變頻器電磁干擾問(wèn)題分析及解決方法

      由于用戶(hù)已試用了一臺(tái)變頻器，根據(jù)更換皮帶輪，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)用變頻器節(jié)能已有一定的認(rèn)識(shí)，因此決定安裝我公司的變頻器，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效的目的。
　　我們?cè)诘谝淮伟惭b變頻器時(shí)，由于未考慮到電磁兼容的嚴(yán)重性，變頻器開(kāi)機(jī)后干擾原控制系統(tǒng)，在微機(jī)上多臺(tái)發(fā)酵罐發(fā)出報(bào)警信號(hào)，后來(lái)加了輸入、輸出電抗器，也沒(méi)能解決問(wèn)題。后來(lái)我們觀察用戶(hù)原應(yīng)用的變頻器，他采用了濟(jì)南菲奧特電子設(shè)備有限公司生產(chǎn)的變頻器輸入端及輸出端專(zhuān)用電源濾波器，已正常運(yùn)行一年，于是制藥廠建議我公司購(gòu)買(mǎi)該類(lèi)同型號(hào)的電源濾波器。
　　變頻器輸入端電源濾波器是采用高導(dǎo)磁率的鐵氧體磁心及鐵粉芯，配接一定的電容，構(gòu)成LC濾波器，將變頻器產(chǎn)生的高次諧波（在某一頻帶內(nèi)的）濾掉，而使臨近或同一電網(wǎng)工作的電器設(shè)備不受干擾，能夠正常工作。其原理圖如圖1所示。

　　
　　                                                          圖1 輸入濾波器電路原理圖
　　變頻器輸出端電源濾波器采用電感（L）濾波，抑制變頻器輸出的傳導(dǎo)干擾和減少輸出線(xiàn)上低頻輻射干擾，使直接驅(qū)動(dòng)的電機(jī)電磁噪聲減小，使電機(jī)的銅損、鐵損大幅減少。其原理圖如圖2所示。

　　                                                           圖2 輸出濾波器電路原理圖
 
　購(gòu)買(mǎi)了該類(lèi)濾波器后，我們?nèi)ガF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了調(diào)試。由于對(duì)該類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)接觸較少，技術(shù)人員準(zhǔn)備不太充分，雖然增加了濾波器，但濾波效果仍不理想，在重載時(shí)仍存在干擾，DCS系統(tǒng)不能正常工作，變頻器仍無(wú)法運(yùn)行。于是我們對(duì)問(wèn)題做了具體的分析。
　　變頻器產(chǎn)生干擾的原因

　　
　　                                                                  圖3 變頻器主電路圖
　　變頻器主電路一般是交流—直流—交流模式見(jiàn)圖3，外部輸入380V/50Hz的工頻電源經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓信號(hào)，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開(kāi)關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號(hào)。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅立葉級(jí)數(shù)分解為基波和各次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。在逆變輸出回路中，輸出電流信號(hào)是受PWM載波信號(hào)調(diào)制的脈沖波形，對(duì)于GTR大功率逆變?cè)銹WM的載波頻率為2～3kHz，而IGBT大功率逆變?cè)腜WM最高載頻可達(dá)15kHz。同樣，輸出回路電流信號(hào)也可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波，而高次諧波電流對(duì)負(fù)載直接干擾。另外高次諧波電流還通過(guò)電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設(shè)備。
　　變頻器干擾的主要傳播途徑
　　變頻器工作時(shí)，作為一個(gè)強(qiáng)大的干擾源，其干擾途徑一般分為輻射、傳導(dǎo)、電磁耦合、二次輻射和邊傳導(dǎo)邊輻射等。主要途徑如圖4所示：

