變頻器諧波引發系統電源故障分析與處理
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企業：控制網
行業：電子制造
領域：機器人
- 點擊數：1016 發布時間：2008-07-17 10:37:18
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摘 要:本文介紹了在交流變頻調速控制系統中由于電源濾波器與變頻器高次諧波發生串聯諧振造成控制電源短路故障的實例及 分析處理方法。
隨著變頻器本身功能的不斷完善，交流調速技術有了長足的進步。在不同工況場合下,由交流異步電動機和變頻器組成的交流拖動系統大有取代直流拖動系統之勢。利用變頻器完成不同工況場合交流拖動系統改造設計的應用事例已經很多，相應來說在使用中也不斷發現一些新的問題。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控制電路發生串聯諧振，造成系統電源故障的情況及處理方案進行了分析。
由變頻器、PLC、PID調節器、配套低壓電器及壓力傳感器組成了變頻調速恒壓供水系統如圖一所示，系統中壓力傳感器負責檢測系統管網壓力，將壓力信號變換為電阻信號作為反饋輸入PID調節器，經過與給定信號進行比較后其偏差值采用優化的PI算法輸出控制信號控制變頻器的輸出頻率，保證管網壓力的恒定。PLC和配套低壓電器及PID調節器的工作電源電壓均為AC220V，在該系統中，用戶要求能夠直觀顯示儲水箱中的液位，因此，選用液位傳感器配合數字式液位指示器對水箱中的液位進行測量和顯示。在實際工作中發現，當變頻器正常工作時，數字式液位顯示器經常出現誤指示、亂碼等情況;變頻器停止工作時系統完全恢復正常。很明顯，這是由于變頻器高次諧波分量對電源的干擾造成的，通常，對此最為行之有效的辦法就是對控制電路的供電電源加裝電源濾波器。整個系統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，液位顯示系統恢復了正常，但是隨之又有新的問題出現了，控制電路中的熔斷器FU2頻繁熔斷。停電后對電路進行檢查，在電路中沒有發現短路點。經現場詳細觀察發現，在系統逐漸升速過程中，變頻器運行輸出在某個頻段之間時頻繁發生短路故障。而且，將變頻器的負載(電動機)斷開后，該故障現象仍頻繁出現，在去掉電源濾波器后該故障消失。因此，首先對該濾波器進行了檢查，拆開后發現濾波器采用的是常見的π型濾波，電路如圖2所示。檢查發現電源濾波器本身沒有任何故障，進一步分析變頻器的工作原理可知，在交-直-交型變頻器中，電網通過三相整流橋給變頻器供電，供電電流利用傅立葉級數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，諧波含量隨進線電抗和和直流濾波電抗的電感量增加而減少。具有關資料介紹，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，整個電源濾波器的等效復阻抗;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，可知此時電路在該頻率下的等效復阻抗，即電路處于諧振狀態。由于此時R僅是線路電阻，其值是非常小的，可以近似的認為，即電路在該次諧波的作用下處于處于短路狀態。依據上述分析，可以得出結論：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生串聯諧振引起的。通常情況下，如果引起諧振的諧波分量不是足夠大，是不應引起短路故障的，但是當其短路電流的有效值超過系統熔斷器保護范圍時，就會造成短路故障，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，針對工控系統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，對控制顯示系統采取了進一步的防干擾措施。首先，針對前述系統的故障狀態，采用大電容替代原來的電源濾波器進行濾波，有效的解決了控制系統電源系統的干擾問題。但是，必須著重指出的是在變頻器的輸出側，絕對禁止采用電容器來吸收高次諧波，以防止在逆變管導通瞬間，出現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位置不能改變，在不能使液位指示器遠離變頻器的情況下，將液位指示器進行了嚴格的金屬屏蔽，而且信號屏蔽線、金屬屏蔽層進行了嚴格的單獨接地與系統工作及安全接地分開，信號線與電源線空間位置相對垂直，有效的防止了空間的電磁干擾的竄入。
采取上述措施后，整個系統的工作恢復了正常，說明上述措施是完全可行的。同時，進一步實驗發現，為了削弱通過線路傳播的干擾信號，在控制電路電源不采用電容濾波時可以在控制電路中傳入一個小電感，如圖3所示，該電感在工頻情況下的阻抗是很小的，但是對于頻率很高的諧波電流呈現很高的阻抗，可以起到有效的抑制作用，其使用效果也是不錯的。
綜上所述，在變頻調速控制系統的設計中，系統本身抗干擾的設計固然是很重要的;與此同時，必須充分考慮變頻器本身對于其它電氣顯示控制系統的干擾，特別是高次諧波對控制電路電源系統的干擾影響，在設計電源濾波器時應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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