變頻器對(duì)電氣設(shè)備的危害和防范措施

張 宏

（大慶鉆探工程公司鉆井四公司，吉林松原 138000）

0 引言

變頻器在實(shí)際工作過(guò)程中，因?yàn)殡娐分须妷骸㈦娏鞯拿}沖和高頻振蕩的諧波能夠產(chǎn)生電磁干擾，導(dǎo)致變頻器成為非常強(qiáng)的電磁干擾源，能夠以輻射和傳導(dǎo)等方式對(duì)電子電氣設(shè)備造成強(qiáng)烈干擾，嚴(yán)重影響設(shè)備的穩(wěn)定正常運(yùn)行，而且極有可能導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)損壞。隨著自動(dòng)化程度不斷提高，相應(yīng)的電子電氣設(shè)備在復(fù)雜程度和密集度方面也在不斷提升，電磁干擾的危害逐漸加劇。在這種情況下，有必要對(duì)變頻器產(chǎn)生的危害做出分析，并合理借助相應(yīng)措施進(jìn)行防范。

1 變頻器概述

1.1 概念分析

變頻器是借助變頻技術(shù)和微電子技術(shù)，有效改變電機(jī)工作過(guò)程中的電源頻率，達(dá)到合理控制交流電機(jī)的一種電力控制設(shè)備，一般由整流單元、濾波單元、逆變單元、控制單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元、微處理單元等部分組成。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，靠?jī)?nèi)部的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的開(kāi)斷來(lái)有效調(diào)整實(shí)際輸出電源的具體電壓和頻率，結(jié)合電機(jī)的實(shí)際需求，合理有效地提供所需要的電源電壓，達(dá)到節(jié)能和調(diào)速的目的。變頻器還具備一系列保護(hù)功能，如過(guò)載保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)等。近幾年在工業(yè)自動(dòng)化水平持續(xù)提高的背景下，變頻器得到較為廣泛的應(yīng)用，逐漸成為工業(yè)領(lǐng)域不可或缺的一項(xiàng)設(shè)備[1]。

1.2 工作原理分析

現(xiàn)階段較為常用的變頻器一般都是“交—直—交”型變頻器，主要包括整流單元、儲(chǔ)能元件、逆變單元和控制單元等。實(shí)際工作原理為：借助整流單元將工作頻率固定的交流工頻電源轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娫矗瑢㈦娔艽鎯?chǔ)在變頻器的儲(chǔ)能元件中，借助逆變單元中的電子開(kāi)關(guān)將相應(yīng)的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌l率、寬度和幅度的方波，控制單元依照設(shè)定好的程序，對(duì)輸出方波的脈寬和幅度等進(jìn)行控制，疊加成滿足需要的一種頻率比較接近正弦波的交流電，從而驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)，并且能夠?qū)﹄姍C(jī)電流和電壓等方面做出有效的電氣保護(hù)[2]。

2 變頻器對(duì)電氣設(shè)備的危害

2.1 對(duì)電網(wǎng)和電站的危害

（1）變頻器產(chǎn)生的電磁干擾能夠從輸入端電源線有效反饋傳導(dǎo)出去，從而對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的污染問(wèn)題，容易使供電效率持續(xù)下降，影響供電質(zhì)量，也可以導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置由于受到干擾而逐漸失去作用[3]。

（2）高次諧波電流能夠在線路阻抗中逐漸形成諧波壓降，產(chǎn)生有功和無(wú)功損耗，情形嚴(yán)重時(shí)甚至能夠?qū)е码娏ο到y(tǒng)出現(xiàn)電壓諧振，同時(shí)在線路中引發(fā)過(guò)電壓?jiǎn)栴}，非常有可能擊穿電纜、導(dǎo)線和設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)，容易燒毀電氣設(shè)備的供電設(shè)施，最終引發(fā)火災(zāi)。

（3）電站有時(shí)會(huì)借助電容器來(lái)補(bǔ)償由感性負(fù)載引發(fā)的功率因數(shù)下降，來(lái)提高發(fā)電機(jī)容量實(shí)際利用率和減少線路損耗。但是高頻電磁干擾實(shí)際上對(duì)電容器產(chǎn)生的影響最為明顯，因?yàn)殡娙輰?duì)其呈現(xiàn)出低阻的同時(shí)對(duì)其提供了通路，所以能夠使各諧波和基波電流出現(xiàn)疊加問(wèn)題，導(dǎo)致通過(guò)電容的實(shí)際總電流不斷增加。一個(gè)持續(xù)的過(guò)渡能促使電容器溫度不斷提升，從而影響其使用壽命。如果情況嚴(yán)重還能夠損壞電容器，甚至引發(fā)爆炸。電容器本身的容性阻抗和系統(tǒng)感性阻抗非常有可能在諧波頻率附近出現(xiàn)諧振問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)諧波含量快速增加，最終使系統(tǒng)難以運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 對(duì)電機(jī)的危害

