1 變頻器的應(yīng)用
變頻器是利用電力電子半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能的控制裝置,。利用變頻器拖動(dòng)電動(dòng)機(jī),,起動(dòng)電流小,可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)和大范圍的無級(jí)調(diào)速,,方便地對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,,使得電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行符合實(shí)際工況需求,節(jié)能效果顯著,,因而變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用,。變頻器屬于電力電子裝置,構(gòu)成它的電子元器件,、計(jì)算機(jī)芯片,、數(shù)字電路等均易受外界的電磁干擾(EMI),因此,,變頻器投入電網(wǎng)后,,應(yīng)的抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)(即電磁兼容性EMC)也已經(jīng)變得越來越重要。
2 電磁兼容
電磁兼容EMC(Electro Magnetic Compatibility)是指電氣設(shè)備或系統(tǒng)在所處的電磁環(huán)境中可靠的發(fā)揮其功能,,并對(duì)該環(huán)境中的其他設(shè)備或系統(tǒng)不產(chǎn)生不允許的干擾的能力,。簡單說,也就是變頻器投入運(yùn)行之后,,既要防止外界干擾它,,也要防止它干擾外界。
3 外界對(duì)變頻器產(chǎn)生的干擾
在交流電網(wǎng)中,,由于許多非線性負(fù)載的電氣設(shè)備的投入運(yùn)行,,其電壓,、電流波形實(shí)際上已經(jīng)是在不同程度有所畸變的非正弦波?;兊姆钦也ㄍǔJ侵芷谛噪姎夥至?,依據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)分析,可分解成基波分量和基波量整數(shù)倍的諧波分量,。而變頻器的整流器一般采用三相橋式晶閘管整流電路,,當(dāng)變頻器接入已經(jīng)發(fā)生畸變的交流電網(wǎng),只要電源側(cè)有非線性引起的諧波,,輸出側(cè)通常就含有高次諧波干擾電網(wǎng),。
4 變頻器對(duì)外界產(chǎn)生的干擾
變頻器的整流橋和晶閘管逆變電路對(duì)于電網(wǎng)來講就是非線性負(fù)載,在逆變輸出回路中,,輸出電流信號(hào)是受PWM 載波信號(hào)調(diào)制的脈沖波形,,這樣,輸出回路電流信號(hào)也可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波的信號(hào),,這些諧波除了能構(gòu)成電源無功損耗的較低次諧波外,,還有許多頻率很高的諧波成分。
它們以各種方式將自己的能量傳播出去,,形成對(duì)變頻器本身以及電力系統(tǒng)中的其他設(shè)備的干擾信號(hào),。
5 高次諧波干擾的危害
諧波電流和諧波電壓的產(chǎn)生,對(duì)公用電網(wǎng)是一種污染,,它使得系統(tǒng)內(nèi)用電設(shè)備的使用條件惡化,,對(duì)其工作性能和壽命產(chǎn)生不利影響;對(duì)系統(tǒng)內(nèi)通信系統(tǒng)及電子設(shè)備產(chǎn)生干擾,,容易干擾通信線路并導(dǎo)致電子設(shè)備發(fā)生故障,。
諧波對(duì)電力設(shè)備或電力系統(tǒng)的危害主要表現(xiàn)在:
1)變壓器電流諧波將增加銅損,諧波電壓將增加鐵損,,其綜合結(jié)果就是使得變壓器的溫度上升,。諧波還可能引起變壓器繞組及線間電容之間的共振,從而產(chǎn)生噪聲污染,。
2)變頻器當(dāng)變頻器輸入電壓發(fā)生畸變,,輸入電流峰值增大,就使得變頻器整流二極管及電解電容負(fù)擔(dān)加重,,容易產(chǎn)生過電壓或者過電流,,導(dǎo)致變頻器的運(yùn)行不正常。由于變頻器屬于電力電子裝置,,很容易感受諧波失真而誤動(dòng)作,,從而影響變頻器的工作性能和使用壽命。
