变频器抗干扰技术.doc

引言:
  在鼠笼式异步电动机多种调速方法中, 变频调速传动系统占有极其关键地位, 其含有强大生命力。这类系统含有功率因数高、 输出谐波小、 起动平稳、 调速范围宽等优点。因为变频器含有高效、 节能和智能化特点, 所以成为电力电子技术和交流传动关键 组成部分。变频器大多运行于恶劣电磁环境, 且作为电力电子设备, 内部由电子元器件、 计算机芯片等组成, 易受外界部分电气 干扰, 其输入侧和输出侧电压、 电流含有丰富高次谐波, 投入运行既要预防外界干扰它, 又要预防它干扰外界, 即所谓电磁兼 容性。 变频器电磁兼容性问题处理好坏很大程度决定了交流变频调速传动系统可靠性。所以电磁兼容性越来越成为需要迫切关切和解 决关键技术问题。
变频调速传动系统关键电磁干扰源及路径:
  关键电磁干扰源
  电磁骚扰, 称电磁干扰(EMI), 是以外部噪声和无用信号在接收中所造成电磁骚扰, 以路传导和以场形式传输。变频器 整流桥对电网来说是非线性负载, 它所产生谐波对同一电网其它电子、 电气设备产生谐波干扰。另外变频器逆变器大多采取 PWM技术, 当工作于开关模式且作高速切换时, 产生大量耦合性噪声。所以变频器对系统内其它电子、 电气设备来说是一电磁干扰源 。其次, 电网中谐波干扰关键经过变频器供电电源干扰变频器。电网中存在大量谐波源如多种整流设备、 交直流交换设备、 电子电压调整设备, 非线性负载及照明设备等。这些负荷都使电网中电压、 电流产生波形畸变, 从而对电网中其它设备产生危害 干扰。变频器供电电源受到来自被污染交流电网干扰后若不加处理, 电网噪声就会经过电网电源电路干扰变频器。供电电源 干扰对变频器关键有:   （1）过压、 欠压、 瞬时掉电   （2）浪涌、 跌落   （3）尖峰电压脉冲   （4）射频干扰 其次, 共模干扰经过变频器控制信号线也会干扰变频器正常工作。
  电磁干扰路径
变频器能产生功率较大谐波, 因为功率较大, 对系统其它设备干扰性较强, 其干扰路径与通常电磁干扰路径是一致, 关键分传导、 电磁辐射、 感应耦合。具体为:首先对周围电子、 电气设备产生电磁辐射;其次对直接驱动电动机产生电磁噪声, 使得电机铁耗和 铜耗增加;并传导干扰到电源, 经过配电网络传导给系统其它设备;最终变频器对相邻其它线路产生感应耦合, 感应出干扰电压或电 流。一样, 系统内干扰信号经过相同路径干扰变频器正常工作。
抗电磁干扰方法
  据电磁性基础原理, 形成电磁干扰(EMI)须含有三要素:电磁干扰源、 电磁干扰路径、 对电磁干扰敏感系统。为预防干扰, 可采取 硬件抗干扰和软件抗干扰。其中, 硬件抗干扰是应用方法系统最基础和最关键抗干扰方法, 通常从抗和防两方面入手来抑制干扰, 其总标准是抑制和消除干扰源、 切断干扰对系统藕合通道、 降低系统干扰信号敏感性。具体方法在工程上可采取隔离、 滤波、 屏 蔽、 接地等方法。
  隔离
所谓干扰隔离, 是指从电路上把干扰源和易受干扰部分隔离开来, 使它们不发生电联络。在变频调速传动系统中, 通常是电 源和放大器电路之间电源线上采取隔离变压器以免传导干扰, 电源隔离变压器可应用噪声隔离变压器。
  使全部信号线很好地绝缘, 使其不可能漏电, 这么, 预防因为接触引入干扰;
  将不一样种类信号线隔离铺设（在不一样一电缆槽中, 或用隔板隔开）, 我们能够依据信号不一样类型将其按抗噪声干扰能力分成几等。
  模拟量信号（模人、 摸出, 尤其是低电平模人信号如热电偶信号, 热电阻信号等）对高频脉冲信号抗干扰能力是很差。提议用 屏蔽双绞线连接, 且这些信号线必需单独占用电线管或电缆槽, 不可与其它信号在同一电缆管（或槽）中走线。