　　                                                      圖4變頻器干擾的主要傳播途徑
　　從上圖可以看出，變頻器產(chǎn)生的輻射干擾對(duì)周?chē)臒o(wú)線(xiàn)電接收設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響，傳導(dǎo)干擾使直接驅(qū)動(dòng)的電機(jī)產(chǎn)生電磁噪聲，使得銅損、鐵損大幅增加，同時(shí)傳導(dǎo)干擾和輻射干擾對(duì)電源輸入端所連接或鄰近的電子敏感設(shè)備有很大的影響。
　　針對(duì)這兩次調(diào)試情況和變頻器產(chǎn)生干擾及干擾的途徑，我們聯(lián)合電源濾波器生產(chǎn)廠商的工程師進(jìn)行了分析總結(jié)，并與北京康拓生物工程有限公司的工程師多次進(jìn)行了電話(huà)溝通，了解了其工作原理、布線(xiàn)情況，分析認(rèn)為主要還是變頻器輸入端產(chǎn)生的高頻諧波造成的干擾。因裝變頻器后，變頻器的輸入線(xiàn)在原動(dòng)力線(xiàn)槽內(nèi)，而輸出線(xiàn)不在線(xiàn)槽內(nèi)，離電機(jī)也比較近。再者，原布線(xiàn)系統(tǒng)不太合理，動(dòng)力線(xiàn)槽與控制線(xiàn)槽距離較近，只有20cm，按規(guī)定應(yīng)不少于50cm，且兩線(xiàn)槽平行走線(xiàn)，這些都是比較忌諱的。變頻器的地線(xiàn)接的也不太合理，接在了電源線(xiàn)的走線(xiàn)槽上，線(xiàn)槽的作用一是支撐電源線(xiàn)、二是起屏蔽的作用，變頻器的干擾又通過(guò)地線(xiàn)到了線(xiàn)槽上。變頻器產(chǎn)生的高次諧波通過(guò)變頻器的輸入線(xiàn)和地線(xiàn)輻射到其它設(shè)備的電源線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)上（尤其是比較敏感的傳感器的信號(hào)線(xiàn)。這里強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：我們的變頻器與DCS控制系統(tǒng)不是同一臺(tái)變壓器給電，可以排除直接傳導(dǎo)干擾），干擾了控制系統(tǒng)的正常工作。
　　分析這些問(wèn)題，由于原布線(xiàn)系統(tǒng)已成定型，再動(dòng)幾乎是不可能，因此改變電源線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)布線(xiàn)的想法應(yīng)予以排除，變頻器地線(xiàn)可以另走，拉一根地線(xiàn)直接接至配電室電控柜的地線(xiàn)上，對(duì)變頻器的輸入端再加強(qiáng)濾波措施，按理論問(wèn)題應(yīng)于解決。
在現(xiàn)場(chǎng)原發(fā)酵罐停車(chē)后，我們?cè)谠瓰V波器基礎(chǔ)上又增加了一套共模及差模磁環(huán)，在輸入、輸出每相線(xiàn)上各套二個(gè)差模環(huán)，在輸入的三根相線(xiàn)上套兩個(gè)共模磁環(huán)，并將地線(xiàn)接至配電室的地上。這樣處理后開(kāi)機(jī)運(yùn)行，在電機(jī)空載的情況下運(yùn)行正常，沒(méi)有出現(xiàn)干擾報(bào)警現(xiàn)象。
　　帶載運(yùn)行時(shí)，305、307罐出現(xiàn)干擾報(bào)警。將地線(xiàn)改至控制307罐（該罐已使用變頻器，線(xiàn)槽內(nèi)走的是該變頻器的輸出線(xiàn)）變壓器的地線(xiàn)上，305罐不再干擾報(bào)警，但307罐仍間隔幾分鐘出現(xiàn)干擾報(bào)警現(xiàn)象，分析可能是兩臺(tái)變頻器產(chǎn)生的共模干疊加所至，也可能是地線(xiàn)放在動(dòng)力線(xiàn)槽內(nèi)，走線(xiàn)較長(zhǎng)引起的，于是在地線(xiàn)上加裝地線(xiàn)濾波器，但效果也不太好。后來(lái)將地線(xiàn)拆除（經(jīng)測(cè)量變頻器整機(jī)漏電流很小，對(duì)人體不會(huì)造成危害，所以可以將地線(xiàn)拆除），效果好一些，但報(bào)警現(xiàn)象也是間斷出現(xiàn)，這樣分析應(yīng)該不是地線(xiàn)引起的，還是輸入端的濾波措施不夠，沒(méi)有將高頻干擾濾除干凈。因此停機(jī)，在輸入的每相線(xiàn)上再加兩只差模環(huán)，在三條輸入相線(xiàn)上再套三個(gè)共模環(huán)，這樣開(kāi)機(jī)運(yùn)行，工作正常，整個(gè)系統(tǒng)不再出現(xiàn)干擾現(xiàn)象。系統(tǒng)處理后的框圖如圖5所示。