肤效应和邻近效应。在绕组中引起附加铜耗,同时也使铁耗相应增加。其附加损耗可用下式表示:

AP,=3∑毫r;后;,

(3)

I=2

式中:L,为通过变压器的后次谐波电流;rs为变压器的短路电阻;七。,为考虑集肤效应和邻近效应影响的系数。

另外,3的倍数次零序电流在△接法的绕组内产生环流,这一额外的环流可能会使绕组电流超过额定值。对于带不对称负载的变压器来说,如果负载电流中含有直流分量,会引起变压器的磁路饱和,从而会大大增加交流激磁电流的谐波分量。2.5对继电保护、自动装置的影响

谐波能够改变保护继电器的动作特性,这与继电器的设计特点和原理有关。当有谐波畸变时,依靠采样数据或过零工作的数字继电器容易产生误差。高次谐波对过电流、欠电压、距离、周波等继电器均会引起拒动和误动的影响,使保护装置失灵和动作不稳定。2.6对电力测量的影响

测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的,如果供电的波形发生畸变,仪表则容易产生误差。图2表示感应型电度表相对误差与频率的关系曲线。电度表对设计参数以外的频率的响应不灵敏,频率越高,误差越大,而且为负误差,当频率约为1

000

Hz时,电度表将会停止转动。

口tD,/3

够2Ⅱ/t:

口0

|jHz

图2相对误差与频率的关系曲线

Fig.2

Relational

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ofrelative

error

vs.“equency

2.7对通信的干扰

供电系统中的静止变流器在换相期间电流波形发生急剧变化,该换相电流会在正常供电电压中注入一个脉冲电压,该脉冲电压所包含的谐波频率较高,甚至达到1MHz,因而会引起电磁干扰。它对通信线路、通信设备会产生很大的影响。2.8对其他用户设备的影响

高次谐波除了对上述设备产生影响之外,还会对下列用户设备产生影响∞1:

①影响电视机的画面质量;②影响电子显微镜的画面清晰度;

③使日光灯的镇流器及补偿用电容器过热和损坏;

《自动化仪表》第27卷第12期2006年12月

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④对电子计算机产生干扰;⑤影响已用互感器的测量精度;

⑥影响其他换流设备或其他任何由电压过零所控制的设备的同步;

⑦使熔断器在没有超过整定值时就熔断。

3抗电磁干扰的措施

据电磁性的基本原理,形成电磁于扰(EMI)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三个要素。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,一般从抗和防两方面人手来抑制干扰,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。具体措施在工程上可采用隔离、滤波、屏蔽、接地等方法一’。

3.1

隔离

所谓干扰的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,电源隔离变压器可应用噪声隔离变压器。3.2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,以免传导干扰。3.3屏蔽

屏蔽干扰源是抑制干扰最有效的方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽,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,要求信号线尽可能短(一般为20ITI以内),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。3.4接地

实践证明,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,防止外部干扰的侵人,提高系统的抗干扰能力。变频器的接地方式有多点接地、一点接地及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。

单点接地指在一个电路或装置中,只有一个物理

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点定义为接地点。在低频下的性能好;多点接地是指装置中的各个接地点都直接接到离它最近的接地点。在高频下的性能好;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,也不能接在零线上。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<100n,接地线长度在20m以内,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,选用与否可视电源变压器与变频器容量的匹配情况及电网允许的畸变程度而定,一般情况下采用为好。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。图3为一般变频调速传动系统抗干扰所采取措施。

短、粗的接地线(最好采用扁平导体或金属网,因其在高频时阻抗较低)连接到公共地线上。按国家标准规定,其接地电阻应小于4n。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900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短,条件允许时应采用电缆套管。

④确保控制柜中的接触器有灭弧功能,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。

l……………一……L一一一一…一…一一…一一一。J一一.一一一一一

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卜_——(:p—一放大器|三三三i三爿传感器IL

变频控制系统设计中应注意的其他问题

除了前面讨论的几点以外,在变频器控制系统设

计与应用中还要注意以下几个方面的问题。

①在设备排列布置时,应该注意将变频器单独布

图3

Fig.3

变频系统的抗干扰措施

置,尽量减少可能产生的电磁辐射干扰。在实际工程中,由于受到房屋面积的限制往往不可能有单独布置的位置,应尽量将容易受干扰的弱电控制设备与变频器分开,比如将动力配电柜放在变频器与控制设备之间。

