摘要:本文將詳細的闡述了交流變頻器的基本原理及在自動控制系統(tǒng)中使用時對弱電信號干擾的抑制和處理辦法，還會詳細的介紹一些變頻器在工程應(yīng)用中的技巧與檢修方法。 一、概述 一套變速傳動系統(tǒng)包括一臺電機和某種類型的速度控制器,早期的電氣速度傳動包括交流和直流電機兩大類型。直流電機調(diào)速是通過改變勵磁電流來改變加到直流電機上的直流電壓，以使直流電機運行到不同的速度。最早的電子控制器用晶閘管整流器來控制電壓，以控制直流電機的速度。這些直流傳動裝置現(xiàn)在仍舊被廣泛應(yīng)用著，并且需要周期的電刷維護。 而現(xiàn)在交流感應(yīng)電機簡單﹑成本低﹑可靠性高﹑且在整個世界上都得到了廣泛的應(yīng)用，為了控制交流感應(yīng)電機的速度，就需要一種復(fù)雜的控制器，即能夠變頻且變壓的控制器－變頻器。為理解一臺變頻器是如何工作的，首先必須懂得感應(yīng)電機的工作機理，下面文字將詳細的介紹一下交流感應(yīng)電機的工作原理。 一臺異步感應(yīng)電機的工作就象變壓器。當(dāng)定子（固定的外部繞組）被連接到三相電源時，一個按照所設(shè)電源頻率旋轉(zhuǎn)的磁場便建立起來。該電磁場穿過在定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流。這樣，當(dāng)電流和變化的磁場進行作用時，就產(chǎn)生了對轉(zhuǎn)子的作用力（轉(zhuǎn)矩）使轉(zhuǎn)子進行旋轉(zhuǎn)。如果繞組的極對數(shù)增加，磁場的旋轉(zhuǎn)頻率就將減小。（即兩極＝50/60Hz=3000/3600rpm，而四極=50/60Hz=1500/1800rpm）。然而，如果轉(zhuǎn)子按照旋轉(zhuǎn)磁場同樣的速度旋轉(zhuǎn)，就不會產(chǎn)生感應(yīng)的磁場，也就沒有轉(zhuǎn)矩。由于轉(zhuǎn)子電流必須被用于產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩，所以轉(zhuǎn)子就總是比旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)慢一些。速度上的這種差異被稱為轉(zhuǎn)差率，一般為3％左右。而電機的速度取決于所加電源頻率，以及繞組的排列，在某種程度上也取決于負載。這樣，為了控制電機的速度，就必須控制電源的頻率，如果頻率降低，則電壓必須被降低，否則電機的磁場就會飽和。如果電機的頻率增高時轉(zhuǎn)速正比例增高，如果這時電壓低電機磁場就會欠勵磁造成轉(zhuǎn)矩減少，因此在調(diào)速時頻率和電壓必須同時被控制。下面我們來分析一下交流電機調(diào)速的基本原理。 我們知道三相異步電動機轉(zhuǎn)速公式為： n=60f/p（1-s） 式（1－1） 式（1－1）中： n1——定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，也叫異步電動機同步轉(zhuǎn)速（r / min）； n——電機轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速（r / min）；； f——電源的頻率（Hz）； p——電動機的磁極對數(shù)。 異步電動機的同步轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速n之差與同步轉(zhuǎn)速之比，叫異步電動機的轉(zhuǎn)差率，以s表示： s = （n1 – n） / n1 = 1 – n / n1 （1－2） n1s = n1 – n n = n1（1-s） n = （1-s） × 60f1 / p 由式（1－2）可知異步電動機的轉(zhuǎn)速公式，從異步電動機的轉(zhuǎn)速公式來看異步電動機的調(diào)速方法有以下幾種： （1）變極調(diào)速，即改變異步電動機的磁極對數(shù)p。 （2）變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速。 （3）變頻調(diào)速，即改變電源頻率f。 從以上三種調(diào)速方式分析來看，通過改變電機頻率來調(diào)節(jié)三相異步電機速度，是最佳的控制方式。當(dāng)然還可以用其他方法調(diào)速，（如繞線轉(zhuǎn)子異步電動機串級調(diào)速。改變定子電壓調(diào)速。電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速）。但這都是過去沒有變頻器時采取的一些措施，現(xiàn)在都已經(jīng)淘汰。 二、變頻器的基本原理 一臺變頻器基本由：控制電路、外部I/O電路、驅(qū)動電路、檢測及保護電路、橋式整流電路、中間直流回路、逆變電路等眾多設(shè)備綜合組成。 在工作時首先由整流電路把輸入的三相交流轉(zhuǎn)換成直流，整流器和逆變器之間的連接叫做直流回路，然后再由控制電路根據(jù)用戶設(shè)定數(shù)據(jù)及I/O板信息發(fā)出調(diào)速指令指揮驅(qū)動電路控制逆變器的輸出轉(zhuǎn)換，再將直流電流轉(zhuǎn)換成三相頻率及電壓可變的交流。下面圖2－2是一臺交直交通用變頻器的完整主電路圖。 [align=center] 圖 2－2[/align] 三、變頻器整流及逆變主電路 在任何一臺交直交變頻器中，實現(xiàn)交流至直流轉(zhuǎn)換及將直流轉(zhuǎn)換成可變頻率的交流，都需要在輸入回路使用大功率二極管整流或可控二極管進行整流。而在輸出測使用大功率可控開關(guān)管IGBT逆變模塊，三項電源被輸入到全波整流器整流后，供給直流回路的電容。電容器能夠降低電壓波動并起到一定濾波及緩存的作用（尤其在單相應(yīng)用時）且在短時間的電源斷路情況下能夠繼續(xù)提供能量。加到電容上的電壓是不可控的，電壓大小且取決于交流電源電壓峰值。 控制電路將直流電壓運用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)換為交流。理想的波形通過輸出IGBT在固定開關(guān)頻率的切換下而建立。通過改變IGBT的開關(guān)時間，就能夠得到理想的電流。輸出電壓仍為一系列的方波脈沖，電機繞組的電感使其變成正弦的電機電流。正因為變頻器是采用PWM控制技術(shù)結(jié)果是在輸入輸出回路產(chǎn)生電流高次諧波，干擾供電系統(tǒng)、負載及其他鄰近電氣及儀表控制設(shè)備。在工程使用過程中，經(jīng)常遇到變頻器諧波干擾問題，下面將詳細的介紹諧波產(chǎn)生的機理、傳播途徑及有效抑制干擾的方法。 四、變頻器諧波產(chǎn)生機理 通用變頻器的主電路一般為交-直-交轉(zhuǎn)換電路，當(dāng)變頻器工作時它從電源引入了非正弦的電流。這是由于變頻器的輸入整流器在把電源的交流電壓和電流轉(zhuǎn)換為直流電壓和電流時產(chǎn)生的。 （1）輸入整流器：從三相電源的每一相中一次引入電流。引入的電流是非正弦的，并不像標準的交流正弦波那樣，而是在整流器轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生了畸變�；円馕吨娫措娏鞑ㄐ伟酥C波，因為畸變的波形可以分解為一組正弦分量，既人們所說的諧波分量。由于電源是一個對稱的標準三相電源，而整流部分又是一個開環(huán)不可控的，所以諧波的“次”數(shù)是一定的，所以整流部分產(chǎn)生的諧波分量很少。 （2）輸出逆變器： 直流電流經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開關(guān)元件IGBT逆變?yōu)轭l率電壓可變的交流。在逆變輸出回路中，輸出電流是受PWM載波信號調(diào)制的脈沖波形，對于GTR大功率逆變元件，其PWM的載波頻率為2～3kHz，而IGBT大功率逆變元件的PWM最高載頻可達15kHz。同樣，輸出回路電流也可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波，其主要諧波次數(shù)為第一次（基波，50Hz）,第五次諧波（250Hz）第七次諧波（350Hz）,第11次諧波（550Hz），第13次諧波（650Hz）。我們從逆變器的工作機理可以看出變頻器中的大部分諧波和干擾都是在逆變器中產(chǎn)生的，高次諧波電流對負載有著直接干擾（當(dāng)作用在電機上時電機表現(xiàn)為發(fā)熱，聲音難聽。當(dāng)作用在模擬儀表上時，儀表的指針和讀數(shù)亂跳，這些現(xiàn)象都是受到干擾的現(xiàn)象）。另外高次諧波電流還能通過電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設(shè)備。 五、工程中抑制諧波的干擾處理辦法 變頻器的核心它主要是通過高速電力電子開關(guān)來產(chǎn)生一定寬度和極性的PWM或SPWM控制信號。這種具有很陡邊沿的脈沖信號會產(chǎn)生很強的電磁輻射，尤其是輸出電路。它們將以各種方式把自已的能量傳播出去，干攏周邊設(shè)備的正常工作，嚴重地超出了電磁兼客標準的極限值要求。因此，變頻器生產(chǎn)廠家為用戶制造了一些專用設(shè)備來抑制變頻器產(chǎn)生的電磁干擾，以達到質(zhì)檢標準，確保變頻器及其它設(shè)備的安全運行。諧波的傳播途徑大致為兩種，一種是傳導(dǎo)另一種是輻射； 解決傳導(dǎo)干擾的辦法主要是在電路中把傳導(dǎo)的高頻電流濾掉或者隔離； 解決輻射干擾就是對輻射源或被干擾的線路進行屏蔽。具體常用方法如下： （1）變頻系統(tǒng)的供電電源與其他設(shè)備的供電電源相互獨立，或在變頻器和其他用電設(shè)備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器，切斷諧波電流。 （2）電動機和變頻器之間電纜應(yīng)穿鋼管敷設(shè)或用鎧裝電纜，并與其他弱電信號在不同的電纜溝分別敷設(shè)，避免輻射干擾。 （3）信號線采用屏蔽線，且布線時與變頻器主回路控制線錯開一定距離（至少20cm以上），切斷輻射干擾。 （4） 變頻器使用專用接地線，且用粗短線接地，鄰近其他電氣設(shè)備的地線必須與變頻器配線分開，使用短線。這樣能有效抑制電流諧波對鄰近設(shè)備的輻射干擾。使用變頻器時，因接地不正確而引起的干攏間題時有發(fā)生，為此首先要在概念上分清什么是“安全接地”和‘電磁干擾接地”，尤其是在高頻區(qū)域，由于“趨膚效應(yīng)”在接頭處將呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，造成接地不良，使系統(tǒng)對外干擾信號增強，對外影響變得敏感。因此，在防止電磁干擾接地時，需要實現(xiàn)低阻抗連接。具體操作時應(yīng)注意以下兩點： 1）在使用機殼作為公共地時，需要除凈連接點處的油漆或其它涂料，以確保低阻抗連接。 2）不同接地點間盡可能使用短的扁平線連接在一起（因扁平線的高頻低阻特性較好）。并要經(jīng)常檢查所有的接地點，以防止脫落或松動現(xiàn)象發(fā)生。變頻器安裝于控制柜內(nèi)，既能屏蔽向外輻射能量，又能防止外界電磁干擾的進入。