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变频器在自动控制中的应用及干扰抑制办法
时间:2015-06-23 12:28

2008-10-8 13:35:00 王兰娜 廉守英 供稿
摘要:本文将详细的阐述了交流变频器的基本原理及在自动控制系统中使用时对弱电信号干扰的抑制和处理办法,还会详细的介绍一些变频器在工程应用中的技巧与检修方法。

一、概述

    一套变速传动系统包括一台电机和某种类型的速度控制器,早期的电气速度传动包括交流和直流电机两大类型。直流电机调速是通过改变励磁电流来改变加到直流电机上的直流电压,以使直流电机运行到不同的速度。最早的电子控制器用晶闸管整流器来控制电压,以控制直流电机的速度。这些直流传动装置现在仍旧被广泛应用着,并且需要周期的电刷维护。

    而现在交流感应电机简单﹑成本低﹑可靠性高﹑且在整个世界上都得到了广泛的应用,为了控制交流感应电机的速度,就需要一种复杂的控制器,即能够变频且变压的控制器-变频器。为理解一台变频器是如何工作的,首先必须懂得感应电机的工作机理,下面文字将详细的介绍一下交流感应电机的工作原理。

    一台异步感应电机的工作就象变压器。当定子(固定的外部绕组)被连接到三相电源时,一个按照所设电源频率旋转的磁场便建立起来。该电磁场穿过在定子和转子之间的气隙,在转子绕组中产生感应电流。这样,当电流和变化的磁场进行作用时,就产生了对转子的作用力(转矩)使转子进行旋转。如果绕组的极对数增加,磁场的旋转频率就将减小。(即两极=50/60Hz=3000/3600rpm,而四极=50/60Hz=1500/1800rpm)。然而,如果转子按照旋转磁场同样的速度旋转,就不会产生感应的磁场,也就没有转矩。由于转子电流必须被用于产生输出转矩,所以转子就总是比旋转磁场转慢一些。速度上的这种差异被称为转差率,一般为3%左右。而电机的速度取决于所加电源频率,以及绕组的排列,在某种程度上也取决于负载。这样,为了控制电机的速度,就必须控制电源的频率,如果频率降低,则电压必须被降低,否则电机的磁场就会饱和。如果电机的频率增高时转速正比例增高,如果这时电压低电机磁场就会欠励磁造成转矩减少,因此在调速时频率和电压必须同时被控制。下面我们来分析一下交流电机调速的基本原理。

    我们知道三相异步电动机转速公式为:   n=60f/p(1-s)  式(1-1)
    式(1-1)中: n1——定子旋转磁场转速,也叫异步电动机同步转速(r / min);
    n——电机转子实际转速(r / min);;
    f——电源的频率(Hz);
    p——电动机的磁极对数。
    异步电动机的同步转速与实际转速n之差与同步转速之比,叫异步电动机的转差率,以s表示:
    s = (n1 – n) / n1 = 1 – n / n1  (1-2)
    n1s = n1 – n
    n = n1(1-s)
     n = (1-s) × 60f1 / p
    由式(1-2)可知异步电动机的转速公式,从异步电动机的转速公式来看异步电动机的调速方法有以下几种:
(1)变极调速,即改变异步电动机的磁极对数p。
(2)变转差率s调速。
(3)变频调速,即改变电源频率f。

    从以上三种调速方式分析来看,通过改变电机频率来调节三相异步电机速度,是最佳的控制方式。当然还可以用其他方法调速,(如绕线转子异步电动机串级调速。改变定子电压调速。电磁转差离合器调速)。但这都是过去没有变频器时采取的一些措施,现在都已经淘汰。

二、变频器的基本原理

    一台变频器基本由:控制电路、外部I/O电路、驱动电路、检测及保护电路、桥式整流电路、中间直流回路、逆变电路等众多设备综合组成。

    在工作时首先由整流电路把输入的三相交流转换成直流,整流器和逆变器之间的连接叫做直流回路,然后再由控制电路根据用户设定数据及I/O板信息发出调速指令指挥驱动电路控制逆变器的输出转换,再将直流电流转换成三相频率及电压可变的交流。下面图2-2是一台交直交通用变频器的完整主电路图。
 