3)電動(dòng)機(jī)電機(jī)繞組存在雜散電容,諧波主要引起電動(dòng)機(jī)的附加發(fā)熱,,導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的額外溫升,,使得電動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率下降。諧波的產(chǎn)生還會(huì)引起繞組不均勻處過熱導(dǎo)致的絕緣層損壞,、電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈沖及噪聲的增加,。
4)供電線路高頻諧波電流使線路阻抗隨著頻率的增加而提高,對(duì)供電線路產(chǎn)生了附加諧波損耗,,造成電能的浪費(fèi),,并且導(dǎo)體對(duì)高頻諧波電流的集膚效應(yīng)使線路的等效阻抗增加,導(dǎo)致線路壓降增大,,輸出電纜的截面要相應(yīng)增大。
5)電力電容器工頻狀態(tài)下,,電力系統(tǒng)裝設(shè)的電容器比系統(tǒng)中的感抗要大得多,。但在諧波頻率較高時(shí),感抗值成倍增加而容抗值大幅減少,,這就可能出現(xiàn)諧振,,諧振造成異常電流進(jìn)入電容器,導(dǎo)致電容器過熱,,絕緣破壞直至燒毀,。
此外,諧波可能導(dǎo)致開關(guān)設(shè)備,、保護(hù)電器的誤動(dòng)作,,影響計(jì)量儀表測(cè)量精度。
6 變頻器抗干擾的對(duì)策
一般來說,,形成電磁干擾(EMI)必須具備三個(gè)要素:電磁干擾源,、電磁干擾途徑、對(duì)電磁干擾敏感的系統(tǒng),。
6.1 干擾途徑
變頻器產(chǎn)生的諧波功率較大,,高次諧波的含量豐富,是典型的具有較強(qiáng)干擾性的電磁干擾源,。電網(wǎng)中的電力變壓器,、變頻器、電力電容器,、電力電子設(shè)備,、開關(guān)、保護(hù)電器,、照明設(shè)備等都是對(duì)電磁干擾比較敏感的設(shè)備,。由于變頻器能產(chǎn)生較大功率的諧波,其干擾途徑與一般電磁干擾的途徑一致,主要分以下幾種方式,。
1)電路耦合(傳導(dǎo))方式即通過電網(wǎng)傳播,。由于輸入電流為非正弦波,當(dāng)變頻器的容量足夠大時(shí),,使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生一定的畸變,,影響其他設(shè)備正常工作,同時(shí),,輸出端產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾使直接驅(qū)動(dòng)的電機(jī)的損耗大幅增加,,影響電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性。這也是變頻器輸入電流干擾信號(hào)的主要傳播方式,。
2)感應(yīng)耦合方式當(dāng)變頻器的輸入電路或輸出電路與其他設(shè)備靠近時(shí),,變頻器的高次諧波信號(hào)可能通過感應(yīng)的方式耦合到其他設(shè)備中去,造成一定的諧波干擾,。電流和電壓干擾信號(hào)分別通過電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)的方式耦合,。
3)輻射方式主要以電磁波方式向外輻射,對(duì)其他設(shè)備造成干擾,。這是功率較大且頻率很高的諧波分量的主要傳播方式,。
6.2 抗干擾措施
為了防止干擾,總的原則是抑制和消除干擾源,,切斷干擾對(duì)系統(tǒng)的耦合通道,,降低系統(tǒng)對(duì)干擾信號(hào)的敏感性。在實(shí)際工程中,,采取的措施主要有兩大類,,一是在電網(wǎng)系統(tǒng)中采用適當(dāng)?shù)拇胧┮种苹蛳C波,二是對(duì)變頻裝置本身進(jìn)行改造,,使其盡量少產(chǎn)生諧波,。
6.2.1 在電網(wǎng)系統(tǒng)中采用的措施
在電網(wǎng)系統(tǒng)中采用適當(dāng)?shù)拇胧┮种苹蛳C波的方式主要有以下幾種。
1)干擾隔離是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來,,實(shí)際工程中,,通常在電源和變頻器之間是加裝隔離變壓器以避免傳導(dǎo)干擾。隔離變壓器一般采用Dyn接線組別的三相變壓器,,負(fù)荷側(cè)的諧波電流在變壓器的“角形”繞組中循環(huán),,不至流入電網(wǎng)。
