芻議變頻器之使用與安全

朱德忠

（江西旅游商貿(mào)職業(yè)學(xué)院機(jī)電信息工程分院，江西南昌 330100）

自從三相交流異步電動機(jī)發(fā)明以來，因其轉(zhuǎn)子回路內(nèi)電流不必從外部通入，而且結(jié)構(gòu)極為簡單堅(jiān)固、易于維護(hù)、工作可靠且價(jià)格低廉，長期以來在各行各業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備中始終處于絕對領(lǐng)先的地位，應(yīng)用極其廣泛。但惟一不盡人意的是其調(diào)速性能較差，使其更為廣泛的應(yīng)用受到限制。

20世紀(jì)80年代，一種新型節(jié)電設(shè)備——變頻調(diào)速器，簡稱變頻器（VVVF）開始進(jìn)入實(shí)用階段，20世紀(jì)80年代后期開始在我國應(yīng)用。變頻調(diào)速在調(diào)速范圍、過載能力、調(diào)速精度、動態(tài)響應(yīng)、功率因數(shù)、運(yùn)行效率、使用維護(hù)以及通信功能、智能控制等諸多方面都是傳統(tǒng)交流調(diào)速方式無法比擬的，因此給三相交流異步電動機(jī)帶來了新的“生命”。變頻調(diào)速器以其體積小、重量輕、通用性強(qiáng)、拖動領(lǐng)域?qū)挕⒈Ｗo(hù)功能完善、可靠性高、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，深受冶金、礦山、石化、醫(yī)藥、紡織、造紙、機(jī)械、電力、建材等諸多行業(yè)的歡迎，社會效益非常顯著。變頻技術(shù)隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展而進(jìn)展顯著，變頻器的價(jià)格也在下降，變頻器已經(jīng)成為電動機(jī)的主要驅(qū)動設(shè)備，推廣普及變頻器的應(yīng)用有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文從變頻器的電磁干擾與被干擾就使用與安全問題進(jìn)行闡述。

1 關(guān)于電磁干擾（EMI）和電磁兼容（EMC）

（1）電磁干擾EMI（Electromagnetic Interference）

電力電子器件運(yùn)行在高頻狀態(tài)時(shí)，PN結(jié)間的電容作用不可忽視，寄生參數(shù)影響很大，容性、感性器件能量振蕩，對外產(chǎn)生電磁干擾，即電磁污染。有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種，傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號耦合（干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過空間把其耦合（干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響到其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。盡管現(xiàn)在高頻交流變頻技術(shù)正在進(jìn)入變頻傳動領(lǐng)域，采用零電壓或零電流技術(shù)的軟開關(guān)諧振式變頻器已被認(rèn)為是21世紀(jì)高性能變頻器的發(fā)展主流，但電磁干擾的存在勢必造成變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心——微機(jī)系統(tǒng)的信號紊亂，破壞或降低其他電子設(shè)備的工作性能，從而導(dǎo)致嚴(yán)重后果。因此如何抑制電磁干擾是整個(gè)控制系統(tǒng)能否可靠運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。

（2）電磁兼容EMC（Electromagnetic Compatibility）

這是設(shè)備的一種能力，即在電磁環(huán)境中能完成它的功能，而不至于在其環(huán)境中產(chǎn)生不允許的干擾。也就是說，一個(gè)電器裝置能在其所處的電磁環(huán)境中滿意地工作，同時(shí)又不向該環(huán)境及同一環(huán)境中的其他裝置排放超過允許范圍的電磁干擾。自從電子系統(tǒng)降噪技術(shù)在20世紀(jì)70年代中期出現(xiàn)以來，主要由于美國聯(lián)邦通訊委員會在1990年和歐盟在1992年提出了對商業(yè)數(shù)碼產(chǎn)品的有關(guān)規(guī)章，這些規(guī)章要求各個(gè)公司確保他們的產(chǎn)品符合嚴(yán)格的磁化系數(shù)和發(fā)射準(zhǔn)則。符合這些規(guī)章的產(chǎn)品稱為具有電磁兼容性。設(shè)備的電磁兼容性就是要破壞電磁干擾的3個(gè)要素，即干擾源、敏感的接收單元和耦合通道。一般采取屏蔽、隔離、濾波和接地的措施就可比較好地消除干擾，使電力電子設(shè)備既不受外來干擾影響，也不對所處環(huán)境和其他設(shè)備造成干擾，維持其共存的電路環(huán)境，相互兼容，均能正常工作。電磁兼容性好的產(chǎn)品就是指無諧波污染和高功率因數(shù)的“綠色”產(chǎn)品。

