变频器对电气设备的危害和防范措施

2023-01-14张宏

设备管理与维修 2022年14期

张宏

（大庆钻探工程公司钻井四公司，吉林松原 138000）

0 引言

变频器在实际工作过程中，因为电路中电压、电流的脉冲和高频振荡的谐波能够产生电磁干扰，导致变频器成为非常强的电磁干扰源，能够以辐射和传导等方式对电子电气设备造成强烈干扰，严重影响设备的稳定正常运行，而且极有可能导致设备出现损坏。随着自动化程度不断提高，相应的电子电气设备在复杂程度和密集度方面也在不断提升，电磁干扰的危害逐渐加剧。在这种情况下，有必要对变频器产生的危害做出分析，并合理借助相应措施进行防范。

1 变频器概述

1.1 概念分析

变频器是借助变频技术和微电子技术，有效改变电机工作过程中的电源频率，达到合理控制交流电机的一种电力控制设备，一般由整流单元、滤波单元、逆变单元、控制单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等部分组成。在实际运行过程中，靠内部的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的开断来有效调整实际输出电源的具体电压和频率，结合电机的实际需求，合理有效地提供所需要的电源电压，达到节能和调速的目的。变频器还具备一系列保护功能，如过载保护、过压保护和过流保护等。近几年在工业自动化水平持续提高的背景下，变频器得到较为广泛的应用，逐渐成为工业领域不可或缺的一项设备[1]。

1.2 工作原理分析

现阶段较为常用的变频器一般都是“交—直—交”型变频器，主要包括整流单元、储能元件、逆变单元和控制单元等。实际工作原理为：借助整流单元将工作频率固定的交流工频电源转变为直流电源，将电能存储在变频器的储能元件中，借助逆变单元中的电子开关将相应的直流电转变为不同频率、宽度和幅度的方波，控制单元依照设定好的程序，对输出方波的脉宽和幅度等进行控制，叠加成满足需要的一种频率比较接近正弦波的交流电，从而驱动交流电机，并且能够对电机电流和电压等方面做出有效的电气保护[2]。

2 变频器对电气设备的危害

2.1 对电网和电站的危害

（1）变频器产生的电磁干扰能够从输入端电源线有效反馈传导出去，从而对电网产生较为严重的污染问题，容易使供电效率持续下降，影响供电质量，也可以导致继电保护装置由于受到干扰而逐渐失去作用[3]。

（2）高次谐波电流能够在线路阻抗中逐渐形成谐波压降，产生有功和无功损耗，情形严重时甚至能够导致电力系统出现电压谐振，同时在线路中引发过电压问题，非常有可能击穿电缆、导线和设备的绝缘结构，容易烧毁电气设备的供电设施，最终引发火灾。

（3）电站有时会借助电容器来补偿由感性负载引发的功率因数下降，来提高发电机容量实际利用率和减少线路损耗。但是高频电磁干扰实际上对电容器产生的影响最为明显，因为电容对其呈现出低阻的同时对其提供了通路，所以能够使各谐波和基波电流出现叠加问题，导致通过电容的实际总电流不断增加。一个持续的过渡能促使电容器温度不断提升，从而影响其使用寿命。如果情况严重还能够损坏电容器，甚至引发爆炸。电容器本身的容性阻抗和系统感性阻抗非常有可能在谐波频率附近出现谐振问题，导致系统谐波含量快速增加，最终使系统难以运转。

2.2 对电机的危害

电机属于电力系统的主要负载，变频器出现的高频电磁干扰，能够促使杂散电容和电感受激励产生减幅振荡，导致传送到电机输入端的实际驱动电压出现过冲问题。因为电机绕组中也有杂散电容，过冲电压在绕组中出现尖峰电流，一旦绕组绝缘层存在不均匀部位，便容易引起过热问题，导致电机温度持续上升，不但影响电机的稳定性和可靠性，还能够烧毁电机绕组的绝缘层，缩短电机使用寿命或直接烧毁电机。高频电压振荡还能够在电机的铁芯叠片内部有效激励涡流引发热损耗，也能促使电机的铜绕组产生更多的电能消耗，实际效率逐渐降低。如果高频振荡频率与一些电机零部件的固有振动频率十分接近时，可诱导其出现机械共振问题和噪声问题。