2)屏蔽接地電氣裝置為了防止其內(nèi),、外部的電磁感應(yīng)或靜電感應(yīng)的干擾而對(duì)屏蔽體進(jìn)行接地,,稱為屏蔽接地。按照功能劃分,,一般有以下幾種:
?。?)靜電屏蔽的接地目的是為了把金屬屏蔽體上的感應(yīng)靜電干擾信號(hào)直接導(dǎo)入地中,同時(shí)減少分布電容的寄生耦合,保證人身安全,。接地是消除導(dǎo)體上靜電的一種有效辦法,,簡單可靠,費(fèi)用低,。
?。?)電磁屏蔽的接地目的是為了減少電磁干擾和靜電耦合。
?。?)磁屏蔽的接地目的是為了防止形成環(huán)路產(chǎn)生環(huán)流而發(fā)生電磁干擾,。
通常變頻器用自身的機(jī)殼屏蔽,能減少電磁干擾,,考慮到附屬設(shè)備較多,,線路復(fù)雜,宜設(shè)置專門的變頻柜,,對(duì)變頻柜做可靠接地,。這樣既能屏蔽交流調(diào)速系統(tǒng)向外輻射能量,又能防止外界電磁干擾,。
3)合理布線通過對(duì)電氣線路的合理布置,能有效削減通過感應(yīng)方式傳播的干擾信號(hào),。應(yīng)用中須注意電氣設(shè)備的電源和信號(hào)線應(yīng)和變頻器的輸入和輸出線保持足夠間距,;此外,變頻器信號(hào)線應(yīng)采用雙芯屏蔽型,,并要求信號(hào)線盡量短,。信號(hào)線一般采用鋼管屏蔽。
6.2.2 對(duì)變頻器進(jìn)行改造
對(duì)變頻裝置本身進(jìn)行改造,,使其盡量少產(chǎn)生諧波的方式主要有以下幾種,。
1)濾波器在電磁兼容設(shè)計(jì)中常用的是低通高阻濾波器。它在低頻時(shí)與電路串聯(lián)的阻抗很低,,與電路并聯(lián)的阻抗很高,;在高頻時(shí)阻帶范圍串聯(lián)阻抗高,而并聯(lián)阻抗很小,。濾波器主要用于抑制變頻器產(chǎn)生的電磁干擾噪聲的傳導(dǎo),,也能抑制外界的電磁干擾以及瞬時(shí)沖擊、浪涌電流對(duì)變頻器的干擾,。
依據(jù)使用位置的不同,,一般可分為輸入濾波器和輸出濾波器。
輸入濾波器有兩種,,線路濾波器和輻射濾波器,。
線路濾波器串聯(lián)在變頻器輸入側(cè),由電感線圈組成,通過增大電路的阻抗減小高頻率的諧波電流,。輻射濾波器并聯(lián)在電源與變頻器輸入側(cè),,由高頻電容器組成,可以吸收頻率較高具有輻射能量的諧波成分,,用于降低無線電噪聲,。
輸出濾波器串聯(lián)在變頻器輸出側(cè),由電感線圈組成,,可以減少輸出電流中的高次諧波成分,,抑制變頻器輸出側(cè)的浪涌電壓,同時(shí)可以減小電動(dòng)機(jī)有高頻諧波電流時(shí)引起的附加轉(zhuǎn)矩,。
2)電抗器在電路中串入電抗器是抑制較低頻率諧波電流的有效方式,。依據(jù)接線位置的不同,主要分交流電抗器和直流電抗器兩種,。
交流電抗器串聯(lián)在電源與變頻器的輸入側(cè)之間,,主要是為了防止電源電網(wǎng)上的干擾。其特點(diǎn)是自身分布電容較小,,諧振點(diǎn)避開抑制頻率范圍,,能有效減少干擾電壓,同時(shí)也能保證供電回路的電壓降在2%以內(nèi),,功耗小,。
直流電抗器是專門用在變頻器的直流電路中,直流電抗器的功能較為單一,,就是削減輸入電流中的高次諧波成分,,改善變頻器輸入的功率因數(shù)。直流電抗器在提高功率因數(shù)方面比交流電抗器效果明顯,,且具有結(jié)構(gòu)簡單,,體積小等優(yōu)點(diǎn)。
7 結(jié)語
本文對(duì)變頻器諧波干擾的產(chǎn)生和抑制作了初步分析,,對(duì)在工程實(shí)踐中如何提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性作了簡單探討,。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步,對(duì)變頻器的使用越來越廣泛,,因此重視變頻器的EMC要求,,以適應(yīng)更廣泛的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,提高系統(tǒng)的工作可靠性已經(jīng)成為變頻調(diào)速系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵問題,。