變頻器在強磁場運行中所產生的干擾及抑制措施

張世全 黃河鑫業有限公司

前言

隨著變頻技術的提高，交流電動機的應用越來越廣泛，采用變頻調速可以提高生產的控制精度、生產效率，有利于實現生產過程的自動化，是交流拖動系統具有優良的控制性能，而且在許多生產場合具有顯著的節能效果。變頻器及其附屬設備的安裝、調試、日常維護及維修工作量劇增，給用戶造成重大直接和間接損失。本文就針對造成以上問題的原因，從應用環境、電磁干擾與抗干擾、電機絕緣等方面進行了分析，提出了一些改進的建議。

1 變頻器的安裝

在粉塵大、磁場大、溫度高的環境中，使用變頻器時，采取正確的安裝、合理的防護措施是十分必要的，防塵措施得當對保證變頻器正常工作非常重要。

1.1 變頻器安裝的基本要求

變頻器應該安裝在控制柜內部，最好安裝在控制柜內的中部；變頻器要垂直安裝，正上方和正下方要避免安裝可能阻擋排風、進風的大元件，變頻器上、下部邊緣距離控制柜頂部、底部、或者隔板、或者必須安裝的大元件等的最小間距，應該大于300mm。如圖1 中的H1，H2 間距所示。對變頻器要進行定期維護，及時清理內部的粉塵等。

1.2 防塵控制柜的設計要求

總體要求控制柜整體應該密封，應該通過專門設計的進風口、出風口進行通風；控制柜頂部應該有防護網和防護頂蓋出風口；控制柜底部應該有底板和進風口、進線孔，并且安裝防塵網。

圖1 柜內安裝變頻器的基本要求

(1) 控制柜的風道要設計合理，排風通暢，避免在柜內形成渦流，在固定的位置形成灰塵堆積。

(2) 控制柜頂部出風口上面要安裝防護頂蓋，防止雜物直接落入；防護頂蓋高度要合理，不影響排風。防護頂蓋的側面出風口要安裝防護網，防止絮狀雜物直接落入。

(3) 如果采用控制柜頂部側面排風方式，出風口必須安裝防護網。

(4) 一定要確保控制柜頂部的軸流風機旋轉方向正確，向外抽風。如果風機安裝在控制柜頂部的外部，必須確保防護頂蓋與風機之間有足夠的高度；如果風機安裝在控制柜頂部的內部，安裝所需螺釘必須采用止逆彈件，防止風機脫落造成柜內元件和設備的損壞。建議在風機和柜體之間加裝塑料或者橡膠減振墊圈，可以大大減小風機震動造成的噪音。

(5)控制柜的前、后門和其他接縫處，要采用密封墊片或者密封膠進行一定的密封處理，防止粉塵進入。

(6)控制柜底部、側板的所有進風口、進線孔，一定要安裝防塵網。阻隔絮狀雜物進入。防塵網應該設計為可拆卸式，以方便清理、維護。防塵網的網格要小，能夠有效阻擋細小絮狀物(與一般家用防蚊蠅紗窗的網格相仿)；或者根據具體情況確定合適的網格尺寸。防塵網四周與控制柜的結合處要處理嚴密。

1.3 控制柜電纜要求

裝有變頻器的控制柜應盡量遠離大容量變壓器和電機。其控制電纜線路也應避開這些漏磁通大的設備。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。控制電纜建議采用1.25mm*2或2mm*2 屏蔽絞合絕緣電纜。屏蔽電纜的屏蔽要連續到電纜導體同樣長。電纜在端子箱中連接時，屏蔽端子要互相連接。

1.4 布線方式

通過共用的接地線傳播干擾是干擾傳播的最普遍的方式。將動力線的接地與控制線的接地分開是切斷這一途徑的根本方法，即將動力裝置的接地端子接到地線上，將控制裝置的接地端子接到該裝置盤的金屬外殼上。

信號線靠近有干擾源電流的導線時，干擾會被誘導到信號線上，使信號線上的信號受到干擾，布線分離對消除這種干擾行之有效。實際把高壓電纜、動力電纜、控制電纜常常與儀表電纜分開走線，分走不同的橋架，即使是變頻器的控制線也最好與其主回路線以垂直的方式走線。

