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韓繼金
(濟南鋼鐵集團總公司自動化部)
摘 要 討論了交流變頻器係統的抗幹擾性和幹擾性
並提出了防幹擾和抗幹擾的錯是。
關鍵詞 幹擾性 電磁兼容性 變頻
隨(sui)著(zhe)我(wo)國(guo)經(jing)濟(ji)的(de)發(fa)展(zhan)和(he)科(ke)技(ji)的(de)進(jin)步(bu)，交(jiao)流(liu)變(bian)頻(pin)調(tiao)速(su)的(de)應(ying)用(yong)越(yue)來(lai)越(yue)廣(guang)泛(fan)。在(zai)各(ge)種(zhong)調(tiao)速(su)方(fang)式(shi)中(zhong)，交(jiao)流(liu)變(bian)頻(pin)調(tiao)速(su)技(ji)術(shu)已(yi)被(bei)國(guo)內(nei)外(wai)公(gong)認(ren)為(wei)是(shi)最(zui)理(li)想(xiang)、最(zui)有(you)發(fa)展(zhan)前(qian)途(tu)的(de)一(yi)種(zhong)調(tiao)速(su)方(fang)式(shi)了(le)。當(dang)工(gong)廠(chang)和(he)設(she)備(bei)采(cai)用(yong)交(jiao)流(liu)調(tiao)速(su)時(shi)，在(zai)變(bian)頻(pin)器(qi)的(de)電(dian)源(yuan)側(ce)和(he)電(dian)機(ji)側(ce)都(dou)會(hui)產(chan)生(sheng)諧(xie)波(bo)幹(gan)擾(rao)。一(yi)方(fang)麵(mian)當(dang)變(bian)頻(pin)器(qi)運(yun)行(xing)時(shi)要(yao)防(fang)止(zhi)會(hui)受(shou)到(dao)外(wai)界(jie)的(de)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)；另一方麵又要防止產生高次諧波幹擾外部其他設備，即所謂的“EMC”。
一、 什麼是EMC？
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，並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幹擾。
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幹擾。”
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：“設備或係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幹擾”。
顯然，電磁兼容性含有雙重含義：抗幹擾性和幹擾性。
二、 變頻器及電磁兼容性
一般來說，電氣設備必須同時具有對高頻和低頻幹擾的抑製能力。其中高頻幹擾主要包括靜電放電、脈衝幹擾和發射性頻率的電磁場等；而低頻幹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幹擾（EM1）的工業環境中，它既是噪聲發射源，可能又是噪聲接受器。
1、 變頻器所受的外部幹擾
1） 晶體管換流設備對變頻器的幹擾： 當供電網絡內有容量較大的晶閘管換流設備時，由於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複電壓而受到損害。
2） 補償電容器的投入和切出對變頻器的幹擾： 當(dang)在(zai)供(gong)電(dian)線(xian)路(lu)的(de)變(bian)電(dian)所(suo)內(nei)采(cai)用(yong)集(ji)中(zhong)電(dian)容(rong)補(bu)償(chang)的(de)方(fang)法(fa)來(lai)提(ti)高(gao)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)時(shi)，在(zai)補(bu)償(chang)電(dian)容(rong)投(tou)入(ru)和(he)切(qie)出(chu)的(de)暫(zan)態(tai)過(guo)程(cheng)中(zhong)，網(wang)絡(luo)電(dian)壓(ya)有(you)可(ke)能(neng)出(chu)現(xian)很(hen)高(gao)的(de)峰(feng)值(zhi)（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。
2、 變頻器對外部的幹擾
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，它們將對其它控製設備形成幹擾，影響其它設備的正常工作。
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），隻有電源的線電壓U2大於電容兩端的電壓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，呈不連續的衝擊波形式（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）。
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調製方式(如圖2―2)，其輸出電壓為占空比按正弦規律分布的係列矩形波（如圖2-3所示）。
寄生電容Cp存在於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衝電流Is，使變頻器成為一個諧波幹擾源。由於諧波電流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幹擾。
3、 幹擾信號的傳播方式
變(bian)頻(pin)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)中(zhong)，都(dou)含(han)有(you)很(hen)多(duo)高(gao)次(ci)諧(xie)波(bo)成(cheng)份(fen)，它(ta)們(men)將(jiang)以(yi)各(ge)種(zhong)方(fang)式(shi)把(ba)自(zi)己(ji)的(de)能(neng)量(liang)傳(chuan)播(bo)出(chu)去(qu)，形(xing)成(cheng)對(dui)其(qi)它(ta)設(she)備(bei)的(de)幹(gan)擾(rao)信(xin)號(hao)。大(da)體(ti)上(shang)說(shuo)，幹(gan)擾(rao)信(xin)號(hao)的(de)傳(chuan)播(bo)方(fang)式(shi)有(you)以(yi)下(xia)幾(ji)種(zhong)
1） 電路耦合方式：即通過電源網絡傳播。
由you於yu輸shu入ru電dian流liu為wei非fei正zheng弦xian波bo，當dang變bian頻pin器qi的de容rong量liang較jiao大da時shi，將jiang使shi網wang絡luo電dian壓ya產chan生sheng畸ji變bian，影ying響xiang其qi它ta設she備bei工gong作zuo。這zhe是shi變bian頻pin器qi輸shu入ru電dian流liu幹gan擾rao信xin號hao的de主zhu要yao傳chuan播bo方fang式shi。