電機(jī)屬于電力系統(tǒng)的主要負(fù)載，變頻器出現(xiàn)的高頻電磁干擾，能夠促使雜散電容和電感受激勵(lì)產(chǎn)生減幅振蕩，導(dǎo)致傳送到電機(jī)輸入端的實(shí)際驅(qū)動(dòng)電壓出現(xiàn)過(guò)沖問(wèn)題。因?yàn)殡姍C(jī)繞組中也有雜散電容，過(guò)沖電壓在繞組中出現(xiàn)尖峰電流，一旦繞組絕緣層存在不均勻部位，便容易引起過(guò)熱問(wèn)題，導(dǎo)致電機(jī)溫度持續(xù)上升，不但影響電機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性，還能夠燒毀電機(jī)繞組的絕緣層，縮短電機(jī)使用壽命或直接燒毀電機(jī)。高頻電壓振蕩還能夠在電機(jī)的鐵芯疊片內(nèi)部有效激勵(lì)渦流引發(fā)熱損耗，也能促使電機(jī)的銅繞組產(chǎn)生更多的電能消耗，實(shí)際效率逐漸降低。如果高頻振蕩頻率與一些電機(jī)零部件的固有振動(dòng)頻率十分接近時(shí)，可誘導(dǎo)其出現(xiàn)機(jī)械共振問(wèn)題和噪聲問(wèn)題。

2.3 對(duì)設(shè)備的危害

交流裝置屬于電力系統(tǒng)應(yīng)用相對(duì)廣泛的一種設(shè)備，例如冰庫(kù)制冷和鍋爐系統(tǒng)中一般都含有交流裝置。如果采用直流電源，通常需要借助帶有晶閘管的交流裝置，變頻器產(chǎn)生的電磁干擾能夠?qū)е律鲜鲈O(shè)備的控制信號(hào)和幅頻出現(xiàn)畸變問(wèn)題，控制角出現(xiàn)位移，可以引起自動(dòng)檢測(cè)、控制系統(tǒng)中出現(xiàn)誤差或誤動(dòng)作，電流或電壓的實(shí)際變化值過(guò)高，出現(xiàn)過(guò)熱效應(yīng)，從而導(dǎo)致晶閘管故障或損壞，情形嚴(yán)重的還能夠?qū)е陆涣餮b置直接失靈。

3 變頻器電磁干擾防范策略

變頻器能夠?qū)Ω鞣N電氣設(shè)備造成不同程度的危害，所以在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，需要充分明確電磁干擾的實(shí)質(zhì)采取針對(duì)性的技術(shù)措施，來(lái)降低甚至消除這些危害，確保變頻器自身的價(jià)值和作用充分發(fā)揮出來(lái)。電磁干擾實(shí)質(zhì)上屬于噪聲干擾，是電路中除了必要信號(hào)之外的任何一種或多種電氣信號(hào)和能量。而想要形成干擾，需要具備噪聲源、噪聲傳導(dǎo)路徑和感受體3 個(gè)條件。這3 個(gè)條件缺一不可，所以對(duì)于電磁干擾的防范可以從這3 點(diǎn)入手。

3.1 合理運(yùn)用減少或抑制噪聲的措施

（1）做好變頻器的屏蔽工作。屏蔽設(shè)備能夠有效防止系統(tǒng)不斷地向外輻射電磁波，對(duì)變頻器實(shí)施合理有效的屏蔽屬于至關(guān)重要的措施。為確保取得良好屏蔽效果，所用的屏蔽機(jī)箱一般采用良導(dǎo)體，如純鋁和紫銅等。借助整版或一次鑄造成型的整體機(jī)箱，盡可能減少接縫，并保證連續(xù)光滑，這樣可以避免有縫隙不斷地向外輻射電磁波[4]。

（2）注重從輸入端和輸出端來(lái)減少或抑制噪聲。如果電網(wǎng)電壓不對(duì)稱問(wèn)題較為嚴(yán)重，或變頻器連接的某個(gè)電源存在功率較大的晶閘管變流器負(fù)載時(shí)，工作人員可以在電源和變頻器之間加接電抗器。電抗器的作用主要是阻遏浪涌電壓，削弱三相電壓不平衡時(shí)對(duì)變頻器造成的不良影響，并且能夠削弱輸入電流的高次諧波分量，顯著提高功率因數(shù)，減輕變頻器對(duì)電網(wǎng)的污染。也可以在變頻器和電機(jī)之間加接電抗器，削弱變頻器輸出的高次諧波，減少電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，防止電機(jī)由于長(zhǎng)期承受PWM（脈沖寬度調(diào)制）斬波浪涌沖擊而出現(xiàn)絕緣等級(jí)下降的問(wèn)題。

