共模軛流模塊在石油化工變頻驅動系統中的應用

歐陽曉晨

【摘要】變頻器技術的應用越來越廣泛，但變頻系統的電磁干擾比較嚴重。本文主要介紹變頻器應用系統中電磁干擾產生的來源、傳播途徑及其一直干擾的具體措施，對比傳統的方案，從源頭采用新材料，新技術，通過阻抗頻率特性的原理，從根本上解決干擾問題。

【關鍵詞】共模軛流;變頻;電磁干擾

一、引言

電機交流變頻調速技術是當今節電、改善工藝流程以提高產品質量和改善環境，但變頻系統的應用同時也帶來比較嚴重的電磁干擾，相應的抗干擾技術變的更加重要。變頻系統的干擾有時能直接造成系統的硬件損壞，或者使微處理器的系統程序運行失控，造成設備和生產事故。

二、主要電磁干擾源分析

電磁干擾（EMI），是以外部噪聲和無用信號在接收中所造成的電磁干擾，通常是通過電路傳導和以場的形式傳播的。變頻器的整流電路對電網來說是非線性負載，它所產生的諧波會對同一電網的其他電子、電氣設備產生諧波干擾，共模電壓的為輸出每相相電壓之間的函數關系，共模電壓與輸出相電壓有極大關系，因變頻器的逆變器大多采用PWM技術工作，當其工作于高速開關切換（△u/△t）時，變頻器的開關管產生大量噪聲，通過耦合、傳導、輻射等方式在整個系統中潰散。因此，變頻器對系統內其他的電子、電氣設備來說是一個電磁干撫源。電網中的諧波干擾主要通過變頻器的供電電源干擾變頻器。產生共模電流有三個原因：

1.外界電磁場在電纜中所有導線上感應出來的電壓（這個電壓相對于大地是幅值相同相位相同），產生共模電流。

2.電纜兩端的設備所接的地電位不同，地電位的驅動下產生電流。

3.設備上的電纜與大地之間的電位差，電纜上會有共模電流。

當電路不平衡時，共模電流會轉變為差模電流，對電路直接產生干擾影響。差模電流流過電路中的導線環路時，引起差模輻射，向空間輻射或接收磁場，必須限制環路的大小和面積。

三、電磁干擾傳播方式

變頻器能產生功率較大的譜波，對系統其他設備干擾性較強，干擾途徑主要分以下三種傳播方式。

1.電路傳導是通過阻抗耦合或接地回路耦合將干擾傳入其他電路。傳播途徑：接自工業低壓網絡的變頻器所產生的干擾信號將沿著配電變壓器進入中壓網絡，并沿著其它的配電變壓器最終又進入民用低壓配電網絡，使接自民用配電母線的電氣設備成為遠程的受害者。

2.電磁輻射是以電磁波方式向空中輻射，變頻器如果不是處在一個全封閉的金屬外殼內，可以通過空間向外輻射電磁液。其輻射場強取決于干擾源的電流強度、裝置的等效輻射陽抗以及干擾源的發射頻率。變頻器的整流橋對電網來說是非線性負載，產生的諧波對接入同一電網的其它電子、電氣設備產生諧波干擾。

3.感應耦合是介于輻射與電路傳導之間的第三條傳播路徑。當干擾源的頻率較低時，干擾的電磁波輻射能力相當有限，而該干擾源又不直接與其他導體連接，但此時的電磁干擾能量可以通過變頻器的輸入、輸出導線與其相鄰的其他導線或導體產生感應耦合，在鄰近導線或導體內感應出干擾電流或電壓。

四、抗電磁干擾的措施

根據電磁性的基本原理，形成電磁干擾須具備電磁干擾源、電磁干擾傳播途徑、對電磁干擾敏感的系統等三個要素，可采用硬件和軟件的抗干擾措施。其中，硬件抗干擾措施在工程上可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。

1.隔離。從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，使它們不發生電的聯系。在變頻調速系統中，通常是在電源和放大器電路之間的電源線上采用隔離變壓器以免電路傳導干擾，電源隔離變壓器可應用噪聲隔離變壓器。

2.濾波。在變頻器輸出側可設置輸出濾波器。為減少對電源的干擾，可在變頻器輸入側設置輸入濾波器。若線路中有敏感電子設備，可在電源線上設置電源噪聲濾波器，以免電路傳導干擾。

3.屏蔽。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽，不讓其電磁干擾泄漏。輸出線用鋼管屏蔽，特別是以外部信號控制變頻器時，信號線盡可能短（一般為20m以內），且信號線采用雙芯屏蔽，并與主電路及控制回路完全分離，不放于同一配管或線槽內，周圍電子敏感設備線路同時屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。

4.接地。抑制噪聲和防止干擾的重要手段。良好的接地方式可在很大程度上抑制內部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統的抗干擾能力。變頻器的接地方式有多點接地、一點接地及經母線接地等幾種形式。

5.共模扼流模塊。電流流通總是沿著阻抗最低的方向流通，對于系統中的共模干擾形成電流也是同樣沿著阻抗最小的方向流通，共模電流流通的四條路徑，在產生源頭設置安裝共模扼流模塊，濾除諧波噪聲。只需管控扼流模塊的尺寸和溫度即可以安裝使用，實現消除諧波實現抗干擾的功能，且免維護。實際中安裝，僅需要安裝固定在輸入和輸出三相電纜上即可實現功能。共模扼流模塊它具有1KHz～120MHz的阻抗，當頻率越高，所對應的阻抗越高，那么對相應的濾除諧波的效果更好。它通過電磁感應原理，變頻器中產生的高頻△u/△t通過輻射、傳導、耦合寄生在系統內，通過電纜等導體傳輸產生高頻的電壓，高頻的電壓產生高頻的共模電流，通過麥克斯韋方程組，變化的電流產生變化的電場，變化的電場在共模扼流模塊中產生變化的磁場。產生的磁場后，磁化相位滯后，磁芯磁化或反磁化的過程中，磁化狀態并不是隨磁化強度變化而立即變化，有個滯后時間，滯后效應便是引起剩余損耗;變化的磁場在工作時會形成磁滯伸縮，模塊中產生磁滯損耗;電流在磁場中形成渦流效應，產生渦流損耗;這三者之和即為模塊損耗，通過損耗發熱，達到消除諧波實現抗干擾的功能。通過實際中測試諧波大小，加裝共模扼流模塊，諧波各個頻段都明顯下降，共模電流值由13.8A降低到4.9A，改善64.5%，大大降低了共模干擾的危害。

五、結束語

對比5種抗干擾方案，共模扼流模塊在變頻驅動系統的抗干擾的應用中，效果最為顯著，提高整個生產系統的穩定性，降低維護成本，提高整個系統的可靠性，保障整個生產能夠穩定運行。通過分析石油化工中的變頻調速系統中存在的干擾源，提出通過設計設置抗干擾環節，注意安裝工藝等實際方法，克服和抑制各種干擾。隨著變頻器抗干擾技術的發展和工業現場、社會環境對變頻器的要求不斷提高，變頻器的干擾和抗干擾問題可通過新材料，新方案得到了很大程度的解決。