变频器的抗干扰性及解决方案

目录摘要 . 1一. 变频器的作用及发展 21.变频器及工作原理 22. 变频器的作用 . .33. 变频器的发展 .4二. 变频器的干扰性 7 1变频器干扰的来源.72.干扰信号的传播方式 . 83.变频调速系统的主要电磁干扰源及途径 .10三、变频调速系统的抗干扰对策 11 1隔离 .112滤波器 .113屏蔽干扰源 .124. 接地 .135. 采用电抗器 136. 合理布线 .14四维护和保养 .16 1. 日常检查事项 . 162. 定期保养 .163.备件的更换 .164.测试 175.故障的判断 . 18结论.19文献 20致谢21摘要讲述变频器在现在生活，生产的具体作用和发展，以及对于变频器的干扰形 成的机理及其对电气系统的危害进行分析，提出了抑制此类干扰的常用方法，结 果表明：谐波及电磁辐射是变频器产生的主要干扰因素，通过在工程上采用抑制、 隔离、滤波、屏蔽、接地等方法可以有效的对这些干扰因素进行抑制，从而保障 电气系统的正常使用。变压器能否正常运行不但取决于变压器结构设计和制造工 艺,而且与日常的运行、维护管理等方面有很大关系,变压器故障对电网系统的运 行危害极大,为避免事故的发生,应加强日常运行巡视管理和制订有效的维护措 施,以保证变压器的安全稳定运行。关 键 词：变频器，作用，干扰，谐波第一章 变频器的作用及发展1.1 变频器及工作原理变频器如图 1-1 利用半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率 的电能控制装臵，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转 精度、改变功率因素、过流 /过压 /过护等功能。图 1-1 变频器交流电动机的异步转速表达式位：n = 60 f(l - s)/p(1)其中n异步电动机的转速；f异步电动机的频率；s 电动机转差率;p电动机极对数。由公式(1)可知，电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对 数有关系，因而交流电动机的直接调速方式主要有变极调速(调整P)、转子串电 阻调速或串级调速或内反馈电机(调整s)和变频调速(调整f)等。而我们现在运用最广泛的就是变频调速，由转速n与频率f成正比，只要改 变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机 转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是 一种理想的高效率、高性能的调速手段。交流电动机同步转速表达式位：n = 60 f/p 故也可以用变频调速。变频器的分类如图 1-2单相广按相数分,三相有环流交一交变频器按环流情况分匚无环流正弦波I按输出波形分Y匚方波厂电压型广按储能方式分电流型；交一直一交变频器脉幅调制按调压方式分脉宽调制图 1-2 变频器的分类1.2 变频器的作用1、变频节能变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各种 生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下 运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能 的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门 开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的 截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速 即可满足要求。2、功率因数补偿节能无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网 有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严 重，使用变频调速装臵后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损 耗，增加了电网的有功功率。3、软启动节能电机硬启动对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时 产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为 不利。而使用变频节能装臵后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始， 最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设 备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。4、提高电网质量由于它在电机启动时实现了很好的软启动功能，使电动机在启动时不会对电 网造成巨大的冲击。同时由于它大量地使用了晶闸管等非线性电力电子元件，使 变频器从电网中吸取能量的方式均不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向 电网索取电流，这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网 的电压上，使电压发生畸变，给电网带来高次谐波的干扰； 变频器越来越广泛 的运用于风能和太阳能发电，在其中它也起到提高电能质量的作用。1.3 变频器的发展要谈变频器的发展史，就得从谈变频器的控制方式开始：早期通用变频器大多 数为开环恒压比（V/F=常数）的控制方式.其优点是控制结构简单、成本较低, 缺点是系统性能不高，比较适合应用在风机、水泵调这场合。具体来说，其控制 曲线会随着负载的变化而变化；转矩响应慢，电视转矩利用率不高，低速时因定 子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降稳定性变差等。对变频器 U/F 控制 系统的改造主要经历了三个阶段；第一阶段：1. 