電氣控制柜中變頻器干擾故障問題要如何解決？

在各種工業(yè)控制系統(tǒng)中，隨著變頻器（以下簡(jiǎn)稱-VFD）等電力電子設(shè)備的廣泛使用，系統(tǒng)的電磁干擾越來(lái)越嚴(yán)重，相應(yīng)的抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)（即與EMC的電磁兼容性）變得越來(lái)越重要。有時(shí)VFD的系統(tǒng)干擾會(huì)直接損壞系統(tǒng)的硬件。有時(shí)，雖然系統(tǒng)的硬件不能損壞，但微處理器的系統(tǒng)程序往往失控，導(dǎo)致控制故障，導(dǎo)致設(shè)備和生產(chǎn)事故。因此，如何提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性是自動(dòng)化設(shè)備開發(fā)和應(yīng)用中不可忽視的重要組成部分，也是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵之一。說(shuō)到變頻器干擾故障問題，首先了解干擾的來(lái)源和傳播方式，然后采取不同的措施。

一、VFD干擾源

首先是來(lái)自外部電網(wǎng)的干擾。電網(wǎng)中的諧波干擾主要是VFDVFD的電源干擾造成的。電網(wǎng)中存在大量的諧波源，如各種整流裝置、交流/DC交換裝置、電子調(diào)壓裝置、非線性負(fù)載和照明裝置等。所有這些負(fù)載都會(huì)造成電網(wǎng)中電壓和電流的波形失真，從而對(duì)電網(wǎng)中的其他設(shè)備造成有害干擾。如果VFD的電源受到被污染的交流電網(wǎng)的干擾，電網(wǎng)噪聲就會(huì)受到電網(wǎng)VFD的電源電路的干擾。電源干擾對(duì)VFD主要包括(1)過(guò)壓、欠壓、瞬時(shí)斷電(2)浪涌和驟降(3)峰值電壓脈沖(4)射頻干擾。

1.晶閘管變流設(shè)備對(duì)VFD的干擾

當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)中有大容量的晶閘管變流器時(shí)，由于晶閘管總是在每相半周的部分時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，很容易使網(wǎng)絡(luò)電壓陷波，波形嚴(yán)重畸變�？赡軙�(huì)因?yàn)榉聪蚧謴?fù)電壓大而損壞VFD輸入側(cè)的整流電路，導(dǎo)致輸入電路擊穿燒壞。

2.功率補(bǔ)償電容對(duì)VFD的干擾

電力部門對(duì)用電設(shè)備的功率因數(shù)有一定的要求。因此，許多用戶在變電站采用集中電容補(bǔ)償來(lái)提高功率因數(shù)。在開通或關(guān)斷補(bǔ)償電容的瞬態(tài)過(guò)程中，電網(wǎng)電壓可能出現(xiàn)高峰值，因此VFD的整流二極管可能因反向電壓過(guò)大而擊穿。

其次，VFD對(duì)外界的自我干擾。VFD的整流橋?qū)τ陔娋W(wǎng)來(lái)說(shuō)是非線性負(fù)載，其產(chǎn)生的諧波會(huì)對(duì)同一電網(wǎng)中的其他電子電氣設(shè)備造成諧波干擾。另外,VFD的逆變器大多采用PWM技術(shù)，工作在開關(guān)模式和高速開關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的耦合噪聲。因此VFD是系統(tǒng)中其他電子電氣設(shè)備的電磁干擾源。

VFD的輸入和輸出電流包含許多高次諧波成分。除了可以構(gòu)成電源無(wú)功損耗的較低次諧波外，還有很多高頻率的諧波成分。它們會(huì)以各種方式傳播自己的能量，對(duì)VFD自身和其他設(shè)備形成干擾信號(hào)。

(1)輸入電流VFD的波形的輸入端是一個(gè)二極管整流器和電容濾波電路。顯然，只有當(dāng)電源的線電壓UL大于電容器兩端的DC電壓UD時(shí)，整流橋中才會(huì)有充電電流。因此，充電電流總是以不連續(xù)沖擊波的形式出現(xiàn)在電源電壓的幅度附近。它有很強(qiáng)的諧波成分。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，輸入電流的5次和7次諧波分量最大，分別為50HZ基波的80%和70%。