②变频器电源输入侧可采用容量适宜的空气开关作为短路保护,但切记不可频繁操作。由于变频器内部有大电容,其放电过程较为缓慢,频繁操作将造成过电压而损坏内部元件。

③控制变频调速电机启/停通常由变频器自带的控制功能来实现,不要通过接触器实现启/停。否则,频繁的操作可能损坏内部元件。

④尽量减少变频器与控制系统间不必要的连线,以避免传导干扰。除了控制系统与变频器之间必须的控制线外,其他如控制电源等应分开。由于控制系统及变频器均需要24V直流电源,而生产厂家为了节省一个直流电源,往往用一个直流电源分两路分别对两个系统供电,有时变频器会通过直流电源对控制系统产生传导干扰,所以在设计中或订货时要特别加以说明,要求用两个直流电源分别对两个系统供电。

⑤注意变频器对电网的干扰。变频器在运行时产生的高次谐波会对电网产生影响,使电网波型严重

Theanti—interferencemeasuresofvariablefrequencysystem

以上抗干扰措施可根据系统的抗干扰要求来合理选择使用。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。3.5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一10℃,最高温度不超过50℃;变频器的安装海拔高度应小于1

000

m,超过此规定应降容使用;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;不能安装在电磁干扰源附近;不能安装在有灰尘、腐蚀性气体等空气污染和潮湿环境中,如安装在潮湿管道下面,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

PRoCESSAUTOMATIONINSTRUMENTATIoNV01.27No.12December2006

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畸变,可能造成电网电压降很大、电网功率因数很低,大功率变频器应特别注意。解决的方法主要有采用无功自动补偿装置以调节功率因数,同时可以根据具体情况在变频器电源进线侧加电抗器以减少对电网产生的影响,而进线电抗器可以由变频器供应商配套提供,但在订货时要加以说明。

⑥变频器柜内除本机专用的空气开关外,不宜安装其他操作性开关电器,以免开关噪声入侵变频器,造成误动作。

⑦应注意限制最低转速。在低转速时,电机噪声增大,电机冷却能力下降,若负载转矩较大或满载,可能烧毁电机。确需低速运转的高负荷变频电机,应考虑加大额定功率,或增加辅助的强风冷却。

⑥注意防止发生共振现象。由于定子电流中含有高次谐波成分,电机转矩中含有脉动分量,有可能造成电机的振动与机械振动产生共振,使设备出现故障。应预先找到负载固有的共振频率,然后利用变频器频率跳跃功能设置,躲开共振频率点。

这些问题有望通过变频器本身的功能和补偿来解决。随着工业现场和社会环境对变频器的要求不断提高,满足实际需要的真正“绿色”变频器不久也会面世。

参考文献

l韩安荣.通用变频器及其应用[M].第2版.北京:机械工业出版

社.2000.

2吴忠智,吴加林.变频器应用手册[z].北京:机械工业出版社,1995.

3王定华主编.电磁兼容性原理与设计[M].四川:电子科技大学

出版社,1995.

4电磁兼容性术语(GBIT4365—1995)[S].北京:中国标准出版社,

1996.

5张宗桐.变频器及其装置的EMC要求[J].变频器世界,2000,

(9):32—34.

6郑旭东,关鸿权,吴赤兵.通用变频器运行过程中存在的问题及

对策[J].石化技术,2001,8(4):234—236.

7李国厚.电气设备的干扰及其抑制[J].变频器世界,2003,(3):

57—60.

8潘志东.PLC和变频器在污水处理中的应用[J].自动化仪表,

2004,25(9):22—25.

9李国厚,张宝剑.基于PLC和变频器的陶瓷生产控制设计[J].

自动化仪表,2003,24(5):62—64.

5结束语

以上通过对变频器运行过程中存在的干扰问题的分析,提出了解决这些问题的实际方法。随着新技术和新理论在变频器上的不断应用,变频器应用存在的

修改稿收到日期:2006—06—27。

第一作者李国厚,男,1968年生,2004年毕业于华北电力大学控制工程专业。获硕士学位,副教授;主要从事自动化仪表与工业过程控制方面的应用研究和教学工作。

“全集成新一代主控系统”获安中科技奖

2006年11月18日,“浙江大学安中科技奖”首次颁奖,香港荣华纺织有限公司董事长赵安中、浙江省政协副主席张蔚文和浙江大学党委书记张曦出席了颁奖仪式,并为获奖教师代表颁奖。