 

图 2-2

三、变频器整流及逆变主电路

    在任何一台交直交变频器中,实现交流至直流转换及将直流转换成可变频率的交流,都需要在输入回路使用大功率二极管整流或可控二极管进行整流。而在输出测使用大功率可控开关管IGBT逆变模块,三项电源被输入到全波整流器整流后,供给直流回路的电容。电容器能够降低电压波动并起到一定滤波及缓存的作用(尤其在单相应用时)且在短时间的电源断路情况下能够继续提供能量。加到电容上的电压是不可控的,电压大小且取决于交流电源电压峰值。

    控制电路将直流电压运用脉宽调制(PWM)技术换为交流。理想的波形通过输出IGBT在固定开关频率的切换下而建立。通过改变IGBT的开关时间,就能够得到理想的电流。输出电压仍为一系列的方波脉冲,电机绕组的电感使其变成正弦的电机电流。正因为变频器是采用PWM控制技术结果是在输入输出回路产生电流高次谐波,干扰供电系统、负载及其他邻近电气及仪表控制设备。在工程使用过程中,经常遇到变频器谐波干扰问题,下面将详细的介绍谐波产生的机理、传播途径及有效抑制干扰的方法。

四、变频器谐波产生机理

    通用变频器的主电路一般为交-直-交转换电路,当变频器工作时它从电源引入了非正弦的电流。这是由于变频器的输入整流器在把电源的交流电压和电流转换为直流电压和电流时产生的。

    (1)输入整流器:从三相电源的每一相中一次引入电流。引入的电流是非正弦的,并不像标准的交流正弦波那样,而是在整流器转换过程中产生了畸变。畸变意味着电源电流波形包含了谐波,因为畸变的波形可以分解为一组正弦分量,既人们所说的谐波分量。由于电源是一个对称的标准三相电源,而整流部分又是一个开环不可控的,所以谐波的“次”数是一定的,所以整流部分产生的谐波分量很少。

    (2)输出逆变器: 直流电流经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件IGBT逆变为频率电压可变的交流。在逆变输出回路中,输出电流是受PWM载波信号调制的脉冲波形,对于GTR大功率逆变元件,其PWM的载波频率为2~3kHz,而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHz。同样,输出回路电流也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波,其主要谐波次数为第一次(基波,50Hz),第五次谐波(250Hz)第七次谐波(350Hz),第11次谐波(550Hz),第13次谐波(650Hz)。我们从逆变器的工作机理可以看出变频器中的大部分谐波和干扰都是在逆变器中产生的,高次谐波电流对负载有着直接干扰(当作用在电机上时电机表现为发热,声音难听。当作用在模拟仪表上时,仪表的指针和读数乱跳,这些现象都是受到干扰的现象)。另外高次谐波电流还能通过电缆向空间辐射,干扰邻近电气设备。

五、工程中抑制谐波的干扰处理办法

    变频器的核心它主要是通过高速电力电子开关来产生一定宽度和极性的PWM或SPWM控制信号。这种具有很陡边沿的脉冲信号会产生很强的电磁辐射,尤其是输出电路。它们将以各种方式把自已的能量传播出去,干拢周边设备的正常工作,严重地超出了电磁兼客标准的极限值要求。因此,变频器生产厂家为用户制造了一些专用设备来抑制变频器产生的电磁干扰,以达到质检标准,确保变频器及其它设备的安全运行。谐波的传播途径大致为两种,一种是传导另一种是辐射;

    解决传导干扰的办法主要是在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离;

    解决辐射干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽。具体常用方法如下:
   
    (1)变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立,或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器,切断谐波电流。

    (2)电动机和变频器之间电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆,并与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设,避免辐射干扰。

    (3)信号线采用屏蔽线,且布线时与变频器主回路控制线错开一定距离(至少20cm以上),切断辐射干扰。

    (4) 变频器使用专用接地线,且用粗短线接地,邻近其他电气设备的地线必须与变频器配线分开,使用短线。这样能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰。使用变频器时,因接地不正确而引起的干拢间题时有发生,为此首先要在概念上分清什么是“安全接地”和‘电磁干扰接地”,尤其是在高频区域,由于“趋肤效应”在接头处将呈现高阻状态,造成接地不良,使系统对外干扰信号增强,对外影响变得敏感。因此,在防止电磁干扰接地时,需要实现低阻抗连接。具体操作时应注意以下两点:

   1)在使用机壳作为公共地时,需要除净连接点处的油漆或其它涂料,以确保低阻抗连接。

    2)不同接地点间尽可能使用短的扁平线连接在一起(因扁平线的高频低阻特性较好)。并要经常检查所有的接地点,以防止脱落或松动现象发生。变频器安装于控制柜内,既能屏蔽向外辐射能量,又能防止外界电磁干扰的进入。具体施工时应注意机壳、电缆屏蔽层及电动机外壳三者应可靠连接在一起。

    (5)增加输入电抗器,一般应采用无源电抗器,目的在于只允许特定的频率信号通过,阻止干扰信号源。并帮助吸收重载设备投入时产生的浪涌电压和主电源的电压尖峰。2%阻抗进线电抗器通常已足以能够吸收电压峰值并在多数应用情况下能避免变频器有害的停机。还能保护变频器内部直流回路电容器不至于过热和由于吸收浪涌漏电压,而减少寿命,并且增加电源阻抗。4%阻抗进线电抗器最适宜降低由变频器产生的谐波频率电流,还能使干拢信号不能通过地线传播而被反射回干扰源。安装输入电抗器时应尽量靠近变频器,并与其共基板。若两者距离超过变频器使用说明书规定的标准,应用扁平线连接。

    (6)输出电抗器装于变频器的输出端(U﹑V & W),以允许电机在长电缆的情况下运行。在变频器输出端串接电抗器,可以解决电机过热和噪声污染。采用了输出电抗器,可省去在变频器与电机之问的屏蔽电缆。这样做不仅降低了成本,而且能很好的抑制变频器对外产生的干扰,这是使用电抗器的主耍优点。

    输出电抗器的电感补偿可使电机电缆相-对-相和相对-地的分布电容。由于电机电缆长度增加,电机电缆的总分布电容也随时增加,该分布电容与变频器输出端的残余电压峰值(由于变频器输出器件IGBT切换),导致电流峰值流回变频器。这些电流峰值会引起变频器有害的跳闸,安装了输出电抗器都可以避免。电抗器被装于变频器的输出端,以允许带长电缆运行,电抗器补偿了电缆中的分布电容。

    (7)其它措施.1)使用屏蔽电缆削弱电磁感应和静电感应。2)在逆变电路直流侧的正、负端到地线间跨接100n以下的电容器。此种方法特别适用干7.5KW以下的用电设备。3)将控制线、信号线与电源线分开,通常距离应在200mm以上,如果控制线必须与电源线交叉,则应尽量使交叉角接近90度。

六、变频器检修时绝缘测试

    变频器在出厂时已经进行过绝缘实验,新的变频器一定不要进行绝缘测试但是变频器经长期运行后,检修时如果要进行绝缘实验,可按以下述步骤进行,否则可能会损坏变频器内部原件,首先要把变频器的各主电路按图3-1进行连接,如果接错线就会损坏变频器。
 

 

图3-1

     (1)用DC500V兆欧表,要在断开主电源条件下测试。
    (2)断开所有控制电路的连接,以防止实验电压窜入控制电路。
    (3)主电路端子按图1-1所示方式用公共线连接。
    (4)兆欧表电压只施加于主电路公共连接线和大地(端子)之间。
    (5)兆欧表指示值≥5M欧为正常合格。

七、结束语

    随着国民经济的不断发展,各行各业对交流变频调速装置及变频器的应用日益剧增,可以说是已经应用到我们每个人身边(如:民用家电中:空调、冰箱、洗衣机)等。而高价位、维护量大的直流调速装置已被时代和技术的潮流慢慢淘汰,交流变频调速可以说是人类一个时代进步的见证。但是在这一大进步的后面还有着更加繁多的技术难题(如:变频器使用效率的提高、对电网干扰抑制问题、在自控中对模拟信号干扰的抑制处理、能持续较长时间过载运行、各个厂家变频器参数及通讯接口、通讯协议的统一标准化)等一系列问题等待着我们去思索和解决。

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