變頻器諧波引發(fā)系統(tǒng)電源故障分析與處理
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企業(yè)：控制網(wǎng)
行業(yè)：電子制造
領(lǐng)域：機(jī)器人
- 點(diǎn)擊數(shù)：1014 發(fā)布時(shí)間：2008-07-17 10:37:18
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摘 要:本文介紹了在交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中由于電源濾波器與變頻器高次諧波發(fā)生串聯(lián)諧振造成控制電源短路故障的實(shí)例及 分析處理方法。
隨著變頻器本身功能的不斷完善，交流調(diào)速技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在不同工況場(chǎng)合下,由交流異步電動(dòng)機(jī)和變頻器組成的交流拖動(dòng)系統(tǒng)大有取代直流拖動(dòng)系統(tǒng)之勢(shì)。利用變頻器完成不同工況場(chǎng)合交流拖動(dòng)系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)的應(yīng)用事例已經(jīng)很多，相應(yīng)來說在使用中也不斷發(fā)現(xiàn)一些新的問題。本文就變頻器正常工作中，由于變頻器高次諧波的影響引發(fā)控制電路發(fā)生串聯(lián)諧振，造成系統(tǒng)電源故障的情況及處理方案進(jìn)行了分析。
由變頻器、PLC、PID調(diào)節(jié)器、配套低壓電器及壓力傳感器組成了變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)如圖一所示，系統(tǒng)中壓力傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)系統(tǒng)管網(wǎng)壓力，將壓力信號(hào)變換為電阻信號(hào)作為反饋輸入PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)過與給定信號(hào)進(jìn)行比較后其偏差值采用優(yōu)化的PI算法輸出控制信號(hào)控制變頻器的輸出頻率，保證管網(wǎng)壓力的恒定。PLC和配套低壓電器及PID調(diào)節(jié)器的工作電源電壓均為AC220V，在該系統(tǒng)中，用戶要求能夠直觀顯示儲(chǔ)水箱中的液位，因此，選用液位傳感器配合數(shù)字式液位指示器對(duì)水箱中的液位進(jìn)行測(cè)量和顯示。在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變頻器正常工作時(shí)，數(shù)字式液位顯示器經(jīng)常出現(xiàn)誤指示、亂碼等情況;變頻器停止工作時(shí)系統(tǒng)完全恢復(fù)正常。很明顯，這是由于變頻器高次諧波分量對(duì)電源的干擾造成的，通常，對(duì)此最為行之有效的辦法就是對(duì)控制電路的供電電源加裝電源濾波器。整個(gè)系統(tǒng)的電氣原理框圖如圖1所示。在加裝市售的通用電源濾波器后，液位顯示系統(tǒng)恢復(fù)了正常，但是隨之又有新的問題出現(xiàn)了，控制電路中的熔斷器FU2頻繁熔斷。停電后對(duì)電路進(jìn)行檢查，在電路中沒有發(fā)現(xiàn)短路點(diǎn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)逐漸升速過程中，變頻器運(yùn)行輸出在某個(gè)頻段之間時(shí)頻繁發(fā)生短路故障。而且，將變頻器的負(fù)載(電動(dòng)機(jī))斷開后，該故障現(xiàn)象仍頻繁出現(xiàn)，在去掉電源濾波器后該故障消失。因此，首先對(duì)該濾波器進(jìn)行了檢查，拆開后發(fā)現(xiàn)濾波器采用的是常見的π型濾波，電路如圖2所示。檢查發(fā)現(xiàn)電源濾波器本身沒有任何故障，進(jìn)一步分析變頻器的工作原理可知，在交-直-交型變頻器中，電網(wǎng)通過三相整流橋給變頻器供電，供電電流利用傅立葉級(jí)數(shù)可以分解為包含基波和6K±1次諧波(K=1，2，3…)分量等一系列諧波分量，諧波含量隨進(jìn)線電抗和和直流濾波電抗的電感量增加而減少。具有關(guān)資料介紹，通常情況下，加電抗器后五次諧波、七次諧波、十一次諧波和十三次諧波仍然占到40%、35%、25%和20%左右。由于電路參數(shù)頻率特性的影響，在n 次諧波所作用下電感的感抗為，電容的容抗為，整個(gè)電源濾波器的等效復(fù)阻抗;其中是濾波器的等效感抗，是濾波器的等效容抗。如果在k次諧波的作用下，濾波器在該次諧波下的等效感抗的值與等效容抗的值相等，可知此時(shí)電路在該頻率下的等效復(fù)阻抗，即電路處于諧振狀態(tài)。由于此時(shí)R僅是線路電阻，其值是非常小的，可以近似的認(rèn)為，即電路在該次諧波的作用下處于處于短路狀態(tài)。依據(jù)上述分析，可以得出結(jié)論：該電源短路故障是由于變頻器輸出的高次諧波分量造成電源濾波器發(fā)生串聯(lián)諧振引起的。通常情況下，如果引起諧振的諧波分量不是足夠大，是不應(yīng)引起短路故障的，但是當(dāng)其短路電流的有效值超過系統(tǒng)熔斷器保護(hù)范圍時(shí)，就會(huì)造成短路故障，采用該類電源濾波方式就不十分合適了。
在分析清楚故障原因后，針對(duì)工控系統(tǒng)干擾源的主要來源途徑即電源的干擾、過程通道的干擾及空間電磁干擾等，對(duì)控制顯示系統(tǒng)采取了進(jìn)一步的防干擾措施。首先，針對(duì)前述系統(tǒng)的故障狀態(tài)，采用大電容替代原來的電源濾波器進(jìn)行濾波，有效的解決了控制系統(tǒng)電源系統(tǒng)的干擾問題。但是，必須著重指出的是在變頻器的輸出側(cè)，絕對(duì)禁止采用電容器來吸收高次諧波，以防止在逆變管導(dǎo)通瞬間，出現(xiàn)峰值很大的充電或放電電流，造成逆變管的損壞;其次，由于用戶要求液位指示器與變頻器的相對(duì)位置不能改變，在不能使液位指示器遠(yuǎn)離變頻器的情況下，將液位指示器進(jìn)行了嚴(yán)格的金屬屏蔽，而且信號(hào)屏蔽線、金屬屏蔽層進(jìn)行了嚴(yán)格的單獨(dú)接地與系統(tǒng)工作及安全接地分開，信號(hào)線與電源線空間位置相對(duì)垂直，有效的防止了空間的電磁干擾的竄入。
采取上述措施后，整個(gè)系統(tǒng)的工作恢復(fù)了正常，說明上述措施是完全可行的。同時(shí)，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，為了削弱通過線路傳播的干擾信號(hào)，在控制電路電源不采用電容濾波時(shí)可以在控制電路中傳入一個(gè)小電感，如圖3所示，該電感在工頻情況下的阻抗是很小的，但是對(duì)于頻率很高的諧波電流呈現(xiàn)很高的阻抗，可以起到有效的抑制作用，其使用效果也是不錯(cuò)的。
綜上所述，在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)本身抗干擾的設(shè)計(jì)固然是很重要的;與此同時(shí)，必須充分考慮變頻器本身對(duì)于其它電氣顯示控制系統(tǒng)的干擾，特別是高次諧波對(duì)控制電路電源系統(tǒng)的干擾影響，在設(shè)計(jì)電源濾波器時(shí)應(yīng)考慮到在高次諧波的影響下可能造成的諧振等問題。
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