去年5月,杏琴园教育基金捐赠人民币1400万元,在浙江大学设立“安中科技奖励金”专项基金,奖励浙江大学作为第一完成单位,每年获得浙江省科学技术一等奖和二等奖的科研项目完成者,年奖励总额为70万元人民币。2005年,“全集成新一代主控系统”等9项由浙江大学作为第一单位完成的科技成果获得浙江省科学技术一等奖,26项科技成果获浙江省科学技术二等奖。

全集成新一代主控系统是在多项国家科技攻关项目和工业自动化高技术产业化重大专项成果积累基础上,在计算机控制系统领域取得重大技术创新和突破性进展之后而形成的,是属于计算机与自动控制领域的高端技术产品。

全集成新一代主控系统实现过程控制、逻辑控制、顺序控制的集成综合,回路控制周期100ms,逻辑控制周期5InS;首创控制多重热备冗余;开发实现了国内第一套符合IEC61131—3标准,支持FBD/LD/SFC/ST/IL,具有自主知识产权的编程系统;独创基于灵巧总线的I/0模块智能调理技术,实现I/0通道点点隔离、点点互隔、通用输入、任意配置、在线校正等功能,适应工业现场复杂性;开发了现场总线数据侦听数据窃取技术与透明网络管理技术。

该项目产品已实现产业化,目前销售推广400余套,经多家大型企业、系统集成商、行业工程公司使用,覆盖化工、石化、热电、建材、制药、食品、造纸等行业,近3年年增长率超过100%,已形成400套/年,约

000万元产值的年生产能力。

《自动化仪表》第27卷第12期20%年12月9

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李国厚

涪活回熙蒸

(河南科技学院机电系,新乡453003)

摘要:变频器在工业控制中对外界的干扰及抗外部干扰的问题日益引起人们的重视。介绍了变频器应用系统中干扰产生的来源及其传播途径;分析了电磁干扰对电力电容器、电机和变压器等电力设备、电力系统、通信系统、电力测量、自动化设备和其他用户设备等的实际危害;由此提出了采用隔离、滤波、屏蔽和适当接地等抗干扰的实际解决方法。所阐述的系统设计和安装过程中抑制干扰的具体措施对变频器的正确、可靠使用有一定的实际意义。关键词:变频器电磁兼容干扰抑制中图分类号:TN773

Abstract:Inthefieldof

文献标识码:A

process

control,peopleincreasinglypaygreatattention

itself.The

source

to

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to

externalinterferenceandtheinter—

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ferencecausedbyfrequency

are

converter

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to

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as

introduced-andthepracticalharmfulnessofelectromagneticinterference

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as

ers,andelectric

are

systems,communicationsystems,electricmeasurement,automationequipmentpracticalsolutions

to

well

otheruserequipment,etc・,

are

analyzed,SO

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are

proposed.The

con—

crete

measuresofinterferencesuppressioninsystemdesignandinstallation

convener

worthofcorrect

andreliableoperationoffrequency

converters・

Keywords:Frequency

EMCInterference

Suppression

引言

变频调速传动系统具有功率因数高、输出谐波小、

的扁平型波形,如图1b虚线所示。

起动平稳、调速范围宽等优点,一般运行于恶劣的电磁环境中。作为电力电子设备,内部由电子元器件、计算机芯片等组成,易受外界的电气干扰,其输入侧和输出

图t

a输入电路

b输出电流波

变频器的输入电路和输出电流波

currentwave

侧的电压、电流含有丰富的高次谐波,投入运行既要防

Fig.1

Inputcircuitandoutput

ofinverter

止受到外界干扰,又要防止对其他设备产生干扰,即所谓的电磁兼容性EMC(electro

magnetic

compatibility)。

电磁干扰也称电磁骚扰(EMI),是以外部噪声和无用信号在接收中所造成的电磁干扰,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

国际电工委员会(IEC)对电磁兼容性的定义是:电磁兼容性是电子设备的一种功能,电子设备在电磁环境中能完成其功能,而不产生不能容忍的干扰。电磁兼容性有双重含义:设备或系统不仅应具有抑制外部电磁干扰的能力,而且所产生的电磁干扰应不得影响同一电磁环境中其他电子设备的正常工作…。

变频调速系统的主要电磁干扰源及途径

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,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,从而对电网中其他设备产生危害的干扰。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

1.1主要电磁干扰源

通用变频器的输入电路通常由二极管全桥整流电路和直流侧电容器所组成,如图1a所示,这种电路的输入电流波形随阻抗的不同相差很大。在电源阻抗比较小的情况下,其波形为窄而高的瘦长型波形,如图1b所示;反之,当电源阻抗比较大时,其波形为矮而宽《自动化仪表》第27卷第12期2006年12月