  低电平开关信号（部分状态干结点信号）, 数据通信线路（RS232、 EIA485等）, 对低频脉冲信号抗干扰能力比上种信号要强, 但提议最好采取屏蔽双绞线（最少用双绞线）连接。这类信号也要单独走线, 不可和动力线和大负载信号线在一起平行走线。
  高电平（或大电流）开关量输入输出、 CATV、 电话线, 以及其它继电器输入输出信号, 这类信号抗干扰能力又强于以上两种, 但这些信号会干扰别信号, 所以提议用双绞线连接, 也单独走电缆管或电缆槽。
动力线AC 220V、 380V, 以及大通断能力断路器、 开关信号线等, 这些线电缆选择关键不是依抗干扰能力, 而是由电流负载和耐压 等级决定。
  以上说明, 同一类信号可能放在一条电缆管或槽中, 相近种类信号假如必需在同一电缆槽中走线, 则一定要用金属隔板将它们 隔开。
  还有一个隔离是将信号源同变频器在电气上进行隔离, 这么, 会大大地减小共模干扰对变频控制系统造成危害。采取隔离 放大器将信号输入端子与变频器部分完全隔离（有系统中采取隔离变压器, 或继电器等方法隔离, 对开关量则能够采取光电器件, 或继电器进行隔离）。
屏蔽
  屏蔽就是用金属导体, 把被屏蔽元件, 组合件, 电话线, 信号线包围起来。这种方法对电容性耦合噪声抑制效果很好。最常见就是 用屏蔽双绞线连接模拟信号。
以上说电气屏蔽, 但在很多场所下, 信号除了受电噪声干扰以外, 关键还受到强交变磁场影响, 如电站, 冶炼厂重型机械厂等, 那 么, 我们除了要考虑电气屏蔽以外, 还要考虑磁屏蔽, 即考虑用铁、 镍等导磁性能好导体进行屏蔽。
  绞线。用双绞线替换两根平行导线是抑制磁场干扰有效措施。原理是每个小绞纽环中会经过交变磁通, 而这些改变磁通会在周围 导体中产生电动势, 它由电磁通感应定律决定, 相邻绞纽环中在同一导体上产生电动势方向相反, 相互抵消, 这对电磁干扰起到很好 抑制作用。
屏蔽干扰源是抑制干扰最有效方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽, 不让其电磁干扰泄漏;输出 线最好用钢管屏蔽, 尤其是以外部信号控制变频器时, 要求信号线尽可能短(通常为20m以内), 且信号线采取双芯屏蔽, 并与主电路 输入和输出线及控制线(AC220V)完全分离, 决不能放于同一配管或线槽内, 周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效, 屏蔽罩 必需可靠接地。
  滤波
  当系统抗干扰能力要求较高时, 为降低对电源干扰, 在电源输入端可加装电源滤波器。为抑制变频器输入侧谐波电流, 改善功 率原因, 可在变频器输入端加装交流电抗器, 选择是否可视电源变压器与变频器容量匹配情况及电网许可畸变程度而定, 通常情 况下采取为好。为改善变频器输出电流, 降低电机噪声, 可在变频器输出端加装交流电抗器。在系统线路中设置滤波器作用是为了 抑制干扰信号从变频器经过电源线传导干扰到电源从电动机。为降低电磁噪声和损耗, 在变频器输出侧可设置输出滤波器;为降低对 电源干扰, 可在变频器输入侧设置输入滤波器。若线路中有敏感电子设备, 可在电源线上设置电源噪声滤波器以免传导干扰。
  接地
  接地作用总概括起来只有两种: 保护人和设备不受损害; 抑制干扰; 抑制干扰接地在有书中又叫工作接地, 而前者又叫保护接地。
  保护接地