2） 感應耦合方式：當dang變bian頻pin器qi輸shu入ru電dian路lu或huo輸shu出chu電dian路lu與yu其qi它ta設she備bei的de電dian路lu靠kao得de很hen近jin時shi，變bian頻pin器qi的de高gao次ci諧xie波bo信xin號hao將jiang通tong過guo感gan應ying的de方fang式shi耦ou合he到dao其qi它ta設she備bei中zhong去qu。感gan應ying的de方fang式shi有you兩liang種zhong
電磁感應方式：即通過電感而感應。這是電流幹擾信號的主要傳播方式。
靜電感應方式：即通過線間電容而感應。這是電壓幹擾信號的主要傳播方式。
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。
4、 變頻器的抗幹擾措施
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suo含han的de比bi重zhong較jiao高gao，它ta們men除chu了le可ke能neng幹gan擾rao其qi他ta設she備bei的de正zheng常chang運yun行xing之zhi外wai，還hai因yin為wei它ta們men消xiao耗hao了le大da量liang的de無wu功gong功gong率lv，使shi線xian路lu的de功gong率lv因yin數shu大da為wei下xia降jiang。在zai輸shu入ru電dian路lu中zhong串chuan入ru電dian抗kang器qi是shi抑yi製zhi較jiao低di諧xie波bo電dian流liu的de有you效xiao方fang法fa。
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：
（1） 降低變頻器產生的諧波，同時增加電源阻抗。
（2） 吸收削弱附近設備產生的浪湧電壓、電流和主電源的電壓尖峰對變頻器的衝擊。
（3） 消弱電源電壓不平衡對變頻器的影響
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，並且可通過抑製諧波電流來提高功率因數。
2）濾波器； 在(zai)變(bian)頻(pin)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)側(ce)電(dian)路(lu)中(zhong)，除(chu)上(shang)述(shu)較(jiao)低(di)次(ci)的(de)諧(xie)波(bo)成(cheng)份(fen)外(wai)，還(hai)有(you)許(xu)多(duo)頻(pin)率(lv)較(jiao)高(gao)的(de)諧(xie)波(bo)電(dian)流(liu)，它(ta)們(men)將(jiang)以(yi)各(ge)種(zhong)方(fang)式(shi)形(xing)成(cheng)對(dui)其(qi)他(ta)設(she)備(bei)的(de)幹(gan)擾(rao)信(xin)號(hao)，濾(lv)波(bo)器(qi)就(jiu)是(shi)用(yong)於(yu)削(xue)弱(ruo)頻(pin)率(lv)較(jiao)高(gao)的(de)諧(xie)波(bo)分(fen)量(liang)的(de)方(fang)法(fa)(如圖4-2所示)。
輸入濾波器：通常有兩種
（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。
（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“無線電抗幹擾濾波器”）。
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，不但起到抗幹擾作用，而且能削弱電機中高次諧波電流引起的附加轉矩。
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。
3）、使用屏蔽電纜及合理布線： 對通過感應方式傳播的幹擾信號可通過下列方式予以消除。
使用屏蔽電機電纜：對於高頻幹擾，如果高次諧波幹擾電流Is有一條合理的通道，則高頻幹擾是可以得到抑製的。如果使用非屏蔽電纜，則高次幹擾諧波電流Is以一個不確定的路線流回變頻器，並在此回路中產生高頻分量壓降，影響幹擾其它設備。為使高次諧波幹擾電流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，當高次諧波幹擾電流Is必須回變頻器時，屏蔽層形成一條有效的通道。這樣，高次諧波幹擾電流就不會在Ze上產生壓降，在Zn上的壓降可由進線電抗幹擾濾波器來抑製（如圖4-2中的F12）。
屏蔽信號電纜增加抗幹擾(如圖4-4所示)： 當變頻器作為被幹擾對象時，高次諧波幹擾電流Is可以通過電勢和耦合電容進入變頻器並且在阻抗Zi上產生一個壓降，導致噪聲幹擾。為此最有效的方法是嚴格隔離高頻幹擾和信號電纜，並且信號電纜屏蔽一定要在兩端接地。
控製電纜最好使用屏蔽電纜。一般來說，控製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）jiedi。dangpingbicengliangduandechamodianyabugaohelianjiedaotongyidixianshangshi，yekeyijiangpingbicengdeliangduanzhijiejiedi。xinhaoxianhetadefanhuixianjiaozaiyiqi，jianxiaoganxingouheyinqideganrao。jiaoheyuekaojinduanziyuehao。monixinhaodechuanshuxianyingshiyongshuangpingbideshuangjiaoxian。butongdemonixinhaoxianyinggaidulizouxian，yougezidepingbiceng，yijianshaoxianjiandeouhe。buyaobabutongdemonixinhaozhiyutongyigegonggongfanhuixian。diyashuzixinhaozuihaoshiyongshuangpingbideshuangjiaoxian，yekeyishiyongdanpingbideshuangjiaoxian。
良好的接地及合理的布線：確que保bao櫃gui體ti中zhong的de所suo有you設she備bei接jie地di良liang好hao，使shi用yong短duan和he粗cu的de接jie地di線xian連lian接jie到dao公gong共gong接jie地di點dian或huo接jie地di母mu排pai上shang。特te別bie重zhong要yao的de是shi，連lian接jie到dao變bian頻pin器qi的de任ren何he控kong製zhi設she備bei要yao與yu其qi共gong地di,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。
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。
設計控製櫃體時要注意EMC的區域原則，盡量把不同的設備規劃在不同的區域中。
三、 結束語
設備的抗幹擾性和幹擾性是一個很重要的問題，目前EMC已成為係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。
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