具體施工時應(yīng)注意機殼、電纜屏蔽層及電動機外殼三者應(yīng)可靠連接在一起。 （5）增加輸入電抗器，一般應(yīng)采用無源電抗器，目的在于只允許特定的頻率信號通過，阻止干擾信號源。并幫助吸收重載設(shè)備投入時產(chǎn)生的浪涌電壓和主電源的電壓尖峰。2％阻抗進線電抗器通常已足以能夠吸收電壓峰值并在多數(shù)應(yīng)用情況下能避免變頻器有害的停機。還能保護變頻器內(nèi)部直流回路電容器不至于過熱和由于吸收浪涌漏電壓，而減少壽命，并且增加電源阻抗。4％阻抗進線電抗器最適宜降低由變頻器產(chǎn)生的諧波頻率電流，還能使干攏信號不能通過地線傳播而被反射回干擾源。安裝輸入電抗器時應(yīng)盡量靠近變頻器，并與其共基板。若兩者距離超過變頻器使用說明書規(guī)定的標準，應(yīng)用扁平線連接。 （6）輸出電抗器裝于變頻器的輸出端（U﹑V & W）,以允許電機在長電纜的情況下運行。在變頻器輸出端串接電抗器，可以解決電機過熱和噪聲污染。采用了輸出電抗器，可省去在變頻器與電機之問的屏蔽電纜。這樣做不僅降低了成本，而且能很好的抑制變頻器對外產(chǎn)生的干擾，這是使用電抗器的主耍優(yōu)點。 輸出電抗器的電感補償可使電機電纜相－對－相和相對－地的分布電容。由于電機電纜長度增加，電機電纜的總分布電容也隨時增加，該分布電容與變頻器輸出端的殘余電壓峰值（由于變頻器輸出器件IGBT切換），導(dǎo)致電流峰值流回變頻器。這些電流峰值會引起變頻器有害的跳閘，安裝了輸出電抗器都可以避免。電抗器被裝于變頻器的輸出端，以允許帶長電纜運行，電抗器補償了電纜中的分布電容。 （7）其它措施．1）使用屏蔽電纜削弱電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)。2）在逆變電路直流側(cè)的正、負端到地線間跨接100n以下的電容器。此種方法特別適用干7.5KW以下的用電設(shè)備。3）將控制線、信號線與電源線分開，通常距離應(yīng)在200mm以上，如果控制線必須與電源線交叉，則應(yīng)盡量使交叉角接近90度。 六、變頻器檢修時絕緣測試 變頻器在出廠時已經(jīng)進行過絕緣實驗，新的變頻器一定不要進行絕緣測試但是變頻器經(jīng)長期運行后，檢修時如果要進行絕緣實驗，可按以下述步驟進行，否則可能會損壞變頻器內(nèi)部原件，首先要把變頻器的各主電路按圖3－1進行連接，如果接錯線就會損壞變頻器。 [align=center] 圖3－1[/align] （1）用DC500V兆歐表，要在斷開主電源條件下測試。 （2）斷開所有控制電路的連接，以防止實驗電壓竄入控制電路。 （3）主電路端子按圖1－1所示方式用公共線連接。 （4）兆歐表電壓只施加于主電路公共連接線和大地（端子）之間。 （5）兆歐表指示值≥5M歐為正常合格。 七、結(jié)束語 隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對交流變頻調(diào)速裝置及變頻器的應(yīng)用日益劇增，可以說是已經(jīng)應(yīng)用到我們每個人身邊（如：民用家電中：空調(diào)、冰箱、洗衣機）等。而高價位、維護量大的直流調(diào)速裝置已被時代和技術(shù)的潮流慢慢淘汰，交流變頻調(diào)速可以說是人類一個時代進步的見證。但是在這一大進步的后面還有著更加繁多的技術(shù)難題（如：變頻器使用效率的提高、對電網(wǎng)干擾抑制問題、在自控中對模擬信號干擾的抑制處理、能持續(xù)較長時間過載運行、各個廠家變頻器參數(shù)及通訊接口、通訊協(xié)議的統(tǒng)一標準化）等一系列問題等待著我們?nèi)ニ妓骱徒鉀Q。 作者簡介 天津堿廠工程建設(shè)部 助理工程師 國家級注冊二級建造師 王蘭娜 天津科源佳消防工程有限公司助 理工程師 廉守英