变频器应用中的可靠性设计李国厚,等

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、射频干扰。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,主要分电磁辐射、传导、感应耦合。具体为: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,并传导干扰到电源,通过配电网络传导给系统其他设备;③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。下面分别加以分析。

1.2.1

与其相邻的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。感应耦合可以以导体间电容耦合的形式出现,也可以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高次谐波的危害

2.1对电力电容器的影响

由于电容器的容抗与频率成反比,因此在高次谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多,从而使谐波电流的波形畸变比谐波电压的波形畸变大得多,即使电压中谐波所占的比例不大,也会产生显著的谐波电流。特别是在发生谐振的情况下,很小的谐波电压就可引起很大的谐波电流,使电容器成倍地超过负荷,导致电容器因过流而损坏。41。2.2对旋转电机的影响

谐波电压或电流会在电机的定子绕组、转子回路以定子和转子铁芯中引起附加损耗。由于涡流和集肤效应的关系,定子和转子导体内的这些附加损耗要比直流电阻引起的损耗大。总的谐波损耗可用下式表示:

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他电子、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

∑P。=∑31;kR,。+∑3最尺“+

,,

、2

∑0.01{挚)尼7P(1)

』_

(1)

、17

式中:∑3圪尺。。为定子谐波铜耗;∑312小R。。为转子谐

,,

、2

kV/txs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孑L洞,则辐射强

波铜耗;∑0.01(孚)后7P(1)为谐波铁耗和谐波杂

』s,

质损耗;气为定子第k次谐波电流有效值;L为转子第矗次谐波电流有效值;,。为定子基波电流有效值;R。。为次谐波频率下考虑集肤效应的每相转子电阻(折合到定子侧);P为电机的功率。

另外,谐波电流还会增大电机的噪声和产生脉动转矩。转子第七次谐波电流与基波旋转磁场产生的脉动转矩可由下式表示∞J:

气n

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。1.2.2传导

上述的电磁干扰除了通过与其相连的导线向外部发射,也可以通过阻抗耦合或接地回路耦合将干扰带入其他电路。与辐射干扰相比,其传播的路程可以很远。比较典型的传播途径是:接自工业低压网络的变频器所产生的干扰信号将沿着配电变压器进入中压网络,并沿着其他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。1.2.3感应耦合

感应耦合是介于辐射与传导之间的第三条传播途径。当二F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他导体连接,但此时的电磁干扰能量可以通过变频器的输入、输出导线

瓦一。=≤},“E,cos(ktot一驴,)

二‘IUl

(2)

式中:E,为转子基波电势(折算到定子侧);.f为定子基波频率;p为电机的极对数;9,为t=0时,k与E,的相位差。

2.3对输电系统的影响

谐波电流一方面在输电线路上产生谐波电压降;另一方面增加了输电线路上的电流有效值,从而引起附加输电损耗。在电缆输电的情况下,谐波电压以正比于其幅值电压的形式增强了介质的电场强度,这影响了电缆的使用寿命。据有关资料介绍,谐波的影响

PROCESSAUTOMATIoNINSTRUMENTATIoNV01.27No.12December2006

将使电缆的使用寿命平均下降约60%。2.4对变压器的影响

变压器在高次谐波电压的作用下,将产生集肤效应和邻近效应。在绕组中引起附加铜耗,同时也使铁耗相应增加。其附加损耗可用下式表示:

AP,=3∑毫r;后;,

(3)

I=2

式中:L,为通过变压器的后次谐波电流;rs为变压器的短路电阻;七。,为考虑集肤效应和邻近效应影响的系数。

另外,3的倍数次零序电流在△接法的绕组内产生环流,这一额外的环流可能会使绕组电流超过额定值。对于带不对称负载的变压器来说,如果负载电流中含有直流分量,会引起变压器的磁路饱和,从而会大大增加交流激磁电流的谐波分量。2.5对继电保护、自动装置的影响

谐波能够改变保护继电器的动作特性,这与继电器的设计特点和原理有关。当有谐波畸变时,依靠采样数据或过零工作的数字继电器容易产生误差。高次谐波对过电流、欠电压、距离、周波等继电器均会引起拒动和误动的影响,使保护装置失灵和动作不稳定。2.6对电力测量的影响

