摘要:本文將詳細(xì)的闡述了交流變頻器的基本原理及在自動(dòng)控制系統(tǒng)中使用時(shí)對(duì)弱電信號(hào)干擾的抑制和處理辦法，還會(huì)詳細(xì)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(dòng)系統(tǒng)包括一臺(tái)電機(jī)和某種類(lèi)型的速度控制器,早期的電氣速度傳動(dòng)包括交流和直流電機(jī)兩大類(lèi)型。直流電機(jī)調(diào)速是通過(guò)改變勵(lì)磁電流來(lái)改變加到直流電機(jī)上的直流電壓，以使直流電機(jī)運(yùn)行到不同的速度。最早的電子控制器用晶閘管整流器來(lái)控制電壓，以控制直流電機(jī)的速度。這些直流傳動(dòng)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(hù)。 而現(xiàn)在交流感應(yīng)電機(jī)簡(jiǎn)單﹑成本低﹑可靠性高﹑且在整個(gè)世界上都得到了廣泛的應(yīng)用，為了控制交流感應(yīng)電機(jī)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(tái)變頻器是如何工作的，首先必須懂得感應(yīng)電機(jī)的工作機(jī)理，下面文字將詳細(xì)的介紹一下交流感應(yīng)電機(jī)的工作原理。 一臺(tái)異步感應(yīng)電機(jī)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(shí)，一個(gè)按照所設(shè)電源頻率旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)便建立起來(lái)。該電磁場(chǎng)穿過(guò)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(chǎng)進(jìn)行作用時(shí)，就產(chǎn)生了對(duì)轉(zhuǎn)子的作用力（轉(zhuǎn)矩）使轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。如果繞組的極對(duì)數(shù)增加，磁場(chǎng)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(chǎng)同樣的速度旋轉(zhuǎn)，就不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)的磁場(chǎng)，也就沒(méi)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(chǎng)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(jī)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(fù)載。這樣，為了控制電機(jī)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(jī)的磁場(chǎng)就會(huì)飽和。如果電機(jī)的頻率增高時(shí)轉(zhuǎn)速正比例增高，如果這時(shí)電壓低電機(jī)磁場(chǎng)就會(huì)欠勵(lì)磁造成轉(zhuǎn)矩減少，因此在調(diào)速時(shí)頻率和電壓必須同時(shí)被控制。下面我們來(lái)分析一下交流電機(jī)調(diào)速的基本原理。 我們知道三相異步電動(dòng)機(jī)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(chǎng)轉(zhuǎn)速，也叫異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速（r / min）； n——電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速（r / min）；； f——電源的頻率（Hz）； p——電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。 異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速n之差與同步轉(zhuǎn)速之比，叫異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式，從異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式來(lái)看異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有以下幾種： （1）變極調(diào)速，即改變異步電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)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(lái)看，通過(guò)改變電機(jī)頻率來(lái)調(diào)節(jié)三相異步電機(jī)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(dòng)機(jī)串級(jí)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(guò)去沒(méi)有變頻器時(shí)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(tái)變頻器基本由：控制電路、外部I/O電路、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)及保護(hù)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(shí)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(dòng)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(tái)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(tái)交直交變頻器中，實(shí)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(jìn)行整流。而在輸出測(cè)使用大功率可控開(kāi)關(guān)管IGBT逆變模塊，三項(xiàng)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(dòng)并起到一定濾波及緩存的作用（尤其在單相應(yīng)用時(shí)）且在短時(shí)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(yùn)用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)換為交流。理想的波形通過(guò)輸出IGBT在固定開(kāi)關(guān)頻率的切換下而建立。通過(guò)改變IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)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(jī)繞組的電感使其變成正弦的電機(jī)電流。正因?yàn)樽冾l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(fù)載及其他鄰近電氣及儀表控制設(shè)備。在工程使用過(guò)程中，經(jīng)常遇到變頻器諧波干擾問(wèn)題，下面將詳細(xì)的介紹諧波產(chǎn)生的機(jī)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(jī)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(shí)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)的交流正弦波那樣，而是在整流器轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生了畸變?；円馕吨娫措娏鞑ㄐ伟酥C波，因?yàn)榛兊牟ㄐ慰梢苑纸鉃橐唤M正弦分量，既人們所說(shuō)的諧波分量。由于電源是一個(gè)對(duì)稱的標(biāo)準(zhǔn)三相電源，而整流部分又是一個(gè)開(kāi)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(kāi)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(hào)調(diào)制的脈沖波形，對(duì)于GTR大功率逆變?cè)?