芻議變頻器之使用與安全

朱德忠

（江西旅游商貿職業學院機電信息工程分院，江西南昌 330100）

自從三相交流異步電動機發明以來，因其轉子回路內電流不必從外部通入，而且結構極為簡單堅固、易于維護、工作可靠且價格低廉，長期以來在各行各業的生產設備中始終處于絕對領先的地位，應用極其廣泛。但惟一不盡人意的是其調速性能較差，使其更為廣泛的應用受到限制。

20世紀80年代，一種新型節電設備——變頻調速器，簡稱變頻器（VVVF）開始進入實用階段，20世紀80年代后期開始在我國應用。變頻調速在調速范圍、過載能力、調速精度、動態響應、功率因數、運行效率、使用維護以及通信功能、智能控制等諸多方面都是傳統交流調速方式無法比擬的，因此給三相交流異步電動機帶來了新的“生命”。變頻調速器以其體積小、重量輕、通用性強、拖動領域寬、保護功能完善、可靠性高、操作簡便等優點，深受冶金、礦山、石化、醫藥、紡織、造紙、機械、電力、建材等諸多行業的歡迎，社會效益非常顯著。變頻技術隨著電力電子技術、微電子技術、計算機技術、自動控制技術的飛速發展而進展顯著，變頻器的價格也在下降，變頻器已經成為電動機的主要驅動設備，推廣普及變頻器的應用有著十分重要的現實意義。本文從變頻器的電磁干擾與被干擾就使用與安全問題進行闡述。

1 關于電磁干擾（EMI）和電磁兼容（EMC）

（1）電磁干擾EMI（Electromagnetic Interference）

電力電子器件運行在高頻狀態時，PN結間的電容作用不可忽視，寄生參數影響很大，容性、感性器件能量振蕩，對外產生電磁干擾，即電磁污染。有傳導干擾和輻射干擾兩種，傳導干擾是指通過導電介質把一個電網絡上的信號耦合（干擾）到另一個電網絡。輻射干擾是指干擾源通過空間把其耦合（干擾）到另一個電網絡。在高速PCB及系統設計中，高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性輻射干擾源，能發射電磁波并影響到其他系統或本系統內其他子系統的正常工作。盡管現在高頻交流變頻技術正在進入變頻傳動領域，采用零電壓或零電流技術的軟開關諧振式變頻器已被認為是21世紀高性能變頻器的發展主流，但電磁干擾的存在勢必造成變頻調速系統的核心——微機系統的信號紊亂，破壞或降低其他電子設備的工作性能，從而導致嚴重后果。因此如何抑制電磁干擾是整個控制系統能否可靠運行的關鍵技術。

（2）電磁兼容EMC（Electromagnetic Compatibility）

這是設備的一種能力，即在電磁環境中能完成它的功能，而不至于在其環境中產生不允許的干擾。也就是說，一個電器裝置能在其所處的電磁環境中滿意地工作，同時又不向該環境及同一環境中的其他裝置排放超過允許范圍的電磁干擾。自從電子系統降噪技術在20世紀70年代中期出現以來，主要由于美國聯邦通訊委員會在1990年和歐盟在1992年提出了對商業數碼產品的有關規章，這些規章要求各個公司確保他們的產品符合嚴格的磁化系數和發射準則。符合這些規章的產品稱為具有電磁兼容性。設備的電磁兼容性就是要破壞電磁干擾的3個要素，即干擾源、敏感的接收單元和耦合通道。一般采取屏蔽、隔離、濾波和接地的措施就可比較好地消除干擾，使電力電子設備既不受外來干擾影響，也不對所處環境和其他設備造成干擾，維持其共存的電路環境，相互兼容，均能正常工作。電磁兼容性好的產品就是指無諧波污染和高功率因數的“綠色”產品。

2 變頻器之干擾與被干擾

（1）變頻器的干擾

在我國，電力電子裝置的應用遠不及發達國家普及，10多年來我們一直在做這方面的努力，普及變頻器的應用。現在的問題是，變頻器這個典型的非線性電力電子設備是個諧波源（電磁干擾）。諧波對供電系統安全、輸變電及用電設備、通信設備、計算機網絡等都形成干擾，影響它們的正常工作。例如，變頻器產生的高次諧波中，電流諧波將增加電動機的銅損，電壓諧波將增加電動機的鐵損，最終導致電動機發熱量增加;此外變頻器輸出的具有陡變沿的驅動脈沖（高次諧波），加上變頻器到電動機之間的連接電纜存在的雜散電容和電感，受到諧波的激勵產生振蕩，造成傳送到電動機的輸入端的驅動電壓產生過沖現象;如果變頻器中的開關頻率位于聽覺范圍內，電動機還會產生很煩人的噪聲，必需采取相應措施。

干擾信號的傳播方式主要有:

①通過電源網絡（電源線、信號線、控制線）傳播的線路傳播方式。

②當變頻器的輸入電路或輸出電路與其他設備的電路挨得很近時，變頻器的高次諧波信號會通過線間電感或線間電容的感應耦合到其他設備中去。即傳播電流干擾信號的電磁感應方式和傳播電壓干擾信號的靜電感應方式。

③空中傳播方式，頻率很高的諧波以電磁波的方式向外輻射，尤其對通信設備干擾更為嚴重。

（2）變頻器的被干擾

變頻器的運行會對周圍設備產生干擾，同樣變頻器這個采用了高性能微處理器等集成電路的電力電子裝置也會被干擾。像供電網絡中較大容量的晶閘管換向和用于提高功率因數的補償電容的投入與切除，都會對變頻器造成干擾，影響工作。原因是晶閘管在部分時間內的導通會造成網絡電壓“凹口”的現象，補償電容的投入與切除會產生瞬間的峰值電壓。

