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变频器使用中电磁干扰问题及防治措施分析

发布时间:2017-12-23 09:10

  河钢集团宣钢公司河北张家口075100


  摘要随着电力电子技术的不断发展,变频调速已成为交流电机调速的主流方式,變频器以其卓越的调速性能、显著的节能效果已广泛应用于工业和民用的控制领域。由于变频器内部的晶闸管工作于高速的开关状态,连续通断会产生持续的干扰电流,变频器的电磁干扰(EMI)也随之产生。本文将对变频器电磁干扰危害及干扰的防治措施进行一系列说明。


  关键词变频器;电磁干扰;传播;防治措施


  1电磁干扰


  1.1变频器原理和干扰危害


  变频器内部包括整流和逆变两部分基本电路,逆变电路在前级整流电路得到的直流电压基础上,通过控制器输出高频PWM脉冲控制晶闸管进行有规律的通断,把直流电压变换成不同宽度的脉冲电压,再经过滤波后得到逆变输出电压。变频器输入、输出端的电缆与大地以及电缆芯线之间存在分布电容,逆变部的6个晶闸管每次快速通断会通过该分布电容产生干扰电流,同时变频器整流部分半导体器件的非线性特性会产生谐波电流,种种因素使得变频器成为一个电磁干扰源。


  1.2干扰危害


  变频器内部的整流桥是典型的非线性负载,在进行整流工作时会产生丰富的谐波电流。当谐波电流通过各种方式将其能量传播出去,就形成了电磁干扰。谐波电流可通过变频器输入端导线传导给系统内的其他设备,会使电机产生电磁噪声,增加其铁损和铜损,同时也使得系统电压产生畸变;谐波电流通过电磁波形式传播出去,会对周围的电子、电气设备产生电磁辐射干扰;变频器含有谐波电流的输入、输出电缆会与相邻的其他线路发生感应现象,感应出的干扰电压和干扰电流会严重影响传感器等敏感元件、设备的正常工作。


  2防治措施


  2.1隔离


  将变频器安装在独立其他设备的电源中往往比较困难,若在变频器和电源之间设置隔离变压器,同样也可实现变频器系统供电与其他设备供电的相互独立。通过隔离变压器实现电气隔离,如图1所示,可切断变频器电磁干扰的传导路径,同时可抑制共模电压干扰及抑制对上游配电系统的3次谐波干扰。但增设隔离变压器会提高系统建设成本,降低系统电能利用效率[1]。


  2.2滤波


  变频器系统采取滤波措施可有效地抑制电磁传导、辐射干扰以及提升系统本身的抗电磁干扰性能。滤波措施主要包括在变频器输入端设置零相电抗器、输入电抗器、电容滤波器,可在变频器内部整流桥和滤波电容之间(通常预留接线端子,若不外加直流电抗器则将端子短接)串入直流电抗器以及在变频器输出端设置输出电抗器。零相电抗器可提高变频器抗共模干扰特性,同时抑制电磁干扰对外辐射。设置输出电抗器可延长变频器的输出线路的长度,该电抗器可补偿由于线缆的线芯之间及线缆与地之间存在的分布电容,从而抑制电机端子电压的峰值。输入电抗器和电容滤波器能组合成为传统的LC滤波器,可根据现场实际干扰情况进行设置,滤波器的设置如图2所示。


  2.3屏蔽


  另一种能有效抑制变频器电磁干扰的方式是采取屏蔽措施。变频器外壳虽为金属,考虑到散热、人机交互控制面板等设置,外壳并不是一个导电连续的屏蔽体,因此,在设置变频器时可考虑将其安装在封闭式的铁质控制柜里。变频器输入、输出电缆采用金属管配线,并在金属管和控制柜接头处做好防电磁泄漏措施。若变频器在现场就地设置,则可采取图3的屏蔽措施。


  3设计安装事项


  3.1系统接线


  变频器置于控制柜里时,变频器散热器和安装板之间保证有良好的电气连接;安装板涂有漆时,须采用刮漆垫圈并拧紧紧固件。确保控制柜里所有设备接地良好,控制柜的接地线建议采用铜编织线并以最短距离连接至公共接地点或接地母排。变频器进出线电缆穿金属配线管敷设时可采用非屏蔽电缆,按照上文所述做好屏蔽措施;进出线电缆沿桥架敷设时,则应当采用屏蔽电缆,抗干扰措施同金属配线管的做法。此外,还应使用屏蔽类型的控制线缆。


  3.2系统布线


  为了降低感应耦合的干扰,变频器进出线电缆布线时应独立于其他线缆,使二者间距尽量保持在0.5m以上,同时避免二者长距离平行布线。控制线缆和电源电缆有交叉时,应尽可能按90°交叉。信号线尽量靠近地线,同时远离大电流电源线。合理布线可以使寄生耦合程度减弱,大大削弱干扰信号强度,同时使控制系统结构简化,调试系统更加方便[2]。


  3.3接地防雷


  变频器的正确接地是提高控制系统灵敏度、防止干扰的重要手段。变频器接地电缆应远离噪声敏感设备的输入、输出配线,同时尽量靠近变频器并控制长度在20m内,接地导线最好是扁平的铜编织线。在汇流排前,变频器的各种接地线应彼此绝缘,避免接地干扰。系统运行中,打雷、操作设备等情况可能会使电源线路中出现浪涌电压。为防止浪涌电压对变频器带来不可逆的损坏,可在变频器的输入端增设压敏电阻,其耐压应低于功率模块的耐压水平。在雷电活跃地区,可按照规范要求做好相应的防雷措施,以防雷电窜入破坏设备。


  4总结


  本文通过对变频器工作原理的分析,介绍了变频器电磁干扰产生的原因。针对干扰的传播途径,着重分析了变频器电磁干扰抑制措施,应根据工程实际情况合理选择隔离、滤波、屏蔽等方式。文章最后有针对性地提出了变频器系统设计和安装过程中应注意的问题,对变频器在实际工程中的应用有一定的参考价值。


  作者:王文涛


   参考文献 

  [1] 周均德,邹庆和.变频器原理及其在工程设计中的应用[J].工程建设,2015,(2):27-29. 

  [2] 殷佳琳,张斌,秦敏.变频器谐波干扰及其防治措施研究[J].控制工程,2013,(6):33-39. 

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