  保护接地是将变频控制系统中平时不带电金属部分（机柜外壳, 操作台外壳等）与地之间形成良好导电连接, 以保护设备 和人身安全。原因是变频控制系统供电是强电供电, 通常情况下机壳等是不带电, 当故障发生（如主机电源故障或其它故障）造成 电源供电相线与外壳等导电金属部件短路时, 这些金属部件或外壳就形成了带电体, 假如没有很好接地, 那么这带电体和地之间就 有很高电位差, 假如人不小心触到这些带电体, 那么就会经过人身形成通路, 产生危险。所以, 必需将金属外壳和地之间作很好连 接, 使机壳和地等电位。另外, 保护接地还能够预防静电积聚。
  工作接地
  工作接地是为了使变频控制系统以及与之相连仪表均能可靠运行并确保测量和控制精度而设接地。它分为机器逻辑地、 信 号回路接地、 屏蔽接地, 在石化和其它防爆系统中还有本安接地。
  （1）机器逻辑地, 也叫主机电源地, 是变频器内部逻辑电平负端公共地, 也是+5V等电源输出地。
  （2）信号回路接地, 如各变送器负端接地, 开关量信号负端接地等。
  （3）屏蔽接地（模拟信号屏蔽层接地）。
  （4）本安接地, 是本安仪表或安全栅接地。这种接地除了抑制干扰外, 还有使仪表和系统含有本质安全性质方法之一。本 安接地会因为采取设备不一样而不一样, 安全栅作用是保护危险现场端永远处于安全电源和安全电压范围之内。假如现场端短路, 则由 于负载电阻和安全栅电阻R限流作用, 会将导线上电流限制在安全范围内, 使现场端不至于产生很高 温度, 引发燃烧。第二种情况, 假如变频器一端产生故障, 则高压电信号加入了信号回路, 则因为齐纳二级嵌位作用, 也使电压位于安 全范围。值得提醒是, 因为齐纳安全栅引入, 使得信号回路上电阻增大了很多, 所以, 在设计输出回路负载能力时, 除了要考虑 真正负载要求以外, 还要充足考虑安全栅电阻, 留有余地。
  除了上述多个接地外, 在很多场所下轻易引发混乱还有一个供电系统地, 也叫交流电源工作地, 它是电力系统中为了运行需要 而设置接地(如中性点接地)。
 上面介绍了六种接地: 供电系统地、 保护地、 逻辑地、 屏蔽地安全栅地、 信号回路地。对这六种接地, 各设备生产商有其不一样 要求, 即使大都强调一点接地, 接地电阻必需小于1欧姆等, 但具体内容上差异很大, 下面给出多个例子介绍常碰到接地要求和方法。
  供电系统地: 在很多企业, 尤其是电厂、 冶炼厂等, 其厂区内有一个很大地线网, 而通常供电系统地是与地线网连在一起。有 厂家强调变频控制系统系统全部接地必需和供电系统地以及其它（如避雷地）严格分开, 而且之间最少应保持15m以上距离。为了彻 底预防供电系统地影响, 提议供电线线路用隔离变压器隔开。这对那些电力负荷很重, 而且负荷常常启停单位是应注意。从抑制干 扰角度来看, 将电力系统地和变频器系统全部地分开是很有好处, 因为通常电力系统地线是不太洁净。但从工程角度来看, 在 有些场所下单设变频器系统地并确保其与供电系统地隔开一定距离是很困难, 这时能够考虑能否将变频控制系统地和供电地共用一个 , 这要考虑多个原因:
  （1）供电系统地上是否干扰很大, 如大电流设备启停是否频繁, 对地产生干扰是否大;
  （2）供电系统地接地电阻是否足够小, 而且整个地网各个部分电位差是否很小, 即地网各部分之间是否阻值很小。
  （3）变频控制系统抗干扰能力以及所用到传输信号抗干扰能力, 比如有没有小信号(电偶, 热电阻)直接传输等。
  全部变频控制系统接线包含到接地采取一点接地方法, 在这一点上, 也有很多争议。有厂家系统提出多个地: 逻辑地、 屏蔽 地（又叫模拟地）、 信号地、 保护地分别各自接地, 而大部分系统则指出多种地在机柜内部自己分别接地, 汇于一点, 然后用较粗导体 （铜）将各汇地点朕起来, 接到一个公共接地体上。这里有几点需要注意:
变频控制系统本身是由多台设备组成, 除了控制站以外, 还包含很多外设, 而且外设也不止一台, 这就包含到了多台设备, 多个接地 问题。另外, 通常变频器供电是各站（控制站, 操作站等）用专门一条线单独供电, 即相互之间不相互供电。
  保护接地: 变频控制系统全部设备都有一个保护地, 该保护通常在机柜和其它设备设计加工时就已在内部接好, 有系统中已将该保护 地在内部同电源进线保护地（三芯插头中间头）连在一起, 有不许可将保护地同该线相连, 用户一定要仔细阅读厂家提供接地安 装说明书, 不管哪种方法, CG必需将一台设备（控制站、 操作员站等）上全部外设或系统CG连在一起, 然后用较粗绝缘铜导线将各站CG连在一起, 最终从一点上与大地接地系统相连。还有一点值得提醒是, 变频器全部外设必需从一条供电线上供电, 而不许可从其它回路供电, 不然可能会烧坏接口甚至设备, 对于不得不用长线连接场所, 或用较粗导线提供供电, 或采取通信隔离方法。
  模拟地（AG）, 模拟地（又叫屏蔽地）是全部接地中要求最高一个。几乎全部系统都提出AG一点接地, 而且接地电阻小于一欧姆。 变频器设计和制造中, 在机柜内部都安置了AG汇流排或其它设施。用户在接线时将屏蔽线分别接到AG汇流 排上, 在机柜底部, 用绝缘铜辫连到一点, 然后将各机柜汇流点再用绝缘铜辫或铜条以辐射状连到接地点。大多数变频器要求, 不仅各机柜AG对地电阻＜1欧姆, 而且各机柜之间电阻也要＜1欧姆。
  信号地, 信号地处理: 标准上不许可各变送器和其它传感器在现场端接地, 而都应将其负端在变频器端子处一点接地。但在有些场所 , 现场端必需接地, 这时, 必需注意原信号输入端子（上双端）绝对不许和变频控制系统接地线有任何电气连接, 而变频控制系统在 处理这类信号时, 必需在前端采取有效隔离方法。
  安全栅地, 安全栅接地, 有三个接地点: B, E, D, 通常B和E两点都在计算机这一侧。能够连在一起, 形成一点接地。而D点是变送器外 壳在现场接地, 若现场和控制室两接地点间有电位差存在, 那么, D点和E点电位就不一样了。假设我们以E作为参考点, 假定是D点出现 10V电势, 此时, A点和E点电位仍为24V, 那么A和D间就可能有34V电位差了, 己超出安全极限电位差, 但齐纳管不会被击穿, 因为A 和E间电位差没变, 所以起不到保护作用。这时假如不小心现场信号线碰到外壳上, 就可能引发火花, 可能会点燃周围可燃性气体, 这么系统也就不含有本安性能了。所以, 在包含到安全栅接地系统设计与实施时, 一定要确保D点和B（E）点电位近似相等。在具体 实践中能够用以下方法处理此问题: 用一根较粗导线将D点与B点连接起来, 来确保D点与B点电位比较靠近。另一个就是利用统一接 地网, 将它们分别接到接地网上, 这么, 假如接地网本身电阻极少, 再用很好连接, 也能确保D点和B点电位近似相等。但注意, 此 接地一定不要与上面多个接地发生冲突。
 以上讨论了多个接地方法和注意事项。在不一样系统中, 对这多个接地组态要求不一样, 但大多数系统对AG接地电阻通常要求 1欧姆以下, 而安全栅接地电阻应＜4欧姆, 最好<1欧姆, PG和CG接地电阻应小于4欧姆。实践证实, 接地往往是抑制噪声和预防干 扰关键手段。良好接地方法可在很大程度上抑制内部噪声耦合, 预防外部干扰侵入, 提升系统抗干扰能力。变频器本身有专用 接地端子PE端, 从安全和降低噪声需要出发, 必需接地。既不能将地线接在电器设备外壳上, 也不能接在零线上。可用较粗短线一 端接到接地端子PE端, 另一端与接地极相连, 接地电阻应小于1Ω, 接地线长度在20m以内, 并注意合理选择接地极位置。
  以上抗干扰方法可依据系统抗干扰要求来合理选择使用。若系统中含控制单元如微机等, 还须在软件上采取抗干扰方法。