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韓繼金 <BR> (濟南鋼鐵集團總公司自動化部)<BR> <BR> 摘 要 討論了交流變頻器系統的抗干擾性和干擾性<BR> 并提出了防干擾和抗干擾的錯是。<BR> 關鍵詞 干擾性 電磁兼容性 變頻<BR> <BR> 隨著我國經濟的發展和科技的進步，交流變頻調速的應用越來越廣泛。在各種調速方式中，交流變頻調速技術已被國內外公認為是最理想、最有發展前途的一種調速方式了。當工廠和設備采用交流調速時，在變頻器的電源側和電機側都會產生諧波干擾。一方面當變頻器運行時要防止會受到外界的電磁干擾；另一方面又要防止產生高次諧波干擾外部其他設備，即所謂的“EMC”。<BR> 一、 什么是EMC？<BR> EMC即是“電磁兼容性”。它是指電氣設備在電磁環境中良好的工作能力，并且不能產生在此環境中工作的其它設備所不能接受的電磁干擾。<BR> 國際電工委員會（IEC）對電磁兼容性的定義是：“電磁兼容性是電子設備的一種功能，電子設備在電磁環境中能完成其功能而不產生不能容忍的干擾。”<BR> 我國頒布的“電磁兼容性”國家標準中，對電磁兼容性作出如下定義：“設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中的任何事物構成不能承受的電磁干擾”。<BR> 顯然，電磁兼容性含有雙重含義：抗干擾性和干擾性。<BR> 二、 變頻器及電磁兼容性<BR> 一般來說，電氣設備必須同時具有對高頻和低頻干擾的抑制能力。其中高頻干擾主要包括靜電放電、脈沖干擾和發射性頻率的電磁場等；而低頻干擾主要指電源電壓波動、欠壓和頻率不穩定等。通常變頻器能夠運行在一個可能存在著較高電磁干擾（EM1）的工業環境中，它既是噪聲發射源，可能又是噪聲接受器。<BR> 1、 變頻器所受的外部干擾<BR> 1） 晶體管換流設備對變頻器的干擾： 當供電網絡內有容量較大的晶閘管換流設備時，由于晶閘管總是在每相半周期內的部分時間導通，容易使網絡電壓出現凹凸（如圖1-1所示）。它使變頻器輸入側的整流電路有可能因此出現較大的反向回復電壓而受到損害。<BR> 2） 補償電容器的投入和切出對變頻器的干擾： 當在供電線路的變電所內采用集中電容補償的方法來提高功率因數時，在補償電容投入和切出的暫態過程中，網絡電壓有可能出現很高的峰值（如圖1-2所示）。其結果是可能使變頻器的整流二極管內承受過高的反向電壓而擊穿。<BR> 2、 變頻器對外部的干擾<BR> 1） 變頻器電流波形：變頻器的輸入電流和輸出電流中，都具有較強的高次諧波成分，它們將對其它控制設備形成干擾，影響其它設備的正常工作。<BR> 輸入電流的波形： 如“交-直-交”電壓型變頻器的輸入側是整流和濾波電路（如圖示2-2所示），只有電源的線電壓U2大于電容兩端的電壓UD時，整流橋中有充電電流。充電電流總是出現在電源電壓的振幅值附近，呈不連續的沖擊波形式（如圖2-1所示）。它具有很高的奇次諧波成份，特別是5次和7次諧波，如表一（以西門子MM3變頻器為例）。<BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/20061279331736406.bmp" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/20061279331736406.bmp" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/20061279341445832.bmp" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/20061279341445832.bmp" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> 輸出電壓與電流的波形: 絕大多數變頻器的逆變橋都采用PWM調制方式(如圖2—2)，其輸出電壓為占空比按正弦規律分布的系列矩形波（如圖2-3所示）。<BR> 寄生電容Cp存在于電機電纜和電機內部，因此變頻器的PWM輸出電壓波形的開關翼部通過寄生電容產生一個高頻脈沖電流Is，使變頻器成為一個諧波干擾源。由于諧波電流Is的產生源是變頻器,因此它一定要流回變頻器。圖中Ze為 大地阻抗,Zn為動力電纜與地之間的阻抗。諧波電流流過此二阻抗所造成的電壓降,將影響到同一電網上的其它設備造成干擾。<BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/2006127936754672.bmp" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/2006127936754672.bmp" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/2006127937071229.bmp" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/2006127937071229.bmp" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> 3、 干擾信號的傳播方式<BR> 變頻器的輸入和輸出電流中，都含有很多高次諧波成份，它們將以各種方式把自己的能量傳播出去，形成對其它設備的干擾信號。大體上說，干擾信號的傳播方式有以下幾種<BR> 1） 電路耦合方式：即通過電源網絡傳播。<BR> 由于輸入電流為非正弦波，當變頻器的容量較大時，將使網絡電壓產生畸變，影響其它設備工作。這是變頻器輸入電流干擾信號的主要傳播方式。<BR> 2） 感應耦合方式：當變頻器輸入電路或輸出電路與其它設備的電路靠得很近時，變頻器的高次諧波信號將通過感應的方式耦合到其它設備中去。感應的方式有兩種<BR> 電磁感應方式：即通過電感而感應。這是電流干擾信號的主要傳播方式。<BR> 靜電感應方式：即通過線間電容而感應。這是電壓干擾信號的主要傳播方式。 <BR> 3） 空中幅射方式：即以電磁波的方式向空中幅射，這是頻率較高的諧波含量的主要傳播方式。<BR> 4、 變頻器的抗干擾措施<BR> 1）、電抗器（如圖4-1所示）：在變頻器的輸入回路中，頻率較低的諧波含量（5-11次等）所含的比重較高，它們除了可能干擾其他設備的正常運行之外，還因為它們消耗了大量的無功功率，使線路的功率因數大為下降。在輸入電路中串入電抗器是抑制較低諧波電流的有效方法。<BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/20061279393840451.bmp" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/20061279393840451.bmp" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> 交流電抗器（進線電抗器）：串聯在電源與變頻器輸入側之間（如圖4-1中La），進線電抗器的主要作用如下：<BR> （1） 降低變頻器產生的諧波，同時增加電源阻抗。<BR> （2） 吸收削弱附近設備產生的浪涌電壓、電流和主電源的電壓尖峰對變頻器的沖擊。<BR> （3） 消弱電源電壓不平衡對變頻器的影響<BR> 直流電抗器（平波電抗器）：串聯在整流橋和濾波電容之間(如圖4-1中Ld)，它的功能主要就是削弱逆變器輸入電流中的高次諧波成份，并且可通過抑制諧波電流來提高功率因數。<BR> 2）濾波器； 在變頻器的輸入輸出側電路中，除上述較低次的諧波成份外，還有許多頻率較高的諧波電流，它們將以各種方式形成對其他設備的干擾信號，濾波器就是用于削弱頻率較高的諧波分量的方法(如圖4-2所示)。<BR> 輸入濾波器：通常有兩種<BR> （1） 線路濾波器：主要由電感線圈構成(如圖4-2中F11所示)。它主要通過增大線路在高頻下的阻抗來削弱頻率較高的諧波電流。<BR> （2） 輻射濾波器：主要由高頻電容構成(如圖4-2中F12所示,也可以△接方式)。它將吸收掉頻率很高的具有輻射能量的諧波成份。使得流回電源的高頻電流大大減少。（也可以采用變頻器生產廠家提供的專用“無線電抗干擾濾波器”）。<BR> 輸出濾波器：也主要由電感線圈構成（如圖4-2中F0所示）。它可以有效地削弱輸出電流中的高次諧波成份，不但起到抗干擾作用，而且能削弱電機中高次諧波電流引起的附加轉矩。<BR> 注：當輸出濾波器由LC電路構成時，濾波器內接入電容器的一側，必須與電動機相接。<BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/20061279404488830.bmp" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/20061279404488830.bmp" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> 3）、使用屏蔽電纜及合理布線： 對通過感應方式傳播的干擾信號可通過下列方式予以消除。<BR> 使用屏蔽電機電纜：對于高頻干擾，如果高次諧波干擾電流Is有一條合理的通道，則高頻干擾是可以得到抑制的。如果使用非屏蔽電纜，則高次干擾諧波電流Is以一個不確定的路線流回變頻器，并在此回路中產生高頻分量壓降，影響干擾其它設備。為使高次諧波干擾電流Is能沿確定路線流回變頻器，需要采用屏蔽電機電纜(如圖4-3所示)。電纜屏蔽層必須連接到變頻器外殼和電機外殼上，當高次諧波干擾電流Is必須回變頻器時，屏蔽層形成一條有效的通道。這樣，高次諧波干擾電流就不會在Ze上產生壓降，在Zn上的壓降可由進線電抗干擾濾波器來抑制（如圖4-2中的F12）。<BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/20061279413098712.bmp" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/20061279413098712.bmp" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> 屏蔽信號電纜增加抗干擾(如圖4-4所示)： 當變頻器作為被干擾對象時，高次諧波干擾電流Is可以通過電勢和耦合電容進入變頻器并且在阻抗Zi上產生一個壓降，導致噪聲干擾。為此最有效的方法是嚴格隔離高頻干擾和信號電纜，并且信號電纜屏蔽一定要在兩端接地。<BR> 控制電纜最好使用屏蔽電纜。一般來說，控制電纜的屏蔽層應直接在變頻器的內部接地，另一側通過一個高頻小電容（例如3.3nf/3000V）接地。當屏蔽層兩端的差模電壓不高和連接到同一地線上時，也可以將屏蔽層的兩端直接接地。信號線和它的返回線絞在一起，減小感性耦合引起的干擾。絞合越靠近端子越好。模擬信號的傳輸線應使用雙屏蔽的雙絞線。不同的模擬信號線應該獨立走線，有各自的屏蔽層，以減少線間的耦合。不要把不同的模擬信號置于同一個公共反回線。低壓數字信號最好使用雙屏蔽的雙絞線，也可以使用單屏蔽的雙絞線。<BR> 良好的接地及合理的布線：確保柜體中的所有設備接地良好，使用短和粗的接地線連接到公共接地點或接地母排上。特別重要的是，連接到變頻器的任何控制設備要與其共地,同樣也要用短和粗的導線接地。最好采用扁平導體（如金屬網），因其在高頻時阻抗較低。<BR> 合理布線也是很重要，模擬信號和數字信號的傳輸電纜應該分別走線。盡量不要將低壓線與220VAC電源線共用同一電纜。應盡量避免電機電纜與其它電纜長距離平行走線。<BR> 設計控制柜體時要注意EMC的區域原則，盡量把不同的設備規劃在不同的區域中。<BR> 三、 結束語<BR> 設備的抗干擾性和干擾性是一個很重要的問題，目前EMC已成為系統故障的一個主要原因。EMC的一條準則是“預防是最有效的、最經濟的方案”。所以EMC已成為保證變頻設備可靠正常運行的一個不可忽視的重要問題。<BR>
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