2 變頻器控制回路設計

由于主回路的非線性（進行開關動作），變頻器本身就是諧波干擾源，而其周邊控制回路卻是小能量、弱信號回路，極易遭受其它裝置產生的干擾，造成變頻器自身和周邊設備無法正常工作。因此，變頻器在安裝使用時，必須對控制回路采取抗干擾措施。

2.1 變頻器的基本控制回路

同外部進行信號交流的基本回路有模擬和數字兩種：（1）4～20MA電流信號回路（模擬）；1～5v/0 ～5v 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）。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。

2.2 變頻器對微機控制板的干擾

電解多功能天車大小、車采用PLC 控制，在系統設計或者改造過程中，一定要注意變頻器對微機控制板的干擾問題。在采用變頻器后，產生的傳導和輻射干擾，往往導致控制系統工作異常，因此需要采取必要措施。

(1) 良好的接地。電機等強電控制系統的接地線必須通過接地匯流排可靠接地，微機控制板的屏蔽地，最好單獨接地。對于某些干擾嚴重的場合，建議將傳感器、I/O 接口屏蔽層與控制板的控制地相連。

(2) 給微機控制板輸入電源加裝EMI 濾波器、共模電感、高頻磁環等，成本低。如圖3 所示，可以有效抑制傳導干擾。

圖2 微機控制板的電源抗干擾措施

(3) 給變頻器輸入加裝EMI 濾波器，可以有效抑制變頻器對電網的傳導干擾，加裝輸入交流和直流電抗器L1、L2，可以提高功率因數，減小諧波污染，綜合效果好。在某些電機與變頻器之間距離超過100m 的場合，需要在變頻器側添加交流輸出電抗器L3，解決因為輸出導線對地分布參數造成的漏電流保護和減少對外部的輻射干擾。一個行之有效的方法就是采用鋼管穿線或者屏蔽電纜的方法，并將鋼管外殼或者電纜屏蔽層與大地可靠連接。請注意，在不添加交流輸出電抗器L3 時，如果采用鋼管穿線或者屏蔽電纜的方法，增大了輸出對地的分布電容，容易出現過流。如圖4 所示，當然在實際中一般只采取其中的一種或者幾種方法。

(4)對模擬傳感器檢測輸入和模擬控制信號進行電氣屏蔽和隔離。在變頻器組成的控制系統設計過程中，盡量不要采用模擬控制，特別是控制距離大于1M，跨控制柜安裝的情況下。因為變頻器一般都有多段速設定、開關頻率量輸入輸出，可以滿足要求。如果非要用模擬量控制時，建議一定采用屏蔽電纜，并在傳感器側或者變頻器側實現遠端一點接地。

圖3 減小變頻器對外部控制設備的干擾措施

2.3 變頻器本身抗干擾問題

當變頻器的供電系統附近，存在高頻沖擊負載如電焊機、電鍍電源、電解電源或者采用滑環供電的場合，變頻器本身容易因為干擾而出現保護。建議采用如下措施：

(1)在變頻器輸入側添加電感和電容，構成LC 濾波網絡。

(2)變頻器的電源線直接從變壓器側供電。

(3)在條件許可的情況下，可以采用單獨的變壓器。

(4)在采用外部開關量控制端子控制時，連接線路較長時，建議采用屏蔽電纜。當控制線路與主回路電源均在地溝中埋設時，除控制線必須采用屏蔽電纜外，主電路線路必須采用鋼管屏蔽穿線，減小彼此干擾，防止變頻器的誤動作。

(5)在采用外部模擬量控制端子控制時，如果連接線路在1M 以內，采用屏蔽電纜連接，并實施變頻器側一點接地即可；如果線路較長，現場干擾嚴重的場合，建議在變頻器側加裝DC/DC 隔離模塊或者采用經過V/F 轉換，采用頻率指令給定模式進行控制。

在采用外部通信控制端子控制時，建議采用屏蔽雙絞線，并將變頻器側的屏蔽層接地(PE)，如果干擾非常嚴重，建議將屏蔽層接控制電源地(GND)。對于RS232 通信方式，注意控制線路盡量不要超過15m，如果要加長，必須隨之降低通信波特率，在100m 左右時，能夠正常通信的波特率小于600bps。對于RS485 通信，還必須考慮終端匹配電阻等。對于采用現場總線的高速控制系統，通信電纜必須采用專用電纜，并采用多點接地的方式，才能夠提高可靠性。

