交流變頻器的誕生為工業(yè)自動化控制、電機節(jié)能帶來了革新。工業(yè)生產(chǎn)中幾乎離不開變頻器,即使在日常生活中,電梯、變頻空調(diào)也成為不可缺少的部分,變頻器已經(jīng)開始滲入到生產(chǎn)、生活的各個角落。然而,變頻器也帶來了許多****困擾,典型的現(xiàn)象包括:
變頻器工作時,繼電保護器誤動作;
變頻器工作時,PLC工作異常、儀表讀數(shù)錯誤;
工廠安裝了變頻器后,無功補償電容不能投切或者燒毀;
工廠安裝了變頻器后,原來的配電系統(tǒng)不再滿足要求,電纜、變壓器過熱,配電盤跳閘,變壓器噪聲增加;
變頻器驅(qū)動的電機,發(fā)熱嚴重、噪聲增加;
變頻器驅(qū)動的電機,絕緣容易損壞,軸承容易損壞。
變頻器之所以帶來這些問題,是由變頻器的工作原理所決定的。變頻器主要由兩部分組成:整流器和逆變器,整流器和逆變器是導致上述現(xiàn)象的根本原因。整流器工作時產(chǎn)生諧波電流,這在前面已經(jīng)進行了充分的討論。逆變器對直流電壓進行控制,產(chǎn)生脈寬調(diào)制(PWM)波,PWM電壓波形是電磁干擾和損傷電機的根本原因,如圖1所示。
圖1 變頻器產(chǎn)生電磁兼容問題的原因
現(xiàn)代變頻器的體積更小,效率更高。然而,伴隨著這些技術(shù)進步,上述的一些問題也越來越嚴重。之所以出現(xiàn)這樣的情況,是因為現(xiàn)代變頻器中使用了高性能的IGBT作為輸出電路的開關(guān)器件,這種器件的開關(guān)速度非常快,使PWM波形的上升沿與下降沿很短。根據(jù)付立業(yè)分析,脈沖的上升沿越短,則意味著脈沖中所包含的高頻成份越豐富。高頻成份豐富,意味著會有更多的機會產(chǎn)生電磁輻射與電磁耦合。另外,PWM更短的上升沿時間,也會對電機產(chǎn)生更嚴重的損傷。
變頻器的導致電磁兼容問題和電能質(zhì)量問題的根本原因如表1所示。
表1 變頻器導致電磁兼容問題的機理和現(xiàn)象
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序號 |
機理 |
導致的現(xiàn)象 |
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1 |
電源線向電網(wǎng)注入諧波電流 |
PLC工作異常、儀表讀數(shù)錯誤; 無功補償電容不能投切或者燒毀; 電纜、變壓器過熱,配電盤跳閘,變壓器噪聲增加; |
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2 |
電源線向電網(wǎng)注入射頻電流 |
計算機工作異常 數(shù)控設備精度降低 |
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3 |
電源線產(chǎn)生電磁輻射 |
儀表讀數(shù)錯誤; |
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4 |
輸出電纜產(chǎn)生電磁輻射 |
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5 |
輸出的PWM電壓在電機端產(chǎn)生尖峰電壓 |
電機發(fā)熱嚴重、噪聲增加; |
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6 |
輸出的PWM電壓在電機軸承中產(chǎn)生軸承電流 |
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由于變頻器工作時產(chǎn)生了很多電磁兼容和電能質(zhì)量問題,因此,在使用變頻器時,要采取適當?shù)拇胧瑴p小這些電磁兼容和電能質(zhì)量問題可能。航天科工集團二院706所,憑??對變頻器所關(guān)聯(lián)的電磁兼容問題的深入研究,開發(fā)了系列產(chǎn)品,能夠解決變頻器帶來的各種電磁兼容和電能質(zhì)量問題。針對變頻器的各種潛在危害,可以選用的產(chǎn)品如表2所示。
表2:針對變頻器各種危害可以采取的措施
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要解決的問題 |
技術(shù)措施 |
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減小變頻器的諧波電流發(fā)射,滿足GB17625或者THID<8%的要求 |
在變頻器的電源輸入端安裝無源諧波濾波器 |
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減小變頻器的射頻電流傳導發(fā)射,消除對其他電子設備的干擾 |
變頻器輸出端安裝電抗器,并安裝EMC專用輸出濾波器 |
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保護電機的繞組,使其免受PWM電壓波的損傷(電纜的長度小于300米) |
在變頻器的輸出端安裝DVF濾波器 |
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保護電機的繞組,使其免受PWM電壓波的損傷(電纜的長度大于300米) |
在變頻器端正弦波濾波器 |
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電機噪聲大,溫度高 |
在變頻器端正弦波濾波器 |
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電機軸承經(jīng)常損壞 |
在變頻器端正弦波濾波器 |
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減小變頻器與電機之間的電纜的電磁輻射,消除對其他電子設備的干擾 |
在變頻器輸出端安裝EMC專用輸出濾波器 |
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使用屏蔽電纜 |