(2)輸出電壓和電流的波形對(duì)于大多數(shù)VFD逆變橋都是SPWM調(diào)制，輸出電壓是一系列占空比分布為正弦的矩形波形；由于電機(jī)定子繞組的電感性，定子電流非常接近正弦波。但是等于載波頻率的諧波分量仍然很大。

二、干擾信號(hào)的傳播方式

VFD會(huì)產(chǎn)生大功率諧波。由于其功率較大，對(duì)系統(tǒng)中的其他設(shè)備有較強(qiáng)的干擾，其干擾方式與一般電磁干擾相同，主要有傳導(dǎo)(即電路耦合)、電磁輻射和電感耦合。具體來(lái)說(shuō)，首先是對(duì)周圍的電子電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射；其次，對(duì)直驅(qū)電機(jī)產(chǎn)生電磁噪聲，增加了電機(jī)的鐵損和銅損；并通過(guò)配電網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的電源和其他設(shè)備進(jìn)行干擾；最后，VFD感應(yīng)耦合到其他相鄰線路，感應(yīng)干擾電壓或電流。同樣，系統(tǒng)中的干擾信號(hào)也通過(guò)同樣的方式干擾VFD的正常工作。

(1)電路耦合模式通過(guò)電力網(wǎng)絡(luò)傳播。由于輸入電流為非正弦波，當(dāng)VFD容量較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)電壓會(huì)發(fā)生畸變，影響其他設(shè)備工作人員的工作。同時(shí)，輸出端產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾會(huì)大大增加直驅(qū)電機(jī)的銅損和鐵損，影響電機(jī)的運(yùn)行特性。顯然，這是VFD輸入電流干擾信號(hào)的主要傳播方式。

(2)電感耦合方式當(dāng)VFD的輸入電路或輸出電路靠近其他器件的電路時(shí)，VFD的高次諧波信號(hào)會(huì)以電感方式耦合到其他器件。歸納有兩種方式:

a、電磁感應(yīng)，這是電流干擾信號(hào)的主要方式；

靜電感應(yīng)，這是電壓干擾信號(hào)的主要方式。

(3)空氣輻射是指通過(guò)電磁波輻射到空氣中，是高頻諧波分量的主要傳播方式。

三.變頻器維修之抗干擾對(duì)策

根據(jù)電磁學(xué)的基本原理，電磁干擾(EMI)的形成必須具備三個(gè)要素:電磁干擾源、電磁干擾通道和對(duì)電磁干擾敏感的系統(tǒng)。為了防止干擾，可以采用硬件抗干擾和軟件抗干擾。其中，硬件抗干擾是應(yīng)用措施系統(tǒng)最基本、最重要的抗干擾措施。一般從抗干擾和反干擾兩方面抑制干擾�？偟脑瓌t是抑制和消除干擾源，切斷干擾對(duì)系統(tǒng)的耦合通道，降低系統(tǒng)干擾信號(hào)的靈敏度。工程上可以采取隔離、濾波、屏蔽、接地等具體措施。

1、所謂干擾隔離，是指將干擾源和易損部件從電路中隔離出來(lái)，使它們不發(fā)生電氣接觸。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電源與放大電路之間的電力線上通常采用隔離變壓器，以避免傳導(dǎo)干擾，電源隔離變壓器可采用噪聲隔離變壓器。

2.在系統(tǒng)電路中設(shè)置濾波器的目的是為了抑制VFD通過(guò)電力線對(duì)供電從電機(jī)的干擾信號(hào)。為了降低電磁噪聲和損耗，可以在VFD的輸出端設(shè)置一個(gè)輸出濾波器。為了降低對(duì)電源的干擾，可以在VFD的輸入端設(shè)置一個(gè)輸入濾波器。如果線路中有敏感的電子設(shè)備，可以在電源線上設(shè)置電源噪聲濾波器，以避免傳導(dǎo)干擾。在VFD的輸入輸出電路中，除了上面提到的低次諧波成分外，還有很多高頻率的諧波電流，它們會(huì)以各種方式傳播自身的能量，對(duì)其他器件形成干擾信號(hào)。濾波器是削弱較高頻率諧波成分的主要手段。根據(jù)使用位置的不同，可分為:

(1)通常有兩種輸入濾波器:

a、線路濾波器主要由電感線圈組成。它通過(guò)增加高頻時(shí)線路的阻抗來(lái)削弱較高頻率的諧波電流。

b、輻射濾波器主要由高頻電容組成。它會(huì)吸收高頻和輻射能的諧波成分。

(2)輸出濾波器也由電感線圈組成。能有效削弱輸出電流中的高次諧波成分。它不僅起到抗干擾的作用，還能削弱電機(jī)中高次諧波電流引起的附加轉(zhuǎn)矩。對(duì)于VFD輸出的抗干擾措施，必須注意以下幾個(gè)方面:

a、不允許在VFD的輸出端接電容，以免逆變管導(dǎo)通(關(guān)斷)瞬間出現(xiàn)峰值較大的充電(或放電)電流，損壞逆變管；

b.當(dāng)輸出濾波器由LC電路組成時(shí)，濾波器連接到電容器的一側(cè)必須連接到電機(jī)側(cè)。

3.屏蔽干擾源是抑制干擾最有效的方法。通常VFD本身用鐵殼屏蔽，防止電磁干擾泄漏；輸出線要用鋼管屏蔽，特別是用外部信號(hào)VFD控制時(shí)，信號(hào)線盡量短(一般在20m以內(nèi))，信號(hào)線要用雙芯屏蔽，與主電路線(AC380V)和控制線(AC220V)完全分開，不得放在同一配管或線槽內(nèi)，周圍的電子敏感設(shè)備線也要屏蔽。為了使屏蔽有效，屏蔽必須可靠地接地。

4.適當(dāng)?shù)慕拥夭粌H可以使系統(tǒng)有效抑制外界干擾，還可以減少設(shè)備本身對(duì)外界的干擾。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)電源的零線(中性線)、地線(保護(hù)接地和系統(tǒng)接地)和控制系統(tǒng)的屏蔽地(控制信號(hào)的屏蔽地和主電路導(dǎo)體的屏蔽地)的混亂連接，大大降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

對(duì)于VFD，主電路端子PE(E，G)的正確接地是提高VFD噪聲抑制能力，降低VFD干擾的重要手段，在實(shí)際應(yīng)用中必須高度重視。VFD接地導(dǎo)體的截面積一般不應(yīng)小于2.5mm2，長(zhǎng)度應(yīng)控制在20m以內(nèi)。建議VFD的接地與其他電源設(shè)備的接地點(diǎn)分開，不能一起接地。

5.使用反應(yīng)器

低頻諧波分量(5次諧波、7次諧波、11次諧波、13次諧波等。)在VFD的輸入電流中占比很高。它們不僅可能干擾其他設(shè)備的正常運(yùn)行，而且由于消耗大量的無(wú)功功率，會(huì)大大降低線路的功率因數(shù)。在輸入回路中串聯(lián)電抗器是抑制低次諧波電流的有效方法。根據(jù)接線位置的不同，主要有以下兩種:

(1)交流電抗器串聯(lián)在電源和VFD的輸入側(cè)之間。其主要職能是:

a.通過(guò)抑制諧波電流將功率因數(shù)提高到(0.75-0.85)；

b、削弱輸入電路中浪涌電流對(duì)VFD的影響；

c、削弱電源電壓不平衡的影響。

(2)DC電抗器串聯(lián)在整流橋和濾波電容器之間。它的作用比較簡(jiǎn)單，就是削弱輸入電流中的高次諧波成分。但在提高功率因數(shù)方面比交流電抗器更有效，可達(dá)0.95，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小的優(yōu)點(diǎn)。

6.合理布線

通過(guò)感應(yīng)傳播的干擾信號(hào)可以通過(guò)合理布線來(lái)減弱。具體方法如下:

(1)設(shè)備的電源和信號(hào)線應(yīng)遠(yuǎn)離VFD的輸入輸出線；

(2)其他設(shè)備的電源線和信號(hào)線應(yīng)避免與VFD的輸入輸出線平行

相關(guān)鏈接：變頻器通訊干擾問題如何解決？