變頻器干擾故障分析論文

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【論文關鍵詞】：變頻器;干擾故障;對策

【論文摘要】：文章對變頻器常見干擾故障進行了分析總結，并提出了相應的解決對策。

1．引言

變頻器作為一種高效節(jié)能的電機調速裝置，因其較高的性能價格比，在工廠得到了越來越廣泛的應用。眾所周知，變頻器是由整流電路、濾波電路、逆變電路組成。其中整流電路和逆變電路中均使用了半導體開關元件，在控制上則采用的是PWM控制方式，這就決定了變頻器的輸入、輸出電壓和電流除了基波之外，還含有許多的高次諧波成分。這些高次諧波成分將會引起電網電壓波形的畸變，產生無線電干擾電波，它們對周邊的設備、包括變頻器的驅動對象--電動機帶來不良的影響。同時由于變頻器的使用，電網電源電壓中會產生高次諧波的成分，電網電源內有晶閘管整流設備工作時，會引導電源波形產生畸形。另外，由于遭受雷擊或電源變壓器的開閉，電功率用電器的開閉等，產生的浪涌電壓，也將使電源波形畸變，這種波形畸變的電網電源給變頻器供電時，又將對變頻器產生不良影響。文章對于上述現(xiàn)象進行了分析并提出了降低這些不良影響的措施。

2．外界對變頻器的干擾

供電電源對變頻器的干擾主要有過壓、欠壓、瞬時掉電；浪涌、跌落；尖峰電壓脈沖；射頻干擾。變頻器的供電電源受到來自被污染的交流電網的諧波干擾后若不加處理，電網噪聲就會通過電網的電源電路干擾變頻器。變頻器的輸入電路側，是將交流電壓變成直流電壓。這就是常稱為"電網污染"的整流電路。由于這個直流電壓是在被濾波電容平滑之后輸出給后續(xù)電路的，電源供給變頻器的實際上是濾波電容的充電電流，這就使輸入電壓波形產生畸變。

（1）電網中存在各種整流設備、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大量諧波源

電源網絡內有這些負荷都使電網中的電壓、電流產生波形畸變，從而對電網中其它設備產生危害的干擾。例如：當供電網絡內有較大容量的晶閘管換流設備時，因晶閘管總是在每相半周期內的部分時間內導通，故容易使網絡電壓出現(xiàn)凹口，波形嚴重失真。它使變頻器輸入側的整流電路有可能因出現(xiàn)較大的反向回復電壓而受到損害，從而導致輸入回路擊穿而燒毀。

（2）電力補償電容對變頻器的干擾

電力部門對用電單位的功率因數(shù)有一定的要求，為此，許多用戶都在變電所采用集中電容補償?shù)姆椒▉硖岣吖β室驍?shù)。在補償電容投入或切出的暫態(tài)過程中，網絡電壓有可能出現(xiàn)很高的峰值，其結果是可能使變頻器的整流二極管因承受過高的反向電壓而擊穿。

（3）電源輻射傳播的干擾信號

電磁干擾(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和以場的形式傳播的[2]即以電磁波方式向空中幅射，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(fā)射頻率。

對于（1）、（2）兩項產生的干擾抑制可以在變頻器輸入電路中，串入交流電抗器，它對于基波頻率下的阻抗是微不足道的。但對于頻率較高的高頻干擾信號來說，呈現(xiàn)很高的阻抗，能有效地抑制干擾的作用。對于（3）項的干擾信號主要通過吸收方式來削弱。變頻器電源輸入端，通常都加有吸收電容。也可以再加上專用的"無線電干擾濾器"，來進一步削弱干擾信號。

3．變頻器對周邊設備的干擾及對策

上面已經講過變頻器能使輸入電源電壓產生高次諧波。同時，變頻器的輸出電壓和電流除了基波之外，還含有許多高次諧波的成分，它們將以各種方式把自己的能量傳播出去，這些高次諧波對周圍設備帶來不良的影響。其中，供電電源的畸變，使處于同一供電電源的其他設備出現(xiàn)誤動作，過熱、噪聲和振動；產生的無線干擾電波給變頻器周圍的電視機、收音機、手機等無線電接收裝置帶來干擾，嚴重時不能正常工作；對變頻器的外部控制信號產生干擾，這些控制信號受干擾后，就不能準確、正常地控制變頻器運行，使被變頻器驅動的電動機產生噪音，振動和發(fā)熱現(xiàn)象。

（1）對接在同一電源設備帶來的干擾

當變頻器的容量較大時，將使網絡電壓產生畸變，通過阻抗耦合或接地回路耦合將干擾傳入其它電路。消除或削弱對接在同一電源的設備帶來的干擾，可以將變頻器的輸入端串入交流電抗器，在變頻器的整流側插入直流電抗器。也可以在變頻器電源輸入端插入濾波器，如下圖1所示:

