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高壓變頻器的干擾狀況及處理分析

2014-11-26 08:59:37
高壓變頻器的干擾狀況及處理分析
nterference Condition and the Processing and Analysis of the High-voltage Inverter
                     山東新風光電子科技發展有限公司 趙樹國  馬云生
Zhao Shuguo  Ma Yunsheng
摘  要:本文主要介紹了高壓變頻器的干擾的狀況與途徑,并對相關干擾狀況進行抗干擾的處理。
關鍵詞:高壓變頻器   耦合  干擾  屏蔽    
Abstract: This paper describes the status and means of the high-voltage inverter interference, anti-jamming processing and related interference conditions.
Key words: High-voltage inverter   Coupling   Interference  Shielding

1 引言
       高壓變頻器從上世紀90年代后期到現在已經歷了十幾年的發展,逐步趨于成熟,級聯式高壓變頻器成為主流,具有用低壓器件實現高壓輸出,諧波污染小,成本相對較低,功率單元可互換,具備冗余性等優點,但其在整在發展過程中也碰到了很多問題,最大的問題是干擾問題。山東新風光科技發展有限公司研發生產高壓變頻器也有十幾年的時間了,在這個過程中同樣也遇到了很多干擾的問題。
       如圖1所示是一個設備接收外界干擾與產生對外干擾的幾種途徑:
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圖1
       其中:
       1為電源的傳導干擾
       2為信號線的傳導干擾
       3為設備向外輻射和接收的干擾
       4為電源線作為天線向外輻射和接收的干擾
       5為信號線作為天線向外輻射和接收的干擾
       6為設備內部干擾
       7為地線混入的干擾
       在實際中,設備之間發生干擾通常包含著許多途徑的耦合。正因為多種途徑的耦合同時存在,反復交叉,共同產生干擾,才使得EMI變得難以控制與消除。
       干擾的形成過程是:干擾源發出干擾信號,經過耦合通道達到受干擾設備上。
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圖2
       要有效的抑制干擾,首先要找到干擾的發源地,防患于發源處是抑制干擾的積極措施。但是很多情況下很難確定干擾源,有時即使確定了干擾源也無法采取措施,比如說某個現場,可以確定是現場起動大負載電機在斷路器吸合時產生干擾,導致變頻器跳機,這就無法采取措施將干擾源去掉,因為總不能讓用戶不起動大負載吧?
       再就是由于主回路的非線性(進行開關動作),同時電壓又高,電流又大,這樣變頻器本身也就是一個很強的諧波干擾源,而其周邊及自身的控制回路卻是小能量、弱信號回路,極易遭受變頻器自身或其他裝置產生的干擾,而致變頻器自身或系統周邊設備無法正常工作。
       因此當產生難以避免的干擾時,削弱通道對干擾的耦合以及提高受干擾設備的抗干擾能力就成為非常重要的方法。
       耦合是干擾源與受干擾設備之間的通道。分為三種形式:①直接耦合②感應耦合③輻射耦合
       直接耦合是借助導線將騷擾源直接傳遞給受干擾設備的,這種耦合很明顯是不能用切除這根傳輸線的手段達到目的,只能用隔離的措施來抑制由直接耦合侵入的干擾。
       感應耦合是由感應場傳輸能量,有隨距離成平方衰減的特性,因而其能量隨傳播距離的增加而衰減的速度很快,只能采用屏蔽技術來實現。
       輻射耦合與感應耦合相似,只能用屏蔽技術來實現。
       總的來說干擾分兩種,一種是外部對變頻器的干擾,另一種是變頻器對外部或自身的干擾。前一種使變頻器不能正常工作,后一種使系統不能正常工作。總之,無論何種干擾,都會導致變頻器不能投入運行,這就是要解決的問題。干擾現象有很強的隨機性,可能十個現場沒有,但下一個現場可能就出現了;試驗十次沒有,可能下一次就出現了。這種隨機性也就決定了干擾現象的處理難度大。     
2高壓變頻器控制回路介紹級相關處理措施
       2.1變頻器的控制回路
       高壓變頻器干擾與抗干擾的處理主要是在控制回路中進行,變頻器的控制回路由以下幾個方面組成:
