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          變頻器引起傳感器的干擾及其處理辦法

          • 瀏覽次數:7583次
          • 發布時間:2015/10/18 15:31:51
          • 作者:量值溯源

          變頻器調速技術

            變頻器調速技術是集自動控制、微電子、電力電子、通信等技術于一體的高科技技術。它以很好的調速、節能性能,在各行各業中獲得了廣泛的應用。由于其采用軟啟動,可以減少設備和電機的機械沖擊,延長設備和電機的使用壽命。隨著科學技術的高速發展,變頻器以其具有節電、節能、可靠、高效的特性應用到了工業控制的各個領域中,如變頻調速在供水、空調設備、過程控制、電梯、機床等方面的應用,保證了調節精度,減輕了工人的勞動強度,提高了經濟效益,但隨之也帶來了一些干擾問題?,F場的供電和用電設備會對變頻器產生影響,變頻器運行時產生的高次諧波也會干擾周圍設備的運行。變頻器產生的干擾主要有三種:對電子設備的干擾、對通信設備的干擾及對無線電等產生的干擾。對計算機、自動控制裝置和測量傳感器等電子設備產生的干擾主要是傳導干擾;對通信設備和無線電等產生的干擾為放射干擾。如果變頻器的干擾問題解決不好,不但系統無法可靠運行,還會影響其他電子、電氣設備的正常工作。

          變頻調速系統的主要干擾源及途徑

          01主要電磁干擾源

            變頻器的整流橋對電網來說是非線性負載,它所產生的諧波會對同一電網的其他電子、電氣設備產生諧波干擾。另外,變頻器的逆變器大多采用PWM技術,當其工作于開關模式并作高速切換時,產生大量耦合性噪聲。因此,變頻器對系統內其它的電子、電氣設備、傳感器來說是一個強電磁干擾源。另一方面,電網中存在大量諧波源,如各種整流設備、交直流互換設備、電子電壓調整設備、非線性負載及照明設備等。這些負荷都使電網中的電壓、電流產生波形畸變,從而對電網中其他設備產生危害的干擾。

          02電磁干擾途徑

            變頻器能產生功率較大的諧波,對系統其他設備干擾性較強。其干擾途徑與一般電磁干擾途徑是一致的,主要分電磁輻射、傳導、感應耦合。具體為:①對周圍的電子、電氣設備產生電磁輻射;②對直接驅動的電動機產生電磁噪聲,使得電動機鐵耗和銅耗增加,并傳導干擾到電源,通過配電網絡傳導給系統其他設備;③變頻器對相鄰的其他線路產生感應耦合,感應出干擾電壓或電流。

            (1)電磁輻射

            變頻器如果不是處在一個全封閉的金屬外殼內,它就可以通過空間向外輻射電磁波。其輻射場強取決于干擾源的電流強度、裝置的等效輻射阻抗以及干擾源的發射頻率。變頻器的整流橋對電網來說是非線性負載,它所產生的諧波對接入同一電網的其它電子、電氣設備產生諧波干擾。變頻器的逆變橋大多采用PWM技術,當根據給定頻率和幅值指令產生預期的和重復的開關模式時,其輸出的電壓和電流的功率譜是離散的,并且帶有與開關頻率相應的高次諧波群。高載波頻率和場控開關器件的高速切換(dv/dt可達1kV/μs以上)所引起的輻射干擾問題相當突出。當變頻器的金屬外殼帶有縫隙或孔洞,則輻射強度與干擾信號的波長有關,當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。

            (2)傳導

            上述的電磁干擾除了通過與其相連的導線向外部發射,也可以通過阻抗耦合或接地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。比較典型的傳播途徑是:接自工業低壓網絡的變頻器所產生的干擾信號將沿著配電變壓器進入中壓網絡,并沿著其它的配電變壓器最終又進入民用低壓配電網絡,使接自民用配電母線的電氣設備成為遠程的受害者。

            (3)感應耦合

            感應耦合是介于輻射與傳導之間的第三條傳播途徑。當干擾源的頻率較低時,干擾的電磁波輻射能力相當有限,而該干擾源又不直接與其它導體連接,但此時的電磁干擾能量可以通過變頻器的輸入、輸出導線與其相鄰的其他導線或導體產生感應耦合,在鄰近導線或導體內感應出干擾電流或電壓。感應耦合可以由導體間的電容耦合的形式出現,也可以由電感耦合的形式或電容、電感混合的形式出現。