3 變頻器的使用與安全

正確使用變頻器十分重要，而不正確使用將會導致變頻器的不正常工作，顯著降低變頻器的壽命，甚至損壞變頻器，同時還會對其他設備造成影響。上述關于變頻器的干擾與被干擾的問題告訴我們必須正確使用變頻器才行。首先要強調的是使用任何一款變頻器之前都必須認真、仔細地閱讀產品使用手冊，它會告之安全、安裝、設置、操作、維護等事項，我們必需遵照執行。這里僅就與抗干擾有關的問題進行闡述。

（1）正確選用

應當選用研發、生產出的高品質、高性能，價格合理地變頻調速器。因為它在電磁兼容性上的設計考慮周全，諸如功率器件開關干擾的抑制，合理的布局與布線、接地、屏蔽（吸收和削弱高頻電磁場）、隔離、濾波等措施可以很好的消除或降低電磁干擾的作用。

（2）正確安裝

注意環境要求，避免安裝在高溫多濕、陽光直射、多塵、有腐蝕性氣體、易燃性氣體的環境之中，防止振動和電磁干擾（像電焊機、動力機器）;注意配線，控制線在空間上應盡量和變頻器的輸入、輸出線交叉，垂直更好;注意散熱（低頻時要特別注意）。變頻器是一種微電子控制的功率裝置，內部有大量的半導體器件，對溫度、濕度非常敏感，有統計表明，每年夏季是變頻器故障的高發期，建議對變頻控制柜內溫度進行監控，原則上不要超過10℃，同時注意防潮。

（3）周邊設備的應用與注意事項（圖1）

①電源:在變頻器的容許電源規格內使用;注意電壓等級是否正確。

②無熔絲斷路器:使用符合變頻器額定電壓及電流等級的無熔絲斷路器作為變頻器的電源ON/OFF控制，并作為變頻器的保護;無熔絲斷路器不能作為變頻器的運轉/停止的切換;加裝漏電斷路器，防止漏電造成的誤動作并保證人員安全。

③電磁接觸器:沒有特別設置的必要，但作外部控制，或停電后自動再起動，或使用制動控制器時須加裝一次側的電磁接觸器;如果設置了，就不能用它來對變頻器進行運轉/停止的切換。

④輸入側電抗器:在為了改善功率因數和距離大容量電源很近（參見使用手冊上的要求）的場合，有必要使用交流或直流電抗器;電抗器的功能主要是削弱高次諧波，提高功率因數（至少在0.85以上）;削弱沖擊電流，削弱三相電源電壓不平衡的影響。

⑤輸入側濾波器:變頻器周圍有電感負載時，務必加裝抗干擾濾波器;濾波器主要用于抑制具有輻射能力的頻率很高的諧波電流。

⑥變頻器（VVVF）:注意安裝環境。注意輸入、輸出的接線端子，千萬不能接錯;正確接地。另外控制信號線應盡量遠離主回路。

⑦輸出側濾波器:注意輸出側一般不接電抗器。有的也要求不接過電壓吸收器和無線電噪聲濾波器，至少不能在輸出側接入電容器;為減少變頻器產生的高次諧波，以避免影響其附近的通信設備，可在輸出側接入抗干擾濾波器（注:變頻器輸出側到電動機的這段最好不接電器且距離不能太長）。

⑧電動機:為了防止觸電，必須良好地接地。

（4）其他注意事項

①裝有變頻器的控制柜，應盡量遠離大容量變壓器和電動機，其控制電纜線路也要避開這些漏磁大的設備。

②控制電纜要用1.25 mm2或2 mm2以上的屏蔽絞合絕緣電纜。

③選用異步電動機時，一定要注意電動機的極對數。因為頻率太低，電動機風扇風量會隨之減少，散熱效果降低，需另加風扇強冷;而頻率太高，電動機轉速太高，應注意電動機的軸承強度。

④回避機械共振點，即用設置的方法跳過發生共振的頻率范圍。因為電動機在一定的頻率范圍內，可能會遇到負載設備的機械共振點，會產生機械諧振而影響系統運行。

⑤變頻器輸出側諧波電流的輻射能力，電磁感應、靜電感應的能力都和載波頻率有關，適當降低載波頻率對抑制干擾是有利的。但載波頻率是從改善電流波形的角度考慮的，載波頻率越高，電流波形平滑性越好，變頻器的噪聲會小;隨之而來的是扭矩會增大，電動機的噪聲會大，這點要綜合平衡考慮，現場調試。

⑥正確接地。設備接地的主要目的是為安全（設備和人身兩方面），但對于一些具有高頻干擾信號的設備來說，也有把高頻干擾信號引入大地的功能。接地時應注意:接地線要粗，接地點要盡量靠近變頻器，接地線要遠離電源線并和其它地線分開。千萬不可把所有接地線連在一起再接地。

⑦斷電后變頻器內部的電容仍有一段時間積存高電壓，應等放電指示燈完全熄滅，方可進行維護、檢修等操作，以免發生危險，切記。

4 結語

以上分析知道，由于變頻器的普及應用而帶來的干擾與被干擾問題，必需從設計、生產、使用等各個環節上，采取各種正確的軟、硬件措施，才能解決。因干擾與被干擾而造成的變頻調速系統的安全問題也值得注意。

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