2.3 对设备的危害

交流装置属于电力系统应用相对广泛的一种设备，例如冰库制冷和锅炉系统中一般都含有交流装置。如果采用直流电源，通常需要借助带有晶闸管的交流装置，变频器产生的电磁干扰能够导致上述设备的控制信号和幅频出现畸变问题，控制角出现位移，可以引起自动检测、控制系统中出现误差或误动作，电流或电压的实际变化值过高，出现过热效应，从而导致晶闸管故障或损坏，情形严重的还能够导致交流装置直接失灵。

3 变频器电磁干扰防范策略

变频器能够对各种电气设备造成不同程度的危害，所以在实际应用过程中，需要充分明确电磁干扰的实质采取针对性的技术措施，来降低甚至消除这些危害，确保变频器自身的价值和作用充分发挥出来。电磁干扰实质上属于噪声干扰，是电路中除了必要信号之外的任何一种或多种电气信号和能量。而想要形成干扰，需要具备噪声源、噪声传导路径和感受体3 个条件。这3 个条件缺一不可，所以对于电磁干扰的防范可以从这3 点入手。

3.1 合理运用减少或抑制噪声的措施

（1）做好变频器的屏蔽工作。屏蔽设备能够有效防止系统不断地向外辐射电磁波，对变频器实施合理有效的屏蔽属于至关重要的措施。为确保取得良好屏蔽效果，所用的屏蔽机箱一般采用良导体，如纯铝和紫铜等。借助整版或一次铸造成型的整体机箱，尽可能减少接缝，并保证连续光滑，这样可以避免有缝隙不断地向外辐射电磁波[4]。

（2）注重从输入端和输出端来减少或抑制噪声。如果电网电压不对称问题较为严重，或变频器连接的某个电源存在功率较大的晶闸管变流器负载时，工作人员可以在电源和变频器之间加接电抗器。电抗器的作用主要是阻遏浪涌电压，削弱三相电压不平衡时对变频器造成的不良影响，并且能够削弱输入电流的高次谐波分量，显著提高功率因数，减轻变频器对电网的污染。也可以在变频器和电机之间加接电抗器，削弱变频器输出的高次谐波，减少电机的转矩脉动，防止电机由于长期承受PWM（脉冲宽度调制）斩波浪涌冲击而出现绝缘等级下降的问题。

3.2 在传导路径上对噪声信号进行抑制

通常情况下，变频器最严重的干扰一般属于沿导线传输的传导性干扰，最典型也是危害最大的便是噪声沿电源端窜入，对电路产生直接影响。为了抑制PWM 调制引发的干扰信号的传导性传播，应该在变频器的输入和输出端开展滤波工作。一般可以借助电源滤波器来阻止干扰信号沿电源线传播，使干扰被反射回干扰源。合理安装电源滤波器，可以有效切断电磁干扰通过电源线传导的途径。为了提升滤波效果，滤波器与变频器安装在同一块底板中，保证两者的连接对高频信号呈现出一定的低阻特性。必要情况下，尽可能让滤波器与变频器的电机驱动器保持最近的连接距离[5]。

以浙江桐乡某纺织厂的POY 直纺设备为例，由于熔体压力信号遭受干扰，测量值产生波动引发控制系统时常发出压力高和压力低报警。在干扰过于严重的情况下，控制系统会误认为压力过低，从而出现自动停机问题，导致原料和电能都产生了较大的损失。通过检查发现，是变频器产生的电磁噪声顺着动力电路进入到了供电系统，借助仪表的供电电源再次进入到了闭环控制系统，从而干扰了压力信号。为解决这一问题，先选用一台专用电源滤波器，发现虽然可以减小干扰但无法完全消除；最后选用加装了变频器输入滤波器，从源头控制传播，该问题彻底消失。

3.3 尽可能降低电气设备的感受能力

科学合理地布局各类设备可以降低设备对噪声的感受力，在电路中将电气特性相同或是相近的电路和信号尽可能地集中，特性存在差异的需要相对隔开。做分开布局的包括：输入信号和输出信号，强电信号和弱电信号，模拟信号和数字信号，高速元件和低速元件。还可以依照电路性质的差异，如高噪声电路和低能量信号电路等，先分别单点接地，后再将各个接地点有效地连接到同一个接地点，便可以显著提高各类电气设备的实际抗干扰能力。

以杭州萧山某纺织厂FDY 设备实际调试过程为例，温控表的升温显示非常慢，但实测加热器温度早已超出了设定值，险些导致设备损坏。检查发现温度传感器的信号线，在布线桥架中与变频器输出线的距离较近，变频器停止工作时温度信号可以接近实测值，表明温控表受到了变频器电磁干扰。排查发现信号线屏蔽层未能可靠接地，导致屏蔽失效，重新布线后解决了该问题。