LC濾波器是被動濾波器，它由電抗和電容組成對高次諧波的共振回路，從而達到吸收高次諧波的目的。有源濾波器的工作原理是：通過對電流中高次諧波進行檢測，并根據(jù)檢測結果，輸入與高次諧波成分相位相反的電流來削弱高次諧波的目的。

（2）對于產生的無線電干擾波

目前，變頻器絕大部分是采用PWM控制方法。變頻器輸出信號是高頻的開關信號，在變頻器的輸出電壓、輸出電流中含有高次諧波，通過靜電感應和電磁感應，產生無線電干擾波。這些干擾波有的通過電線傳導，有些輻射至空中的電磁波和電場直接輻射。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工作。

電線傳導的無線電干擾波的抑制，可以采用噪聲濾波變壓器，對高次諧波形成絕緣；插入電抗器，以提高對高次諧波成分的阻抗，在變頻器的輸入端插入濾波器。

輻射無線電干擾波的抑制，較傳導無線電干擾波要困難一些。這種無線電干擾的大小，決定于安裝變頻器設備本身的結構，和電動機電纜線長短等許多因素有關。可以盡量縮短電動機電線，電線采用雙絞措施，減少阻抗；變頻器輸入、輸出線裝入鐵管屏蔽；將變頻器機殼良好地接；變頻器輸入、輸出端串接電抗器，插入濾波器。

（3）對于產生的噪聲干擾

由于變頻器采用了PWM控制方式，變頻器的輸出電壓波形不是正弦波，通過電動機的電流也難免含有許多諧波。變頻器輸出的諧波頻率與轉子固有頻率的共振，在轉子固有頻率附近的噪聲增大，變頻器輸出的諧波分量使鐵心、機殼、軸架等諧波在其固有頻率附近的噪聲增大。因此，利用變頻器對電動機進行調速控制時，電動機繞組和鐵芯由于諧波的成分而產生噪聲。

下圖2是電動機采用變頻器驅動和采用電網電源直接驅動時的噪音比較。通常，采用變頻器對電動機進行驅動時，電動機產生的噪音要比電網電源直接驅動產生的噪音高出5～10dB。

對于噪音的抑制可以采取的措施為:

①選用以IGBT等為逆變模塊的載波頻率較高的低噪音變頻器。選用變頻器專用電動機，在變頻器與電動機之間串入電抗器，以減少PWM控制方式產生的高次諧波。

②在變頻器與電動機之間插入可以將輸出波形轉換成正弦波的濾波器。

③選用低噪音的電抗器。

（4）對于產生的振動干擾

采用變頻器對電動機進行調速控制時，同噪音相同的原因，會使電動機產生振動。特別是較低階的高次諧波所產生的脈動轉矩，給電動機的轉矩輸出帶來較大的振動。若機械系統(tǒng)與這種振動發(fā)生共振時，其振動就更為嚴重。

通常可以采取以下措施減小振動：

①強化機械結構的剛性，將剛性連接改為強性連接。

②在變頻器與電動機之間串入電抗器

③降低變頻器的輸出壓頻比。

④改變變頻器的載波頻率。

在變頻器對電動機進行調速過程中，如果調速范圍較大時，應先測到機械系統(tǒng)的共振頻率，然后利用變頻器的頻率跳躍功能，避開這些共振頻率。如果轉距有余量，可以將U/f給定小些。

（5）對于導致控制部件電動機過熱的干擾

采用變頻器對電動機進行調速控制，由于高次諧波的原因，即使是對同一電動機，在同一頻率下運行，電動機也將增加5%～10%的電流。電動機溫度自然會提高。此外，普通電動機的冷卻風扇安裝在電動機軸上的，在連續(xù)進行低速運行時，由于自身的冷卻風扇的冷卻能力不足，而出現(xiàn)電動機過熱現(xiàn)象。

電動機過熱的對策有以下幾種：

①為電動機另配冷卻風扇，改自冷式為他冷式。增加低速運行時的冷卻能力。

②選用較大容量的電動機。

③改用變頻器專用電動機。

④改變調速方案，避免電動機連續(xù)低速運行。

隨著工廠電氣自動化程度的提高，各種干擾也日益增多，只有對變頻器的干擾問題有深入的認識，并采取相應的處理措施，才能夠減少彼此之間的相互危害，更大程度的確保生產的正常進行和設備的穩(wěn)定。

參考文獻

[1]李自先，等．變頻器應用維護與修理[M]．北京：地震出版社，2005．

[2]張六一．變頻器使用過程的干擾源和抗干擾措施[J].冶金叢刊2007,(1)13-14.