洗煤厂变频器干扰的影响及抗干扰措施

2014-01-31王宇涵

机电信息 2014年15期

关键词：洗煤厂变频器谐波

王宇涵

（平顶山中选自控系统有限公司，河南平顶山467000）

0 引言

随着工业自动化程度的提高，变频器的应用越来越广泛，而且自动化程度越高的工厂，使用变频器数量越多。但大量变频器的使用也将变频器的干扰问题扩大化，有时甚至影响到厂房的正常工作生产。因此，有必要对变频器应用中的干扰问题进行探讨。

1 变频器的工作原理

变频调速的控制对象是异步电机，其转速公式为：

式中，n为转速；s为转差率；n1为同步转速；f1为定子供电频率；p为极对数。

由式（1）可知，异步电机有3种基本调速方式：变极调速、改变转差率调速、变频调速。

变频器的工作原理就是将直流电源变成脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，脉冲个数越多，其输出的波形越平滑且拥有的低次谐波量越少，用这些波形近似地代替正弦波形，通过改变脉冲列的周期、宽度或占空比可以调频、调压，采用适当的控制方法即可使电压与频率协调变化［1］。可以通过调整PWM的周期、占空比来达到控制充电电流的目的。现在市场中主要的控制方式有压频控制、矢量控制、直接转矩控制3种。

2 变频器产生干扰的原因及危害

2.1 变频器产生干扰的原因

变频器是利用电力电子技术，通过脉冲宽度调制（PWM）技术斩波的方式改变电机工作电源频率来控制电机的输出。基于这一工作原理，变频器在运行过程中需要对输入电源用电力二极管整流（或晶体管/逆变模块）进行斩波逆变，在这个具有5～10 MHz频率的逆变过程中，输入、输出回路会产生较多的高次谐波，从而对同一电网的其他电子、电气设备产生干扰，影响电网的供电质量及其他电气设备的正常运行。

2.2 变频器干扰的危害

变频器干扰主要有辐射干扰、沿线干扰、感应干扰等传播形式［2］。变频器本身不会通过辐射产生很多电磁干扰，仅在其100 mm范围内有较强的电磁干扰，但电磁干扰强度随距离的增加而迅速衰减，在距离变频器300 mm处电磁干扰强度就变得很弱［3］。变频器产生的电磁干扰能量主要经电源和电机电缆的传导向外传播。

总结变频器干扰造成的危害，主要有以下几种：

（1）谐波使电网中的电气元件产生附加的谐波损耗，降低电机工作效率，增加变压器的功率损耗。

（2）谐波通过电网传导，引起电网中局部的串联或并联谐振，引起电机振动、噪音增大，对电机寿命产生一定影响，甚至损坏电机，直接影响到工厂的正常生产。另外，谐波会使电力电容发生过载、过热现象，甚至损坏电容器。

（3）谐波或电磁干扰引起电气仪表计量错误，继电保护装置误动作，甚至无法正常工作。变频器易对工厂中的PLC控制系统产生干扰，使仪器仪表无法正常工作，影响生产系统的正常运行，如果干扰大，会直接影响PLC控制系统的正常运行，造成PLC系统故障、停机，从而引起自动化系统停止工作，造成经济损失。

3 抑制变频器干扰的措施

洗煤厂生产控制系统主要是以PLC控制为中心、以电机为功率输出单元的配电控制系统。其中，PLC控制系统是由基于微处理器的各类数字控制设备构成的。在洗煤厂中主要存在导线干扰、电源干扰、电磁干扰、在线干扰和接地不当干扰等5种干扰。变频器在运行过程中容易对电机以及PLC系统和仪表等弱电设备产生干扰，从而影响设备的正常运行。针对洗煤厂生产控制系统的这一特点，抑制变频器干扰的主要措施有以下几种：

3.1 安装电抗器

在变频器的进出线两侧串联进出线电抗器。在输入端电抗器既可以防止电网谐波和操作过电压引起的电流冲击对变频器的正常运行产生影响，又能减少变频器产生的谐波污染电网，改善变频器的功率因数，具有保护变频器的作用；在输出端电抗器能够限制电缆的容性充电电流，减少谐波输出，改善电源质量，同时降低电机的噪声，吸收电机负载引起的浪涌电流，避免变频器的误动作，也可防止变频器谐波干扰对电机正常工作的影响，提高变频器工作的可靠性和效率。

3.2 使用滤波器

滤波器能对频率与幅值都变化的谐波进行跟踪补偿处理，其特性不受系统的影响，不会产生放大谐波的效果，有较强的抗干扰能力［4］。同时还具有防止用电设备本身的干扰传送给电源的作用，有些还兼有吸收尖峰电压的功能，对各类用电设备有不少好处。但较多的由厂家安装在变频器内部，无法自行安装。有2种简易滤波器，分别是与电源线并联的电容性滤波器和串联接入电网的电感性滤波器。因此，在经济条件允许的情况下，变频器选型时应尽量选用带有滤波单元的变频设备，减少对电网的干扰。

3.3 采取隔离措施

在现场操作时，隔离方式主要有屏蔽和电源隔离2种。屏蔽是指将变频器与其他用电设备隔离，安装柜体对其进行屏蔽保护，减少电磁干扰的泄露。在选煤厂中，大电流或高电压的动力线应该和信号线分开配线，勿敷设于同一线槽内，以防对信号的输入、输出造成影响。当长距离配线不可避免时，信号线的输入、输出最好采用独立的电缆来完成，并用钢管对其进行屏蔽，也可按90°交叉施工，以减少对控制电缆的电磁干扰［5］。

为了提高控制系统（即PLC系统）的抗干扰能力，通常在控制电源处安装稳压电源，稳压的同时也起到电源隔离保护的作用，以减少母线所载谐波对PLC系统的干扰，提高系统的可靠性。

3.4 使设备可靠接地

大量的生产实践证明，对带电设备进行接地是防止干扰的重要手段。接地方式有一点接地、多点接地、经母线接地等。单点接地是在一个电路或装置中只有一个物理点定义为接地点，在低频下的性能好。多点接地是指装置中的各个接地点都直接接到距它最近的接地点，在高频下的性能好。混合接地是根据信号频率和接地线长度，系统同时采用单点接地和多点接地的方式。洗煤厂根据实际情况多采用混合接地。PLC设备作为重要的保护设备，其柜体也必须接地。接地线一般采用截面在22 mm2以上的铜导线，总母线一般使用截面在60 mm2以上的铜排。接地极的接地电阻应在2Ω以下，接地极一般选择埋在距离建筑物10～15 m的位置，而且要保证PLC系统的接地点和强电设备接地点的距离在10 m以上［6］。