测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的,如果供电的波形发生畸变,仪表则容易产生误差。图2表示感应型电度表相对误差与频率的关系曲线。电度表对设计参数以外的频率的响应不灵敏,频率越高,误差越大,而且为负误差,当频率约为1

000

Hz时,电度表将会停止转动。

口tD,/3

够2Ⅱ/t:

口0

|jHz

图2相对误差与频率的关系曲线

Fig.2

Relational

curves

ofrelative

error

vs.“equency

2.7对通信的干扰

供电系统中的静止变流器在换相期间电流波形发生急剧变化,该换相电流会在正常供电电压中注入一个脉冲电压,该脉冲电压所包含的谐波频率较高,甚至达到1MHz,因而会引起电磁干扰。它对通信线路、通信设备会产生很大的影响。2.8对其他用户设备的影响

高次谐波除了对上述设备产生影响之外,还会对下列用户设备产生影响∞1:

①影响电视机的画面质量;②影响电子显微镜的画面清晰度;

③使日光灯的镇流器及补偿用电容器过热和损坏;

《自动化仪表》第27卷第12期2006年12月

变频器应用中的可靠性设计李国厚,等

④对电子计算机产生干扰;⑤影响已用互感器的测量精度;

⑥影响其他换流设备或其他任何由电压过零所控制的设备的同步;

⑦使熔断器在没有超过整定值时就熔断。

3抗电磁干扰的措施

据电磁性的基本原理,形成电磁于扰(EMI)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三个要素。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,一般从抗和防两方面人手来抑制干扰,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。具体措施在工程上可采用隔离、滤波、屏蔽、接地等方法一’。

3.1

隔离

所谓干扰的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,电源隔离变压器可应用噪声隔离变压器。3.2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,以免传导干扰。3.3屏蔽

屏蔽干扰源是抑制干扰最有效的方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽,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,要求信号线尽可能短(一般为20ITI以内),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。3.4接地

实践证明,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,防止外部干扰的侵人,提高系统的抗干扰能力。变频器的接地方式有多点接地、一点接地及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。

单点接地指在一个电路或装置中,只有一个物理

变频器应用中的可靠性设计李国厚,等

点定义为接地点。在低频下的性能好;多点接地是指装置中的各个接地点都直接接到离它最近的接地点。在高频下的性能好;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,也不能接在零线上。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<100n,接地线长度在20m以内,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,选用与否可视电源变压器与变频器容量的匹配情况及电网允许的畸变程度而定,一般情况下采用为好。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。图3为一般变频调速传动系统抗干扰所采取措施。

短、粗的接地线(最好采用扁平导体或金属网,因其在高频时阻抗较低)连接到公共地线上。按国家标准规定,其接地电阻应小于4n。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900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短,条件允许时应采用电缆套管。

④确保控制柜中的接触器有灭弧功能,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。

l……………一……L一一一一…一…一一…一一一。J一一.一一一一一

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l隔离变压器r——1考蕈毡r———1

卜_——(:p—一放大器|三三三i三爿传感器IL

变频控制系统设计中应注意的其他问题

除了前面讨论的几点以外,在变频器控制系统设

计与应用中还要注意以下几个方面的问题。

①在设备排列布置时,应该注意将变频器单独布

图3

Fig.3

变频系统的抗干扰措施

置,尽量减少可能产生的电磁辐射干扰。在实际工程中,由于受到房屋面积的限制往往不可能有单独布置的位置,应尽量将容易受干扰的弱电控制设备与变频器分开,比如将动力配电柜放在变频器与控制设备之间。

②变频器电源输入侧可采用容量适宜的空气开关作为短路保护,但切记不可频繁操作。由于变频器内部有大电容,其放电过程较为缓慢,频繁操作将造成过电压而损坏内部元件。

③控制变频调速电机启/停通常由变频器自带的控制功能来实现,不要通过接触器实现启/停。否则,频繁的操作可能损坏内部元件。

④尽量减少变频器与控制系统间不必要的连线,以避免传导干扰。除了控制系统与变频器之间必须的控制线外,其他如控制电源等应分开。由于控制系统及变频器均需要24V直流电源,而生产厂家为了节省一个直流电源,往往用一个直流电源分两路分别对两个系统供电,有时变频器会通过直流电源对控制系统产生传导干扰,所以在设计中或订货时要特别加以说明,要求用两个直流电源分别对两个系统供电。