2 變頻器之干擾與被干擾

（1）變頻器的干擾

在我國，電力電子裝置的應(yīng)用遠(yuǎn)不及發(fā)達(dá)國家普及，10多年來我們一直在做這方面的努力，普及變頻器的應(yīng)用?，F(xiàn)在的問題是，變頻器這個(gè)典型的非線性電力電子設(shè)備是個(gè)諧波源（電磁干擾）。諧波對供電系統(tǒng)安全、輸變電及用電設(shè)備、通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等都形成干擾，影響它們的正常工作。例如，變頻器產(chǎn)生的高次諧波中，電流諧波將增加電動機(jī)的銅損，電壓諧波將增加電動機(jī)的鐵損，最終導(dǎo)致電動機(jī)發(fā)熱量增加;此外變頻器輸出的具有陡變沿的驅(qū)動脈沖（高次諧波），加上變頻器到電動機(jī)之間的連接電纜存在的雜散電容和電感，受到諧波的激勵產(chǎn)生振蕩，造成傳送到電動機(jī)的輸入端的驅(qū)動電壓產(chǎn)生過沖現(xiàn)象;如果變頻器中的開關(guān)頻率位于聽覺范圍內(nèi)，電動機(jī)還會產(chǎn)生很煩人的噪聲，必需采取相應(yīng)措施。

干擾信號的傳播方式主要有:

①通過電源網(wǎng)絡(luò)（電源線、信號線、控制線）傳播的線路傳播方式。

②當(dāng)變頻器的輸入電路或輸出電路與其他設(shè)備的電路挨得很近時(shí)，變頻器的高次諧波信號會通過線間電感或線間電容的感應(yīng)耦合到其他設(shè)備中去。即傳播電流干擾信號的電磁感應(yīng)方式和傳播電壓干擾信號的靜電感應(yīng)方式。

③空中傳播方式，頻率很高的諧波以電磁波的方式向外輻射，尤其對通信設(shè)備干擾更為嚴(yán)重。

（2）變頻器的被干擾

變頻器的運(yùn)行會對周圍設(shè)備產(chǎn)生干擾，同樣變頻器這個(gè)采用了高性能微處理器等集成電路的電力電子裝置也會被干擾。像供電網(wǎng)絡(luò)中較大容量的晶閘管換向和用于提高功率因數(shù)的補(bǔ)償電容的投入與切除，都會對變頻器造成干擾，影響工作。原因是晶閘管在部分時(shí)間內(nèi)的導(dǎo)通會造成網(wǎng)絡(luò)電壓“凹口”的現(xiàn)象，補(bǔ)償電容的投入與切除會產(chǎn)生瞬間的峰值電壓。

3 變頻器的使用與安全

正確使用變頻器十分重要，而不正確使用將會導(dǎo)致變頻器的不正常工作，顯著降低變頻器的壽命，甚至損壞變頻器，同時(shí)還會對其他設(shè)備造成影響。上述關(guān)于變頻器的干擾與被干擾的問題告訴我們必須正確使用變頻器才行。首先要強(qiáng)調(diào)的是使用任何一款變頻器之前都必須認(rèn)真、仔細(xì)地閱讀產(chǎn)品使用手冊，它會告之安全、安裝、設(shè)置、操作、維護(hù)等事項(xiàng)，我們必需遵照執(zhí)行。這里僅就與抗干擾有關(guān)的問題進(jìn)行闡述。

（1）正確選用

應(yīng)當(dāng)選用研發(fā)、生產(chǎn)出的高品質(zhì)、高性能，價(jià)格合理地變頻調(diào)速器。因?yàn)樗陔姶偶嫒菪陨系脑O(shè)計(jì)考慮周全，諸如功率器件開關(guān)干擾的抑制，合理的布局與布線、接地、屏蔽（吸收和削弱高頻電磁場）、隔離、濾波等措施可以很好的消除或降低電磁干擾的作用。

（2）正確安裝

注意環(huán)境要求，避免安裝在高溫多濕、陽光直射、多塵、有腐蝕性氣體、易燃性氣體的環(huán)境之中，防止振動和電磁干擾（像電焊機(jī)、動力機(jī)器）;注意配線，控制線在空間上應(yīng)盡量和變頻器的輸入、輸出線交叉，垂直更好;注意散熱（低頻時(shí)要特別注意）。變頻器是一種微電子控制的功率裝置，內(nèi)部有大量的半導(dǎo)體器件，對溫度、濕度非常敏感，有統(tǒng)計(jì)表明，每年夏季是變頻器故障的高發(fā)期，建議對變頻控制柜內(nèi)溫度進(jìn)行監(jiān)控，原則上不要超過10℃，同時(shí)注意防潮。

