變頻器在電力系統(tǒng)工程應(yīng)用中存在的干擾問題以及解決辦法

時間：2012-04-03 15:29:56    第一對焦：低壓變頻器

1 引言
變頻器調(diào)速技術(shù)是集自動控制、微電子、電力電子、通信等技術(shù)于一體的高科技技術(shù)。傳動系統(tǒng)具有功率因數(shù)高、起動平穩(wěn)、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點，可運(yùn)行于惡劣的電磁壞境中。由于采用軟啟動，可以減少設(shè)備電機(jī)的機(jī)械沖擊，延長設(shè)備和電機(jī)的使用壽命。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，變頻器以其具有節(jié)電、節(jié)能、可靠、高效的特性應(yīng)用到各個工業(yè)控制領(lǐng)域中，如供水、空調(diào)、過程控制、電梯、機(jī)床等設(shè)備，保證了調(diào)節(jié)精度，減輕了工人的勞動強(qiáng)度，提高了經(jīng)濟(jì)效益。因變頻器由電子元器件、計算機(jī)芯片等組成，易受外界的電氣干擾，其輸入側(cè)和輸出側(cè)的電壓、電流含有豐富的高次諧波對其他設(shè)備產(chǎn)生干擾，即所謂的電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility-EMC）。
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(shè)備的一種功能，電子設(shè)備在電磁壞境中能完成其功能，而不產(chǎn)生不能容忍的干擾。實際上電磁兼容性具有雙重含義；設(shè)備或系統(tǒng)應(yīng)具有一直抑制外部電磁干擾的能力，而且所產(chǎn)生的電磁干擾不得影響同一電磁壞境中其他電子設(shè)備的正常工作。
變頻器產(chǎn)生的干擾主要有3種：對電子設(shè)備的干擾、對通信設(shè)備的干擾、以及對無線電等產(chǎn)生的干擾。對計算機(jī)和自動控制裝置等電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾主要是感應(yīng)干擾；對通信設(shè)備和無線電等產(chǎn)生的干擾為輻射干擾。如果變頻器的干擾問題解決不好，不但系統(tǒng)無法可靠運(yùn)行，還會影響其他電子、電氣設(shè)備的正常工作。因此，對變頻器應(yīng)用系統(tǒng)中的干擾問題很有必要進(jìn)行控討，以得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。

2 變頻調(diào)速系統(tǒng)的電磁干擾
(1) 主要電磁干擾源
通用變頻器的輸入電路通常由二級管全橋整流電路和直流側(cè)電容器組成，如圖1（a）所示，輸入電流波形隨阻抗的不同相差很大。在電源阻抗比較小的情況下，其波形為窄而高的瘦長型波形，如圖1（b）實線所示；反之，當(dāng)電源阻抗比較大時，其波形為矮而寬的扁平型波形，如圖1（b）虛線所示。

圖1 變頻器的輸入電路和輸出電流波：(a) 輸入電路；
(b) 輸入電流波形

電磁干擾也稱電磁騷擾（EMI），是外部噪聲和無用信號在接收中所造成的電磁干擾。通常是通過電路傳導(dǎo)和以場的形式傳播，變頻器對系統(tǒng)內(nèi)其他的電子、電氣設(shè)備來說是一個電磁干擾源。另一方面，電網(wǎng)中的諧波干擾主要通過變頻器的供電電源干擾變頻器，電網(wǎng)中存在大量諧波源，如各種整流設(shè)備、交直流互換設(shè)備、電子電壓調(diào)整設(shè)備、非線性負(fù)載及照明設(shè)備等。這些負(fù)荷都使電網(wǎng)中的電壓、電流產(chǎn)生波形畸變，從而對電網(wǎng)中其他設(shè)備產(chǎn)生有危害的干擾。變頻器的供電電源受到來自被污染的交流電網(wǎng)的干擾后，若不加以處理，電網(wǎng)噪聲就會通過電網(wǎng)電源電路干擾變頻器。供電電源對變頻器的干擾主要有：過壓、欠壓、順時掉電；浪涌、跌落；尖峰電壓脈沖；射頻干擾。其次，共模干擾通過變頻器的控制信號線也會干擾變頻器的正常工作。
(2) 電磁干擾的途徑
變頻器能產(chǎn)生功率較大的諧波，對系統(tǒng)其他設(shè)備干擾較強(qiáng)：對周圍的電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射；對直接驅(qū)動的電動機(jī)產(chǎn)生電磁噪聲，使得電動機(jī)鐵耗和銅耗增加，并傳導(dǎo)干擾到電源，通過配電網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)給系統(tǒng)其他設(shè)備；變頻器對相鄰的其他線路產(chǎn)生感應(yīng)耦合，感應(yīng)出干擾電壓或電流。同樣，系統(tǒng)內(nèi)的干擾信號通過相同的途徑干擾變頻器的正常工作。現(xiàn)分別加以分析。
① 電磁輻射
變頻器如果不是裝在全封閉的金屬外殼內(nèi)，就可以向外空間輻射電磁波。其輻射場強(qiáng)取決于干擾源的電流強(qiáng)度、裝置的等效輻射阻抗以及干擾源的發(fā)射頻率。變頻器的整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)來說是非線性負(fù)載，它所產(chǎn)生的諧波對接入同一電網(wǎng)的其它電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾。變頻器的逆變橋大多采用PWM技術(shù)，當(dāng)根據(jù)給定頻率和幅值指令產(chǎn)生預(yù)期的和重復(fù)的開關(guān)模式時，其輸出的電壓和電流的功率譜是離散的。并且?guī)в信c開關(guān)頻率相應(yīng)的高次諧波群。高載波頻率和場控開關(guān)器件的高速切換（dv/dt可達(dá)1kv/μs以上）所引起的輻射干擾問題相當(dāng)突出。
當(dāng)變頻器的金屬外殼帶有縫隙或孔洞，則輻射強(qiáng)度與干擾信號的波長有關(guān)，當(dāng)孔洞的大小與電磁波的波長接近時，會形成干擾輻射源向四周輻射。而輻射場中的金屬物體還可能形成二次輻射。同樣，變頻器外部的輻射也會干擾變頻器的正常正作。
② 傳導(dǎo)
電磁干擾除了通過與其相連的導(dǎo)線向外部發(fā)射，也可以通過阻抗耦合或接地路回路耦合將干擾帶入其它電路，與輻射干擾相比，其傳播的路程可以很遠(yuǎn)。比較曲型的傳播途徑是：接自工業(yè)低壓網(wǎng)絡(luò)的變頻器所產(chǎn)生的干擾信號，將沿著配電變壓器進(jìn)入中壓網(wǎng)絡(luò)，并沿著其它的配電變壓器最終又進(jìn)入民用低壓配電網(wǎng)絡(luò)，使接入民用配電母線的電氣設(shè)備成為遠(yuǎn)程的受害者。