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变频调速系统安装与调试技术讲座 | 变频器周边控制回路的抗干扰措施(一)

发布日期:2017-11-29 浏览次数:553
 4.1  变频器与电动机之间距离引起的干扰

      由于变频器主回路的非线性(进行开关动作),变频器本身为谐波干扰源,而其周边控制回路却是小能量、弱信号回路,极易遭受其它装置产生的干扰,造成变频器自身和周边设备无法正常的工作。因此,变频器在安装使用时,必须对控制回路采取抗干扰措施。
 
     在工业使用现场,变频器与电动机安装的距离可以大致分为三种情况:远距离、中距离和近距离。20m以内为近距离,20~100m为中距离,100m以上为远距离。变频器与电动机间接线距离较长的场合,来自电缆的高次谐波漏电流,会对变频器和周边设备产生不利影响。因此为减少变频器的干扰,需要对变频器的载波频率进行调整,见表4-1所示。
 
 
      在设计中总是希望把变频器设置在电动机附近,但是,由于生产现场空间的限制,变频器和电动机之间往往有一定距离。如果变频器和电动机之间为20m以内的近距离,电动机可与变频器直接连接;对于变频器和电动机之间为20m~100m的中距离连接,需要调整变频器的载波频率来减少谐波及干扰;而对变频器和电动机之间为100m以上的远距离连接,不但要适度降低载波频率,还要加装输出交流电抗器。
 
     在高度自动化的工厂里,可以在中心控制室监控所有的控制设备,变频器系统的信号也要送到中控室,变频器的位置若在中心控制,总控台与变频器之间,可以直接连接,通过0~5/10V的电压信号和一些开关量信号进行控制。但是,变频器的高频开关信号的电磁辐射对弱电控制信号会产生一些干扰。如果变频器与中心控制室距离远一点,可以采用4~20mA的电流信号和一些开关量作控制连接;如果距离更远,可以采用RS-485串行通信方式来连接;若还要加长距离,利用通信中继可达到1km的距离;如果采用光纤连接器,可以达到23km。采用通信电缆连接可以很方便地构成多级控制系统,从而实现主、从和同步控制等要求。与目前流行的现场总线系统相连接将使数据传输速率大大提高。中心控制室与变频器机柜之间的距离的延长,有利于缩短变频器到电动机之间的距离,以便用更加合理的布线改善系统性能。总之安装变频器时,需要综合考虑中心控制室、变频器、电动机三者之间的距离,尽量减少电磁干扰的影响,以提高变频调速系统的稳定性。
 
4.2  变频器对控制系统的干扰

     在控制系统中,多采用计算机或PLC进行控制,在系统设计中,一定要注意变频器对计算机或PLC的干扰问题。变频器产生的传导和辐射干扰,往往导致系统工作异常,因此需要采取如下措施:
 
    ①良好的接地。电动机等强电控制系统的接地线必须通过接地汇流排可靠接地,计算机或PLC的屏蔽地,最好单独接地。对于某些干扰严重的场合,应将传感器、I/O接口屏蔽层与计算机或PLC的控制地相连。
 
    ②给计算机或PLC的控制电源加装电磁干扰滤波器、共模电感、高频磁环等,如图4-1所示,可以有效抑制传导干扰。另外在辐射干扰严重的场合,如周围存在GSM或者移动电话机站时,应给计算机或PLC增加金属网状屏蔽罩。
 
 
     ③对模拟传感器检测输入和模拟控制信号进行电气屏蔽和隔离,在变频器组成的控制系统设计中,尽量不要采用模拟控制,因为变频器一般都有多段速设定、开关频率量输入输出,可以满足要求。如果需要采用模拟量控制时,控制电缆必须采用屏蔽电缆,并在传感器侧或变频器侧实现远端一点接地。如果干扰仍旧严重,可以采用标准的DC/DC模块,或者采用U/F转换,光耦隔离的方法。

4.3  变频器本身的抗干扰

     (1).工作环境
    当为变频器供电的系统中存在高频冲击负载,如电焊机、电镀电源、电解电源或者采用滑环供电的场合,变频器本身容易因为干扰而出现变频器保护误动作。变频器若在此种环境工作必须采用如下措施:
 
    ①在变频器输入侧设置由LC构成的滤波网络。
 
    ②变频器的电源线直接从变压器低压侧独立供电。
 
    ③在条件许可的情况下,可以采用单独的供电变压器。
 
    ④在采用外部开关量控制端子控制时,连接线路较长时,传输线应采用屏蔽电缆。当控制线路与主回路电源均在地沟中埋设时,除控制线必须采用屏蔽电缆外,主电路线路必须采用穿钢管敷设方式,以减小彼此干扰,防止变频器的误动作。
 