（3）周邊設(shè)備的應(yīng)用與注意事項(xiàng)（圖1）

①電源:在變頻器的容許電源規(guī)格內(nèi)使用;注意電壓等級是否正確。

②無熔絲斷路器:使用符合變頻器額定電壓及電流等級的無熔絲斷路器作為變頻器的電源ON/OFF控制，并作為變頻器的保護(hù);無熔絲斷路器不能作為變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)/停止的切換;加裝漏電斷路器，防止漏電造成的誤動作并保證人員安全。

③電磁接觸器:沒有特別設(shè)置的必要，但作外部控制，或停電后自動再起動，或使用制動控制器時(shí)須加裝一次側(cè)的電磁接觸器;如果設(shè)置了，就不能用它來對變頻器進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)/停止的切換。

④輸入側(cè)電抗器:在為了改善功率因數(shù)和距離大容量電源很近（參見使用手冊上的要求）的場合，有必要使用交流或直流電抗器;電抗器的功能主要是削弱高次諧波，提高功率因數(shù)（至少在0.85以上）;削弱沖擊電流，削弱三相電源電壓不平衡的影響。

⑤輸入側(cè)濾波器:變頻器周圍有電感負(fù)載時(shí)，務(wù)必加裝抗干擾濾波器;濾波器主要用于抑制具有輻射能力的頻率很高的諧波電流。

⑥變頻器（VVVF）:注意安裝環(huán)境。注意輸入、輸出的接線端子，千萬不能接錯(cuò);正確接地。另外控制信號線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離主回路。

⑦輸出側(cè)濾波器:注意輸出側(cè)一般不接電抗器。有的也要求不接過電壓吸收器和無線電噪聲濾波器，至少不能在輸出側(cè)接入電容器;為減少變頻器產(chǎn)生的高次諧波，以避免影響其附近的通信設(shè)備，可在輸出側(cè)接入抗干擾濾波器（注:變頻器輸出側(cè)到電動機(jī)的這段最好不接電器且距離不能太長）。

⑧電動機(jī):為了防止觸電，必須良好地接地。

（4）其他注意事項(xiàng)

①裝有變頻器的控制柜，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離大容量變壓器和電動機(jī)，其控制電纜線路也要避開這些漏磁大的設(shè)備。

②控制電纜要用1.25 mm2或2 mm2以上的屏蔽絞合絕緣電纜。

③選用異步電動機(jī)時(shí)，一定要注意電動機(jī)的極對數(shù)。因?yàn)轭l率太低，電動機(jī)風(fēng)扇風(fēng)量會隨之減少，散熱效果降低，需另加風(fēng)扇強(qiáng)冷;而頻率太高，電動機(jī)轉(zhuǎn)速太高，應(yīng)注意電動機(jī)的軸承強(qiáng)度。

④回避機(jī)械共振點(diǎn)，即用設(shè)置的方法跳過發(fā)生共振的頻率范圍。因?yàn)殡妱訖C(jī)在一定的頻率范圍內(nèi)，可能會遇到負(fù)載設(shè)備的機(jī)械共振點(diǎn)，會產(chǎn)生機(jī)械諧振而影響系統(tǒng)運(yùn)行。

⑤變頻器輸出側(cè)諧波電流的輻射能力，電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)的能力都和載波頻率有關(guān)，適當(dāng)降低載波頻率對抑制干擾是有利的。但載波頻率是從改善電流波形的角度考慮的，載波頻率越高，電流波形平滑性越好，變頻器的噪聲會小;隨之而來的是扭矩會增大，電動機(jī)的噪聲會大，這點(diǎn)要綜合平衡考慮，現(xiàn)場調(diào)試。

⑥正確接地。設(shè)備接地的主要目的是為安全（設(shè)備和人身兩方面），但對于一些具有高頻干擾信號的設(shè)備來說，也有把高頻干擾信號引入大地的功能。接地時(shí)應(yīng)注意:接地線要粗，接地點(diǎn)要盡量靠近變頻器，接地線要遠(yuǎn)離電源線并和其它地線分開。千萬不可把所有接地線連在一起再接地。

⑦斷電后變頻器內(nèi)部的電容仍有一段時(shí)間積存高電壓，應(yīng)等放電指示燈完全熄滅，方可進(jìn)行維護(hù)、檢修等操作，以免發(fā)生危險(xiǎn)，切記。

4 結(jié)語

以上分析知道，由于變頻器的普及應(yīng)用而帶來的干擾與被干擾問題，必需從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用等各個(gè)環(huán)節(jié)上，采取各種正確的軟、硬件措施，才能解決。因干擾與被干擾而造成的變頻調(diào)速系統(tǒng)的安全問題也值得注意。

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