八十年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量（或称磁通轨迹 法）。该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋 转磁场轨迹为目的，一次生成二相调制波形。这种方法被称为电压空间矢量控制。2. 引人频率补偿控制，以消除速度控制的稳态误差3. 基于电机的稳态模型，用直流电流信号重建相电流，由此估算出磁链幅值， 并通过反馈控制来消除低速时定子电阻对性能影响。4. 将输出电压、电流进行闭环控制，以提高动态负载下的电压控制精度和稳 定度，同时也一定程度上求得电流波形的改善。这种控制方法的另一个好处是对 再生引起的过电压、过电流抑制较为明显，从而可以实现快速的加减速。之后，1991 年由富士电机推出大家熟知的 FVR 与 FRNG7P7 系列的设计中， 不同程度融入了 2.3.4.项技术，因此很具有代表性。三菱日立，东芝也都有类 似的产品。然而，在上述四种方法中，由于未引入转矩的调节，系统性能没有得 到根本性的改善.第二阶段：矢量控制。也称磁场定向控制。它是七十年代初由西德等人首先提出，以直 流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一原理，由此开创了交流电动机 等效直流电动机控制的先河。它使人们看到交流电动机尽管控制复杂，但同样可 以实现转矩、磁场独立控制的内在本质。矢量控制的基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之 成为转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。但是，由于转子 磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理 论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足。此外它必须直接或间接地 得到转子磁链在空间上的位臵才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统 中需要配留转子位臵或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。仅管如此， 矢量控制技术仍然在努力融入通用型变频器中，1992 年开始，德国西门子开发 了 6SE70 通用型系列，通过 FC 、 VC 、 SC 板可以分别实现频率控制、矢量控制、 伺服控制。1994年将该系列扩展至315KW以上。目前，6SE70系列除了 200KW以 下价格较高，在200KW以上有很高的性价比。第三阶段：1985 年德国鲁尔大学 Depenbrock 教授首先提出直接转矩控制理论 直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制 转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。转矩控制的优越性在于：转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速 信息；控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好；所引入的定子磁 键观测器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。这 种控制方法被应用于通用变频器的设计之中，是很自然的事，这种控制被称为无 速度传感器直接转矩控制。然而，这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机 参数的自动识别（Identification向你ID）,通过ID运行自动确立电机实际的定 子阻抗互感、饱和因素、电动机惯量等重要参数，然后根据精确的电动机模型估 算出电动机的实际转矩、定子碰链和转子速度，并由磁链和转矩的 BandBand 控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行控制。这种系统可以实现很快的转矩 响应速度和很高的速度、转矩控制精度。1995年ABB公司首先推出的ACS600直接转矩控制系列，已达到2ms的转矩 响应速度在带PG时的静态速度精度达土 0.01%，在不带PG的情况下即使受到输 入电压的变化或负载突变的影响，向样可以达到正负0.1的速度控制精度。其 他公司也以直接转矩控制为努力目标，如安川 VS676H5 高性能无速度传感器矢 量控制系列，虽与直接转矩控制还有差别，但它也已做到了 100ms的转矩响应和 正负0.2%（无PG），正负0.01 %（带PG ）的速度控制精度，转矩控制精度在正 负 3左右。其他公司如日本富士电机推出的 FRN5000G9P9 以及最新的 FRN5000Gll/P11系列出采取了类似无速度传感器控制的设计第二章 变频器的干扰性及解决方案2.1 变频器干扰的来源先是来自外部电网的干扰。电网中的谐波干扰主要通过变频器的供电电源干 扰变频器。电网中存在大量谐波源如各种整流设备、交直流互换设备、电子电压 调整设备，非线性负载及照明设备等。这些负荷都使电网中的电压、电流产生波 形畸变，从而对电网中其它设备产生危害的干扰。变频器的供电电源受到来自被 污染的交流电网的干扰后若不加处理，电网噪声就会通过电网电源电路干扰变频 器。供电电源的干扰对变频器主要有(1)过压、欠压、瞬时掉电(2)浪涌、跌落 (3) 尖峰电压脉冲 (4)射频干扰。1. 晶闸管换流设备对变频器的干扰当供电网络内有容量较大的晶闸管换流设备时，由于晶闸管总是在每相半周 期内的部分时间内导通，容易使网络电压出现凹口，波形严重失真。它使变频器 输入侧的整流电路有可能因出现较大的反向回复电压而受到损害，从而导致输入 回路击穿而烧毁。2. 电力补偿电容对变频器的干扰电力部门对用电单位的功率因数有一定的要求，为此，许多用户都在变电所 采用集中电容补偿的方法来提高功率因数。在补偿电容投入或切出的暂态过程 中，网络电压有可能出现很高的