，其PWM的載波頻率為2～3kHz，而IGBT大功率逆變?cè)腜WM最高載頻可達(dá)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(jī)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(duì)負(fù)載有著直接干擾（當(dāng)作用在電機(jī)上時(shí)電機(jī)表現(xiàn)為發(fā)熱，聲音難聽(tīng)。當(dāng)作用在模擬儀表上時(shí)，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(guò)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(guò)高速電力電子開(kāi)關(guān)來(lái)產(chǎn)生一定寬度和極性的PWM或SPWM控制信號(hào)。這種具有很陡邊沿的脈沖信號(hào)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)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(yán)重地超出了電磁兼客標(biāo)準(zhǔn)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(zhuān)用設(shè)備來(lái)抑制變頻器產(chǎn)生的電磁干擾，以達(dá)到質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)，確保變頻器及其它設(shè)備的安全運(yùn)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(duì)輻射源或被干擾的線路進(jìn)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(dú)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(dòng)機(jī)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(hào)在不同的電纜溝分別敷設(shè)，避免輻射干擾。 （3）信號(hào)線采用屏蔽線，且布線時(shí)與變頻器主回路控制線錯(cuò)開(kāi)一定距離（至少20cm以上），切斷輻射干擾。 （4） 變頻器使用專(zhuān)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(kāi)，使用短線。這樣能有效抑制電流諧波對(duì)鄰近設(shè)備的輻射干擾。使用變頻器時(shí)，因接地不正確而引起的干攏間題時(shí)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(duì)外干擾信號(hào)增強(qiáng)，對(duì)外影響變得敏感。因此，在防止電磁干擾接地時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)低阻抗連接。具體操作時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)： 1）在使用機(jī)殼作為公共地時(shí)，需要除凈連接點(diǎn)處的油漆或其它涂料，以確保低阻抗連接。 2）不同接地點(diǎn)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(diǎn)，以防止脫落或松動(dòng)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(jìn)入。具體施工時(shí)應(yīng)注意機(jī)殼、電纜屏蔽層及電動(dòng)機(jī)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(wú)源電抗器，目的在于只允許特定的頻率信號(hào)通過(guò)，阻止干擾信號(hào)源。并幫助吸收重載設(shè)備投入時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓和主電源的電壓尖峰。2％阻抗進(jìn)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(jī)。還能保護(hù)變頻器內(nèi)部直流回路電容器不至于過(guò)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(jìn)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(hào)不能通過(guò)地線傳播而被反射回干擾源。安裝輸入電抗器時(shí)應(yīng)盡量靠近變頻器，并與其共基板。若兩者距離超過(guò)變頻器使用說(shuō)明書(shū)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，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(jī)在長(zhǎng)電纜的情況下運(yùn)行。在變頻器輸出端串接電抗器，可以解決電機(jī)過(guò)熱和噪聲污染。采用了輸出電抗器，可省去在變頻器與電機(jī)之問(wèn)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(duì)外產(chǎn)生的干擾，這是使用電抗器的主耍優(yōu)點(diǎn)。 輸出電抗器的電感補(bǔ)償可使電機(jī)電纜相－對(duì)－相和相對(duì)－地的分布電容。由于電機(jī)電纜長(zhǎng)度增加，電機(jī)電纜的總分布電容也隨時(shí)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(huì)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(zhǎng)電纜運(yùn)行，電抗器補(bǔ)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(fù)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(hào)線與電源線分開(kāi)，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(shí)絕緣測(cè)試 變頻器在出廠時(shí)已經(jīng)進(jìn)行過(guò)絕緣實(shí)驗(yàn)，新的變頻器一定不要進(jìn)行絕緣測(cè)試但是變頻器經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行后，檢修時(shí)如果要進(jìn)行絕緣實(shí)驗(yàn)，可按以下述步驟進(jìn)行，否則可能會(huì)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(jìn)行連接，如果接錯(cuò)線就會(huì)損壞變頻器。 [align=center] 圖3－1[/align] （1）用DC500V兆歐表，要在斷開(kāi)主電源條件下測(cè)試。 （2）斷開(kāi)所有控制電路的連接，以防止實(shí)驗(yàn)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(yǔ) 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)交流變頻調(diào)速裝置及變頻器的應(yīng)用日益劇增，可以說(shuō)是已經(jīng)應(yīng)用到我們每個(gè)人身邊（如：民用家電中：空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)）等。而高價(jià)位、維護(hù)量大的直流調(diào)速裝置已被時(shí)代和技術(shù)的潮流慢慢淘汰，交流變頻調(diào)速可以說(shuō)是人類(lèi)一個(gè)時(shí)代進(jìn)步的見(jiàn)證。但是在這一大進(jìn)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(duì)電網(wǎng)干擾抑制問(wèn)題、在自控中對(duì)模擬信號(hào)干擾的抑制處理、能持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載運(yùn)行、各個(gè)廠家變頻器參數(shù)及通訊接口、通訊協(xié)議的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化）等一系列問(wèn)題等待著我們?nèi)ニ妓骱徒鉀Q。 作者簡(jiǎn)介 天津堿廠工程建設(shè)部 助理工程師 國(guó)家級(jí)注冊(cè)二級(jí)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