⑤注意变频器对电网的干扰。变频器在运行时产生的高次谐波会对电网产生影响,使电网波型严重

Theanti—interferencemeasuresofvariablefrequencysystem

以上抗干扰措施可根据系统的抗干扰要求来合理选择使用。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。3.5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一10℃,最高温度不超过50℃;变频器的安装海拔高度应小于1

000

m,超过此规定应降容使用;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;不能安装在电磁干扰源附近;不能安装在有灰尘、腐蚀性气体等空气污染和潮湿环境中,如安装在潮湿管道下面,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

PRoCESSAUTOMATIONINSTRUMENTATIoNV01.27No.12December2006

变频器应用中的可靠性设计李国厚。等

畸变,可能造成电网电压降很大、电网功率因数很低,大功率变频器应特别注意。解决的方法主要有采用无功自动补偿装置以调节功率因数,同时可以根据具体情况在变频器电源进线侧加电抗器以减少对电网产生的影响,而进线电抗器可以由变频器供应商配套提供,但在订货时要加以说明。

⑥变频器柜内除本机专用的空气开关外,不宜安装其他操作性开关电器,以免开关噪声入侵变频器,造成误动作。

⑦应注意限制最低转速。在低转速时,电机噪声增大,电机冷却能力下降,若负载转矩较大或满载,可能烧毁电机。确需低速运转的高负荷变频电机,应考虑加大额定功率,或增加辅助的强风冷却。

⑥注意防止发生共振现象。由于定子电流中含有高次谐波成分,电机转矩中含有脉动分量,有可能造成电机的振动与机械振动产生共振,使设备出现故障。应预先找到负载固有的共振频率,然后利用变频器频率跳跃功能设置,躲开共振频率点。

这些问题有望通过变频器本身的功能和补偿来解决。随着工业现场和社会环境对变频器的要求不断提高,满足实际需要的真正“绿色”变频器不久也会面世。

参考文献

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6郑旭东,关鸿权,吴赤兵.通用变频器运行过程中存在的问题及

对策[J].石化技术,2001,8(4):234—236.

7李国厚.电气设备的干扰及其抑制[J].变频器世界,2003,(3):

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自动化仪表,2003,24(5):62—64.

5结束语

以上通过对变频器运行过程中存在的干扰问题的分析,提出了解决这些问题的实际方法。随着新技术和新理论在变频器上的不断应用,变频器应用存在的

修改稿收到日期:2006—06—27。

第一作者李国厚,男,1968年生,2004年毕业于华北电力大学控制工程专业。获硕士学位,副教授;主要从事自动化仪表与工业过程控制方面的应用研究和教学工作。

“全集成新一代主控系统”获安中科技奖

2006年11月18日,“浙江大学安中科技奖”首次颁奖,香港荣华纺织有限公司董事长赵安中、浙江省政协副主席张蔚文和浙江大学党委书记张曦出席了颁奖仪式,并为获奖教师代表颁奖。

去年5月,杏琴园教育基金捐赠人民币1400万元,在浙江大学设立“安中科技奖励金”专项基金,奖励浙江大学作为第一完成单位,每年获得浙江省科学技术一等奖和二等奖的科研项目完成者,年奖励总额为70万元人民币。2005年,“全集成新一代主控系统”等9项由浙江大学作为第一单位完成的科技成果获得浙江省科学技术一等奖,26项科技成果获浙江省科学技术二等奖。

全集成新一代主控系统是在多项国家科技攻关项目和工业自动化高技术产业化重大专项成果积累基础上,在计算机控制系统领域取得重大技术创新和突破性进展之后而形成的,是属于计算机与自动控制领域的高端技术产品。

全集成新一代主控系统实现过程控制、逻辑控制、顺序控制的集成综合,回路控制周期100ms,逻辑控制周期5InS;首创控制多重热备冗余;开发实现了国内第一套符合IEC61131—3标准,支持FBD/LD/SFC/ST/IL,具有自主知识产权的编程系统;独创基于灵巧总线的I/0模块智能调理技术,实现I/0通道点点隔离、点点互隔、通用输入、任意配置、在线校正等功能,适应工业现场复杂性;开发了现场总线数据侦听数据窃取技术与透明网络管理技术。

该项目产品已实现产业化,目前销售推广400余套,经多家大型企业、系统集成商、行业工程公司使用,覆盖化工、石化、热电、建材、制药、食品、造纸等行业,近3年年增长率超过100%,已形成400套/年,约

000万元产值的年生产能力。

《自动化仪表》第27卷第12期20%年12月9


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