- 變頻器及電磁兼容性
- 變頻器的抗干擾措施
- 降低變頻器產(chǎn)生的諧波
- 吸收削弱附近設(shè)備產(chǎn)生的浪涌電壓、電流
- 消弱電源電壓不平衡對變頻器的影響
一、什么是EMC?
EMC即是“電磁兼容性”。它是指電氣設(shè)備在電磁環(huán)境中良好的工作能力,并且不能產(chǎn)生在此環(huán)境中工作的其它設(shè)備所不能接受的電磁干擾。
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(shè)備的一種功能,電子設(shè)備在電磁環(huán)境中能完成其功能而不產(chǎn)生不能容忍的干擾。”
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(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾”。
顯然,電磁兼容性含有雙重含義:抗干擾性和干擾性。
二、變頻器及電磁兼容性
一般來說,電氣設(shè)備必須同時具有對高頻和低頻干擾的抑制能力。其中高頻干擾主要包括靜電放電、脈沖干擾和發(fā)射性頻率的電磁場等;而低頻干擾主要指電源電壓波動、欠壓和頻率不穩(wěn)定等。通常變頻器能夠運行在一個可能存在著較高電磁干擾(EM1)的工業(yè)環(huán)境中,它既是噪聲發(fā)射源,可能又是噪聲接受器。
1、變頻器所受的外部干擾
1)晶體管換流設(shè)備對變頻器的干擾:當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有容量較大的晶閘管換流設(shè)備時,由于晶閘管總是在每相半周期內(nèi)的部分時間導(dǎo)通,容易使網(wǎng)絡(luò)電壓出現(xiàn)凹凸(如圖1-1所示)。它使變頻器輸入側(cè)的整流電路有可能因此出現(xiàn)較大的反向回復(fù)電壓而受到損害。
2)補償電容器的投入和切出對變頻器的干擾:當(dāng)在供電線路的變電所內(nèi)采用集中電容補償?shù)姆椒▉硖岣吖β室驍?shù)時,在補償電容投入和切出的暫態(tài)過程中,網(wǎng)絡(luò)電壓有可能出現(xiàn)很高的峰值(如圖1-2所示)。其結(jié)果是可能使變頻器的整流二極管內(nèi)承受過高的反向電壓而擊穿。
2、變頻器對外部的干擾
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,它們將對其它控制設(shè)備形成干擾,影響其它設(shè)備的正常工作。
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輸入電流的波形:如“交-直-交”電壓型變頻器的輸入側(cè)是整流和濾波電路(如圖示2-2所示),只有電源的線電壓U2大于電容兩端的電壓UD時,整流橋中有充電電流。充電電流總是出現(xiàn)在電源電壓的振幅值附近,呈不連續(xù)的沖擊波形式(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(shù)變頻器的逆變橋都采用PWM調(diào)制方式(如圖2—2),其輸出電壓為占空比按正弦規(guī)律分布的系列矩形波(如圖2-3所示)。
寄生電容Cp存在于電機電纜和電機內(nèi)部,因此變頻器的PWM輸出電壓波形的開關(guān)翼部通過寄生電容產(chǎn)生一個高頻脈沖電流Is,使變頻器成為一個諧波干擾源。由于諧波電流Is的產(chǎn)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(wǎng)上的其它設(shè)備造成干擾。[page]
3、干擾信號的傳播方式
變頻器的輸入和輸出電流中,都含有很多高次諧波成份,它們將以各種方式把自己的能量傳播出去,形成對其它設(shè)備的干擾信號。大體上說,干擾信號的傳播方式有以下幾種
1)電路耦合方式:即通過電源網(wǎng)絡(luò)傳播。
由于輸入電流為非正弦波,當(dāng)變頻器的容量較大時,將使網(wǎng)絡(luò)電壓產(chǎn)生畸變,影響其它設(shè)備工作。這是變頻器輸入電流干擾信號的主要傳播方式。
2)感應(yīng)耦合方式:當(dāng)變頻器輸入電路或輸出電路與其它設(shè)備的電路靠得很近時,變頻器的高次諧波信號將通過感應(yīng)的方式耦合到其它設(shè)備中去。感應(yīng)的方式有兩種
電磁感應(yīng)方式:即通過電感而感應(yīng)。這是電流干擾信號的主要傳播方式。
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靜電感應(yīng)方式:即通過線間電容而感應(yīng)。這是電壓干擾信號的主要傳播方式。
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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、變頻器的抗干擾措施
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)所含的比重較高,它們除了可能干擾其他設(shè)備的正常運行之外,還因為它們消耗了大量的無功功率,使線路的功率因數(shù)大為下降。在輸入電路中串入電抗器是抑制較低諧波電流的有效方法。
交流電抗器(進線電抗器):串聯(lián)在電源與變頻器輸入側(cè)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(chǎn)生的諧波,同時增加電源阻抗。
(2)吸收削弱附近設(shè)備產(chǎn)生的浪涌電壓、電流和主電源的電壓尖峰對變頻器的沖擊。
(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(lián)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,并且可通過抑制諧波電流來提高功率因數(shù)。
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2)濾波器;在變頻器的輸入輸出側(cè)電路中,除上述較低次的諧波成份外,還有許多頻率較高的諧波電流,它們將以各種方式形成對其他設(shè)備的干擾信號,濾波器就是用于削弱頻率較高的諧波分量的方法(如圖4-2所示)。
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輸入濾波器:通常有兩種?
(1)線路濾波器:主要由電感線圈構(gòu)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(gòu)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(chǎn)廠家提供的專用“無線電抗干擾濾波器”)。
輸出濾波器:也主要由電感線圈構(gòu)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,不但起到抗干擾作用,而且能削弱電機中高次諧波電流引起的附加轉(zhuǎn)矩。
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注:當(dāng)輸出濾波器由LC電路構(gòu)成時,濾波器內(nèi)接入電容器的一側(cè),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(yīng)方式傳播的干擾信號可通過下列方式予以消除。
使用屏蔽電機電纜:對于高頻干擾,如果高次諧波干擾電流Is有一條合理的通道,則高頻干擾是可以得到抑制的。如果使用非屏蔽電纜,則高次干擾諧波電流Is以一個不確定的路線流回變頻器,并在此回路中產(chǎn)生高頻分量壓降,影響干擾其它設(shè)備。為使高次諧波干擾電流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(dāng)高次諧波干擾電流Is必須回變頻器時,屏蔽層形成一條有效的通道。這樣,高次諧波干擾電流就不會在Ze上產(chǎn)生壓降,在Zn上的壓降可由進線電抗干擾濾波器來抑制(如圖4-2中的F12)。
設(shè)備的抗干擾性和干擾性是一個很重要的問題,目前EMC已成為系統(tǒng)故障的一個主要原因。EMC的一條準則是“預(yù)防是最有效的、最經(jīng)濟的方案”。所以EMC已成為保證變頻設(shè)備可靠正常運行的一個不可忽視的重要問題。