變頻器干擾對策研究

史峰

（遼北技師學院，遼寧 調兵山 112700）

在現代工業和經濟生活中，隨著電子技術的應用，自動化、節能化和系統化得到了迅速的發展。伴隨著電力電子技術、微電子技術以及現代控制理論的發展，變頻裝置已經廣泛應用到各個領域，在運輸行業及生產行業正在以交流調速代替直流調速，通過對交流電動機的變頻調速，使得交流拖動系統具有了如同直流控制系統的調速特性。變頻器的使用使引發了自動化控制的一場革命。使用變頻器的優點在于：啟動電動機時的啟動電流小，啟動時對電網的影響小；可以連續調速，實現交流電動機的無級調速；最高運行速度不受電源頻率的影響；可定轉矩輸出；可控制加減速度等。此外，使用變頻裝置的節電效果十分顯著，據相關資料統計，變頻器在工業領域中的節電潛力大約在25%~30%左右，年總節電量在280億KW·h以上。

1 變頻器的基本工作原理

目前變頻器主要是利用脈寬調制（PWM）就是對脈沖的寬度進行調制的技術。即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要的波形，既能改變逆變電路輸出電壓的大小，又能改變輸出頻率。其主電路如圖1所示，其輸入部分經整流、濾波形成直流電壓，再經過逆變環節將直流電壓轉變為三相交流電壓提供給負載。PWM型變頻電路的主要特點為：可以得到相當接近正弦波的輸出電壓；整流電路采用二極管，可獲得接近1的功率因數；電路結構簡單；通過對輸出脈沖寬度的控制可改變輸出電壓，加快了變頻過程的動態響應。

圖1 電壓型PWM交-直-交變頻電路

2 變頻器的輸出電壓的合成以及實質

把圖2a所示的正弦半波波形分成n等份，就可把正弦半波看成由n個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于π/n，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規律變化。

如果把上述脈沖序列用同樣數量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦等分的小點重合，且使矩形脈沖和相應正弦部分面積(沖量)相等，就得到圖2b所示的脈沖序列，這就是PWM波形，可以看出，各脈沖的寬度是按正弦規律變化的。

根據沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱為SPWM形。

在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按同一比例系數改變各脈沖的寬度即可，要改變等效輸出的正弦波的頻率時，只要改變調制波的頻率即可。PWM逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側電壓的幅值。在PWM型逆變電路中，使用最多的是圖3的三相橋式逆變電路，其控制方式一般都采用雙極性方式。u、v和w三相的PWM控制通常公用一個三角波載波。各點波形如圖4所示

圖2 PWM控制的基本原理

圖3 變頻器的逆變主電路

圖4 變頻器主電路部分電壓波形

圖4中，用對稱的三相交流電對同一三角波進行調制得到三相對稱的PWM調制波形，當改變調制信號的幅度時，將改變變頻器的輸出脈沖的寬度，利用電動機線圈電感的濾波作用改變輸出電壓，以適應不同頻率下的電機繞組不同的電抗值，達到恒磁通的作用。當改變調制信號的頻率時，將改變變頻器輸出電壓的頻率，從而改變了電動機的磁場轉速，在轉速差一定時，電動機轉子也將隨之改變轉速，從而達到調速的作用。

3 變頻器在我校提升模擬裝置中的應用

我校的模擬提升裝置主要用于教學、煤礦維修工人技術培訓以及操作工鑒定等，因此，裝置完全按照目前礦山典型提升系統設計，能用于模擬交流異步電動機轉子串電阻調速操作方式、交流異步電動機串級調速操作方式、交流異步電動機變頻調速操作方式的相互轉換以適應不同的教學需要。其中，變頻調速操作方式是主要的控制方式，再系統安裝后，出現了一些干擾現象。

4 變頻器干擾分析

在礦井提升裝置中，由于設計了三種不同的調速方式，在運行時由操作臺上的選擇開關進行選擇。系統控制相對比較復雜，同時為了確保系統與實際生產中的提升裝置相貼近，在系統中采用可編程序控制器（PLC）來進行同一協調控制。因此，將提升系統的諸多檢測信號進行取樣變換并輸入到PLC中。容易受到干擾的大部分是模擬信號，而開關量信號一般不會受到干擾。因此，在系統中重點防止模擬量受到干擾，其中不僅要防止PLC輸入模擬量受到干擾，還要防止PLC輸出的模擬量受到干擾。

5 抗干擾對策

在系統安裝施工時根據變頻器說明書及相關規定，變頻器的接線是按照標準接線進行施工。為了排除或減小干擾，采取了以下措施。

從安全及降低噪聲的需要出發，為防止漏電和干擾侵入或輻射出去，必須接地。

根據電氣設備技術標準規定，接地電阻應小于或等于國家標準規定值，且用較粗的短線接到變頻器的專用接地端子PE上。當變頻器和其他設備，或有多臺變頻器一起接地時，每臺設備應分別和地相接如圖5a和b所示，而不允許將一臺設備的接地端和另一臺的接地端相接后再接地。

圖5

變頻調速系統中的接觸器、電磁繼電器以及其他各類電磁鐵的線圈，采用吸收電路來控制通斷時產生的脈沖電壓。開路集電極輸出端子連接控制繼電器，在勵磁線圈的兩端連接吸收電涌的二極管。交流線圈兩端并接Rc浪涌電壓吸收電路，Rc浪涌電壓吸收電路的接線不超過20cm。

控制電路端子上的連接電線用0.75mm2以下規格的屏蔽線或絞合在一起的聚乙烯線。

模擬信號的傳送所使用的電線采用聚氯乙烯絕緣，聚氯乙烯護套屏蔽電線。把一端連接到各自的共用端子，另一端不接。

電力線路和控制線路開鋪設。在采用以上常規的抗干擾措施安裝后，試運行，發現只有液壓傳送回來的壓力信號還不夠穩定，與液壓站上的壓力表讀數不相吻合。經過分析電控系統的主回路發現，主電路具有一定的特殊性，主要是電動機的定子控制線路和轉子控制線路都要通過電纜連接到相應的配電柜中，大大增加了電動機主電路的長度。因此當變頻器工作時產生的等幅度不等寬的PWM調制電流很容易發射出高頻電磁波來，成為強烈的干擾源，結果增加變頻運行時的輻射干擾。同時，液壓站的壓力傳感器傳輸線路與主電路平行，受到的干擾最大，因此對控制系統產生不良影響。

經研究，再次提出解決方案。

在電動機定子電纜和轉子電纜上穿入鐵管放入專用槽鋼內并接地做為電磁屏蔽；將所有與電力電纜平行走線的控制線路均放入專用槽鋼內，并加金屬蓋板進行電磁屏蔽；在液壓站的油壓傳感器的供電電源（24V）兩端并聯入濾波電容和高頻電容，在信號傳輸線路上并聯有高頻濾波電容。經過以上的嚴格的電磁抗干擾措施后，干擾現象消失。系統運行得到滿意的效果。由此可見，抗干擾措施不僅要根據相關的技術標準規定進行施工，而且還要根據實際情況具體分析，提出切合實際的解決方案和制定合適的解決方法。

[1]石紅梅.變頻技術原理與應用[M].機械工業出版社

[2]王兆安.電力電子技術[M].機械工業出版社