       1)變頻器同外部進行聯系的信號的基本回路有模擬與數字兩種:①4~20mA電流信號回路(模擬);0~5V/10V電壓信號回路(模擬)。②開關信號回路,變頻器的開停指令、正反轉指令等(數字)。③通信回路,外部與變頻器的聯系可能采用通訊的方式進行監控。
       外部控制指令信號通過上述基本回路導入變頻器,同時干擾源也在其回路上產生干擾電勢,以控制電纜為媒體入侵變頻器.同時變頻器也可能通過這些回路的控制電纜干擾到外部設備。
       2)變頻器內部控制線路,如線路板走線、各線路板之間信號連線、供電電源等均是弱電信號,是最易引入干擾的地方,也是最易受到干擾,導致變頻器無法運行的地方。
       2.2干擾的基本類型及抗干擾措施
      (1)靜電耦合干擾:指控制電纜與周圍電氣回路的靜電容耦合,在電纜中產生的電勢。
       措施:加大與干擾源電纜的距離,達到導體直徑40倍以上時,干擾程度就不明顯了。在兩電纜間設置屏蔽導體,再將屏蔽導體接地。
       電纜線的屏蔽層接地問題:我們經常困惑的是要不要接地,要幾點接地?是始端接地還是終端接地等等?
      查相關資料,以100KHz磁場干擾為例說明:
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圖3
       從圖3衰減情況看,A-F的屏蔽效果不好,若必須采用兩端接地,則應采用C或F的形式。G-K的屏蔽效果要好的多,但K一般不建議選用,因為在屏蔽層上的任何噪聲電流和電壓都可作用到信號線上。100Ω(始端)直接接地是不合適的,因為兩端接地為地環路提供了分流,使磁場屏蔽性能下降。
       (2)靜電感應干擾:指周圍電氣回路產生的磁通變化在電纜中感應出的電勢.干擾的大小取決干擾源電纜產生的磁通大小,控制電纜形成的閉環面積和干擾電纜與控制電纜間的相對角度。
       措施:一般將控制電纜與主回路電纜或其他動力電纜分離鋪設,分離距離通常在30cm以上(最低為10cm),分離困難時,將控制電纜穿過鐵管鋪設,將控制導體絞合間距越小,鋪設的路線越短,抗干擾效果越好。
       (3)輻射干擾:指控制電纜成為天線,由外來電波在電纜中產生電勢,干擾變頻器。如大負荷的斷路器吸合時產生的干擾。
       措施:這種干擾比較好的解決辦法是屏蔽受干擾部件,不可能將干擾源去掉。如將線路板放入控制箱內,進行電磁波屏蔽,屏蔽用機箱外殼要接地。箱內線路板間連線盡量采用雙絞線。當然板級的電磁兼容設計也是很重要的,在這兒不再綴述。
       雙絞線在用于低頻時的電磁感應有很好的抑制效果,據相關資料表明,雙絞線的屏蔽效果與單位長度的扭絞次數成正比。如在同一位置上的一對平行線的感應衰減為0dB,則雙絞線節距為10cm時,衰減為23dB,節距為5cm時,衰減為41dB,節距為2.5cm時,衰減為43dB,由此可見節距與衰減是不成正比的,但節距越密,雙絞線的衰減越強,抗干擾性能就越好,但根據不同的線徑,節距是有不同的,否則會損壞導線,引起其他的故障。
      (4)電源線傳導干擾:指各種電氣設備從同一電源系統獲得供電時,由其他設備在電源系統直接產生電勢。
       解決方法是變頻器的控制電源由另外系統供電,在控制電源的輸入側裝設線路濾波器或隔離變壓器,且屏蔽接地。
       (5)接地干擾:當設備接地電位不等時,則會在屏蔽層里形成電流,從而在內部導線上感應出噪聲電壓,這種地線干擾是系統中常見的現象。
       解決的方法是盡量使地線的電位相同,電纜線屏蔽層接地的方法是多種多樣的,根據不同的現場狀況會有不同的接地方法,如單端接地這種方式就可能有兩種可能,一是在始端接地,一是在終端接地,也可能雙端接地,也有的狀況是兩端都不接。總之是想辦法讓電纜線屏蔽層里的電流為0,從而減少干擾,達到最好的抗干擾效果。    
3其他方面注意事項
      (1)裝有變頻器的控制柜,應盡量遠離大容量變壓器和電動機或其開關柜。其控制電纜線路也應避開這些漏磁通大的設置。
       (2)弱電壓電流控制電纜不要接近易產生電弧的斷路器和接觸器。
       (3)軟件程序在編寫的時候也需加強抗干擾的處理,要有較強的糾錯能力與抗干擾能力。
4結束語
       高壓變頻器經過了十幾年的發展,工藝等基本趨于成熟,功能也越來越多,也積累了相當豐富的應用經驗,其可靠性等有了飛速的發展,現在也被廣大客戶認可并廣泛使用,相信高壓變頻器會為節能事業做出巨大貢獻。
 
 


 
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