3.2 在傳導(dǎo)路徑上對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行抑制

通常情況下，變頻器最嚴(yán)重的干擾一般屬于沿導(dǎo)線傳輸?shù)膫鲗?dǎo)性干擾，最典型也是危害最大的便是噪聲沿電源端竄入，對(duì)電路產(chǎn)生直接影響。為了抑制PWM 調(diào)制引發(fā)的干擾信號(hào)的傳導(dǎo)性傳播，應(yīng)該在變頻器的輸入和輸出端開(kāi)展濾波工作。一般可以借助電源濾波器來(lái)阻止干擾信號(hào)沿電源線傳播，使干擾被反射回干擾源。合理安裝電源濾波器，可以有效切斷電磁干擾通過(guò)電源線傳導(dǎo)的途徑。為了提升濾波效果，濾波器與變頻器安裝在同一塊底板中，保證兩者的連接對(duì)高頻信號(hào)呈現(xiàn)出一定的低阻特性。必要情況下，盡可能讓濾波器與變頻器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器保持最近的連接距離[5]。

以浙江桐鄉(xiāng)某紡織廠的POY 直紡設(shè)備為例，由于熔體壓力信號(hào)遭受干擾，測(cè)量值產(chǎn)生波動(dòng)引發(fā)控制系統(tǒng)時(shí)常發(fā)出壓力高和壓力低報(bào)警。在干擾過(guò)于嚴(yán)重的情況下，控制系統(tǒng)會(huì)誤認(rèn)為壓力過(guò)低，從而出現(xiàn)自動(dòng)停機(jī)問(wèn)題，導(dǎo)致原料和電能都產(chǎn)生了較大的損失。通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，是變頻器產(chǎn)生的電磁噪聲順著動(dòng)力電路進(jìn)入到了供電系統(tǒng)，借助儀表的供電電源再次進(jìn)入到了閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而干擾了壓力信號(hào)。為解決這一問(wèn)題，先選用一臺(tái)專用電源濾波器，發(fā)現(xiàn)雖然可以減小干擾但無(wú)法完全消除；最后選用加裝了變頻器輸入濾波器，從源頭控制傳播，該問(wèn)題徹底消失。

3.3 盡可能降低電氣設(shè)備的感受能力

科學(xué)合理地布局各類設(shè)備可以降低設(shè)備對(duì)噪聲的感受力，在電路中將電氣特性相同或是相近的電路和信號(hào)盡可能地集中，特性存在差異的需要相對(duì)隔開(kāi)。做分開(kāi)布局的包括：輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，強(qiáng)電信號(hào)和弱電信號(hào)，模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，高速元件和低速元件。還可以依照電路性質(zhì)的差異，如高噪聲電路和低能量信號(hào)電路等，先分別單點(diǎn)接地，后再將各個(gè)接地點(diǎn)有效地連接到同一個(gè)接地點(diǎn)，便可以顯著提高各類電氣設(shè)備的實(shí)際抗干擾能力。

以杭州蕭山某紡織廠FDY 設(shè)備實(shí)際調(diào)試過(guò)程為例，溫控表的升溫顯示非常慢，但實(shí)測(cè)加熱器溫度早已超出了設(shè)定值，險(xiǎn)些導(dǎo)致設(shè)備損壞。檢查發(fā)現(xiàn)溫度傳感器的信號(hào)線，在布線橋架中與變頻器輸出線的距離較近，變頻器停止工作時(shí)溫度信號(hào)可以接近實(shí)測(cè)值，表明溫控表受到了變頻器電磁干擾。排查發(fā)現(xiàn)信號(hào)線屏蔽層未能可靠接地，導(dǎo)致屏蔽失效，重新布線后解決了該問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

受到科學(xué)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)，現(xiàn)階段電氣自動(dòng)化程度正在不斷提高，電磁干擾問(wèn)題也在不斷加劇。為了避免變頻器對(duì)電氣設(shè)備的危害，需要對(duì)變頻器電磁干擾有足夠的了解和認(rèn)知。本文對(duì)變頻器做出簡(jiǎn)要分析，探討變頻器對(duì)電氣設(shè)備產(chǎn)生的危害，研究防范策略，以確保變頻器可以充分發(fā)揮其價(jià)值和作用，保證各類電氣設(shè)備穩(wěn)定高效運(yùn)行。