    ⑤在采用外部通信控制端子控制时应采用屏蔽双绞线,并将变频器侧的屏蔽层接地(PE),如果干扰非常严重,应将屏蔽层接控制电源地(GND)。对于RS-232通信方式,传输线应不要超过15m,如果超过15m,将降低通信波特率,在100m左右时,能够正常通信的波特率小于600bps。对于RS-485通信,还必须考虑终端匹配电阻等。对于采用现场总线的高速控制系统,通信电缆必须采用专用电缆,并采用多点接地的方式,才能够提高可靠性。
 
    (2)电动机的漏电、轴电压与轴承电流问题
 
     变频器驱动感应电动机的电动机模型如图4-2所示,图4-2中Csf为定子与机壳之间的等效电容,Csr为定子与转子之间的等效电容,Crf为转子与机壳之间的等效电容,Rb为轴承对轴的电阻;Cb和Zb为轴承油膜的电容和非线性阻抗。在高频PWM脉冲输入下,电动机内分布电容的电压耦合作用构成系统共模回路,从而引起对地漏电流、轴电压与轴承电流问题。
 
 
     电动机漏电流主要是由变频器供电电压的瞬时不平衡电压与大地之间的Csf产生,其大小与PWM的du/dt大小与开关频率大小有关,其直接结果将导致漏电保护装置 动作。另外,对于旧式电动机,由于其绝缘材料差,又经过长期运行老化,有些在经过变频改造后造成绝缘损坏,对于用于变频调速系统的电动机绝缘要求要比标准电动机高出一个等级。
 
    轴承电流主要以三种方式存在:du/dt电流、EDM(Electric Discharge Machining)电流和环路电流,轴电压的大小不仅与电动机内各部分耦合电容参数有关,且与脉冲电压上升时间和幅值有关。du/dt电流主要与PWM的上升时间tr有关,tr越小,du/dt电流的幅值越大;逆变器载波频率越高,轴承电流中的du/dt电流成分越多。
 
    EDM电流出现存在一定的偶然性,只有当轴承润滑油层被击穿或者轴承内部发生接触时,存储在转子对地电容Crf上的电荷(1/2Crf×Urf)通过轴承等效回路Rb、Cb和Zb对地进行火花式放电,造成轴承光洁度下降,降低使用寿命,严重时造成直接损坏。损坏程度主要取决于轴电压和存储在转子对地电容Crf上的电荷的数量。
 
    环路电流发生在电网变压器地线、变频器地线、电动机地线及电动机负载与大地地线之间的回路中,环路电流主要造成传导干扰和地线干扰,对变频器和电动机影响不大。避免或者减小环路电流的方法就是尽可能减小地线回路的阻抗。由于变频器接地线(PE变频器)一般与电动机接地线(PE电动机1)连接在一个点,因此,应尽可能加粗电动机接地电缆线径,减小两者之间的电阻,同时变频器与电源之间的地线采用地线铜母排或者专用接地电缆,保证良好接地。对于潜水、深井泵这样的负载,接地阻抗(Z3)可能小于变压器(Z1)与变频器(Z2)接地阻抗之和,容易形成地环流。在变频器输出端串由LRC组成的正弦波滤波器是抑制轴电压与轴承电流的有效途径。
 
     (3)变频器本身对外界辐射干扰的抑制
变频器本身对外界的辐射干扰可通过以下措施减轻:
 
     ①为降低辐射干扰,在输出和输入动力线上加装FIL1和FIL2磁环,如图4-3所示,磁环属于共模抑制电抗器,或称零序电抗器,它对被穿过磁芯的几根导线上出现的瞬时相位和幅值不能抵消的干扰有抑制作用,而对被穿过磁芯的几根导线瞬时相加电磁场可完全抵消的干扰不能抑制,也即对三相正弦波电流不起作用。就辐射干扰而言,共模干扰占大多数,所以磁环对辐射干扰抑制有效。
 
 


 
 
    ②变频器的输入、输出动力电线的布局要防止与对周边设备的控制线的电磁场耦合,即要防止这些动力电线与某条控制线平行捆扎在一起或过分靠近。
 
     ③数字式测量仪器仪表的输入阻抗高、频率响应好,很容易受变频器本体和输入输出线辐射干扰影响,造成数字式测量仪器仪表显示乱跳或完全不能测量。因此要求数字式测量仪器仪表远离变频器及变频器的输入输出线。如远离不可能,应对数字式仪器仪表的本体、测量线进行屏蔽。屏蔽线的外套金属网不能两端接地,只能一端接地,接地端设在数字式仪器仪表侧,由此形成静电屏蔽如图4-4所示,另外一种使用双绞线作为数字式仪器仪表的输入线,每绞间距不得大于1cm。干扰严重时可以综合采用多种措施:双绞线+屏蔽套、屏蔽箱、拉开距离、变频器输入输出线加磁环、加电抗器等。
 
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