          抗電磁干擾的措施

            據電磁性的基本原理,形成電磁干擾(EMI)須具備電磁干擾源、電磁干擾途徑、對電磁干擾敏感的系統等三個要素。為防止干擾,可采用硬件和軟件的抗干擾措施。其中,硬件抗干擾是最基本和最重要的抗干擾措施,一般從抗和防兩方面入手來抑制干擾,其總原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對系統的耦合通道、降低系統對干擾信號的敏感性。具體可采用如下方法:

          01隔離

            所謂干擾的隔離是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來,使它們不發生電的聯系。在變頻調速傳動系統中,通常是在電源和放大器電路之間的電源線上采用隔離變壓器以免傳導干擾,電源隔離變壓器可應用噪聲隔離變壓器。

          02濾波

            設置濾波器的作用是為了抑制干擾信號從變頻器通過電源線傳導干擾到電源及電動機。為減少電磁噪聲和損耗,在變頻器輸出側可設置輸出濾波器。為減少對電源的干擾,可在變頻器輸入側設置輸入濾波器。若線路中有敏感電子設備,可在電源線上設置電源噪聲濾波器,以免傳導干擾。

          03屏蔽

            屏蔽干擾源是抑制干擾的最有效的方法。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽,不讓其電磁干擾泄漏。輸出線最好用鋼管屏蔽,特別是以外部信號控制變頻器時,要求信號線盡可能短(一般為20m以內),且信號線采用雙芯屏蔽,并與主電路及控制回路完全分離,不能放于同一配管或線槽內,周圍電子敏感設備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效,屏蔽罩必須可靠接地。

          04采用變頻功率傳感器

            由于變頻控制系統現場測試條件非常復雜,因此對測試傳感器的電磁兼容性能提出了苛刻的要求。在該場合,應使用變頻測量專用傳感器,如AnyWay品牌的SP系列變頻功率傳感器,該傳感器將傳統的模擬量傳輸及A/D轉換部分集成于傳感器部分,并置于屏蔽罩內,阻隔了外部輻射干擾。另外,傳感器輸出的數字信號采用光纖作為傳輸媒介,切斷了傳導干擾的傳輸途徑,極大的提高了傳感器的電磁兼容能力。

          變頻控制系統設計中應注意的其他問題

            除了前面討論的幾點以外,在變頻器控制系統設計與應用中還要注意以下幾個方面的問題。

            (1)在設備排列布置時,應該注意將變頻器單獨布置,盡量減少可能產生的電磁輻射干擾。在實際工程中,由于受到房屋面積的限制往往不可能有單獨布置的位置,應盡量將容易受干擾的弱電控制設備與變頻器分開,比如將動力配電柜放在變頻器與控制設備之間。

            (2)變頻器電源輸入側可采用容量適宜的空氣開關作為短路保護,但切記不可頻繁操作。由于變頻器內部有大電容,其放電過程較為緩慢,頻繁操作將造成過電壓而損壞內部元件。

            (3)控制變頻調速電機啟/停通常由變頻器自帶的控制功能來實現,不要通過接觸器實現啟/停。否則,頻繁的操作可能損壞內部元件。

            (4)盡量減少變頻器與控制系統不必要的連線,以避免傳導干擾。除了控制系統與變頻器之間必須的控制線外,其它如控制電源等應分開。由于控制系統及變頻器均需要24V直流電源,而生產廠家為了節省一個直流電源,往往用一個直流電源分兩路分別對兩個系統供電,有時變頻器會通過直流電源對控制系統產生傳導干擾,所以在設計中或訂貨時要特別加以說明,要求用兩個直流電源分別對兩個系統供電。

            (5) 注意變頻器對電網的干擾。變頻器在運行時產生的高次諧波會對電網產生影響,使電網波型嚴重畸變,可能造成電網電壓降很大、電網功率因數很低,大功率變頻器應特別注意。解決的方法主要有采用無功自動補償裝置以調節功率因數,同時可以根據具體情況在變頻器電源進線側加電抗器以減少對電網產生的影響,而進線電抗器可以由變頻器供應商配套提供,但在訂貨時要加以說明。

            (6)變頻器柜內除本機專用的空氣開關外,不宜安置其它操作性開關電器,以免開關噪聲入侵變頻器,造成誤動作。

          結語

            通過對變頻器運行過程中存在的干擾問題的分析,提出了解決這些問題的實際方法。以上幾點措施,對于用戶本身來講,去控制干擾源的難度很大,難于實現。這就要求測試系統具備良好的電磁兼容性能,特別是傳感器的抗干擾能力,這也是傳感器生產廠家必須考慮和解決的問題,采用前端數字化技術、選擇光纖作為傳輸媒介是變頻電量測試傳感器的最終歸途。

           


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