2.4 發熱問題及對策

變頻器發熱是由于內部的損耗而產生的，以主電路為主，約占98%，控制電路占2%。變頻器的故障率隨溫度升高而成指數的上升。環境溫度升高10 度，變頻器使用壽命減半。在變頻器工作時，流過變頻器的電流是很大的, 變頻器產生的熱量也是非常大的，因此，我們要重視散熱問題。為保證變頻器正常可靠運行，必須對變頻器散熱。主要方法有：

1)變頻器安裝在控制柜中。我們要了解一臺變頻器的發熱量大概是多少. 可以用以下公式估算： 發熱量的近似值＝ 變頻器容量（KW）×55 [W] ，如果變頻器容量是以恒轉矩負載為準的 (過流能力150% * 60s)，如果變頻器帶有直流電抗器或交流電抗器, 并且也在柜子里面,這時發熱量會更大一些。電抗器安裝在變頻器側面或側上方比較好。或者適當地增加機柜的尺寸，使機柜中產生的熱量值盡可能地減少；如果把變頻器的散熱器部分放到控制機柜的外面，將會使變頻器有70%的發熱量釋放到控制機柜的外面。用隔離板把本體和散熱器隔開,使散熱器的散熱不影響到變頻器本體，這樣效果很好。

2)采用風扇散熱

一般功率稍微大一點的變頻器，都帶有冷卻風扇。同時，也建議在控制柜上出風口安裝冷卻風扇。進風口要加濾網以防止灰塵進入控制柜。注意控制柜和變頻器上的風扇都是要的，不能誰替代誰。

3)開關頻率：變頻器的發熱主要來自于IGBT，IGBT 的發熱有集中在開和關的瞬間。因此開關頻率高時自然變頻器的發熱量就變大了。有的廠家宣稱降低開關頻率可以擴容，就是這個道理。

3 其它干擾注意事項

1)靜電耦合干擾

若控制電纜與周圍電氣回路的靜電容耦合，在電纜中產生電勢時，應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，并在兩電纜間設置屏蔽導體接地。

1)靜電感應干擾

周圍電氣回路產生的磁通變化在電纜中感應出的電勢，一般將控制電纜與主回路電線或其它動力電線分離鋪設，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。干擾的大小取決于干擾源電纜與控制電纜間的相對角度，將控制導體絞合，絞合間距越小，鋪設的路線越短，抗干擾效果越好。

2)接觸不良干擾

變頻器控制電纜的電接點及繼電器觸電接觸不良，電阻發生變化在電纜中產生的干擾。應采用并聯觸點或選用密封式繼電器，并對電纜連接點應定期做擰緊加固處理。

3)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，由其它設備在電源系統直接產生電勢。措施：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器；裝設絕緣變壓器，且屏蔽接地。

4)接地干擾

指機體接地和信號接地。對于弱電壓電流回路及任何不合理的接地均可誘發的各種意想不到的干擾，比如設置2 個以上接地點，接地處會產生電位差，產生干擾。措施：速度給定的控制電纜取1點接地，接地線不作為信號的通路使用。電纜的接地在變頻器側進行，使用專設的接地端子，不與其它接地端子共用。并盡量減少接地端子引接點的電阻，一般不大于100d。

4 變頻器選型

驅動和電氣環境是變頻器選型的決定性因素。就電解車而言，經常工作在電解廠房溫度高，煙氣大，粉塵多、強磁場環境中，因此在選擇變頻器時，提高變頻器柜的密封等級，使密封等級達到IP55 級，并對變頻器柜加裝散熱裝置。除了具備基本的驅動能力外，還必須考慮變頻器同電網之間的相互影響。①車體本身即是良好的導體，磁場對磁場中運動的導體產生與運動方向相反的作用力；車體自身具有大的慣性，因此需要變頻器具備良好的起動轉距。②解決諧波電流和高頻干擾帶來的問題。因此，在變頻器選型時，應使用智能模塊，全中文故障運行顯示，還具有運行狀況記錄功能等性能；具有雙風扇冷卻，其抗熱能力強，抗干擾能力也強；變頻器的檢測應非常齊全，由此帶來的故障報警、模型計算和自身保護多，使用戶使用起來非常的方便。如電機過熱、控制電源短路、通訊故障、三相檢測等。

5 結束語

變頻器控制是一種有效的節能控制，采用正確的安裝方式，合理的散熱要求，合適的方法來消除變頻器控制回路的噪聲和干擾，保持最佳的設置參數，可以延長變頻器的使用壽命。