共模軛流模塊在石油化工變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

歐陽(yáng)曉晨

【摘要】變頻器技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但變頻系統(tǒng)的電磁干擾比較嚴(yán)重。本文主要介紹變頻器應(yīng)用系統(tǒng)中電磁干擾產(chǎn)生的來(lái)源、傳播途徑及其一直干擾的具體措施，對(duì)比傳統(tǒng)的方案，從源頭采用新材料，新技術(shù)，通過(guò)阻抗頻率特性的原理，從根本上解決干擾問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】共模軛流;變頻;電磁干擾

一、引言

電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境，但變頻系統(tǒng)的應(yīng)用同時(shí)也帶來(lái)比較嚴(yán)重的電磁干擾，相應(yīng)的抗干擾技術(shù)變的更加重要。變頻系統(tǒng)的干擾有時(shí)能直接造成系統(tǒng)的硬件損壞，或者使微處理器的系統(tǒng)程序運(yùn)行失控，造成設(shè)備和生產(chǎn)事故。

二、主要電磁干擾源分析

電磁干擾（EMI），是以外部噪聲和無(wú)用信號(hào)在接收中所造成的電磁干擾，通常是通過(guò)電路傳導(dǎo)和以場(chǎng)的形式傳播的。變頻器的整流電路對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)是非線性負(fù)載，它所產(chǎn)生的諧波會(huì)對(duì)同一電網(wǎng)的其他電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾，共模電壓的為輸出每相相電壓之間的函數(shù)關(guān)系，共模電壓與輸出相電壓有極大關(guān)系，因變頻器的逆變器大多采用PWM技術(shù)工作，當(dāng)其工作于高速開(kāi)關(guān)切換（△u/△t）時(shí)，變頻器的開(kāi)關(guān)管產(chǎn)生大量噪聲，通過(guò)耦合、傳導(dǎo)、輻射等方式在整個(gè)系統(tǒng)中潰散。因此，變頻器對(duì)系統(tǒng)內(nèi)其他的電子、電氣設(shè)備來(lái)說(shuō)是一個(gè)電磁干撫源。電網(wǎng)中的諧波干擾主要通過(guò)變頻器的供電電源干擾變頻器。產(chǎn)生共模電流有三個(gè)原因：

1.外界電磁場(chǎng)在電纜中所有導(dǎo)線上感應(yīng)出來(lái)的電壓（這個(gè)電壓相對(duì)于大地是幅值相同相位相同），產(chǎn)生共模電流。

2.電纜兩端的設(shè)備所接的地電位不同，地電位的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生電流。

3.設(shè)備上的電纜與大地之間的電位差，電纜上會(huì)有共模電流。

當(dāng)電路不平衡時(shí)，共模電流會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅ｋ娏鳎瑢?duì)電路直接產(chǎn)生干擾影響。差模電流流過(guò)電路中的導(dǎo)線環(huán)路時(shí)，引起差模輻射，向空間輻射或接收磁場(chǎng)，必須限制環(huán)路的大小和面積。

三、電磁干擾傳播方式

變頻器能產(chǎn)生功率較大的譜波，對(duì)系統(tǒng)其他設(shè)備干擾性較強(qiáng)，干擾途徑主要分以下三種傳播方式。

1.電路傳導(dǎo)是通過(guò)阻抗耦合或接地回路耦合將干擾傳入其他電路。傳播途徑：接自工業(yè)低壓網(wǎng)絡(luò)的變頻器所產(chǎn)生的干擾信號(hào)將沿著配電變壓器進(jìn)入中壓網(wǎng)絡(luò)，并沿著其它的配電變壓器最終又進(jìn)入民用低壓配電網(wǎng)絡(luò)，使接自民用配電母線的電氣設(shè)備成為遠(yuǎn)程的受害者。

2.電磁輻射是以電磁波方式向空中輻射，變頻器如果不是處在一個(gè)全封閉的金屬外殼內(nèi)，可以通過(guò)空間向外輻射電磁液。其輻射場(chǎng)強(qiáng)取決于干擾源的電流強(qiáng)度、裝置的等效輻射陽(yáng)抗以及干擾源的發(fā)射頻率。變頻器的整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)來(lái)說(shuō)是非線性負(fù)載，產(chǎn)生的諧波對(duì)接入同一電網(wǎng)的其它電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾。

3.感應(yīng)耦合是介于輻射與電路傳導(dǎo)之間的第三條傳播路徑。當(dāng)干擾源的頻率較低時(shí)，干擾的電磁波輻射能力相當(dāng)有限，而該干擾源又不直接與其他導(dǎo)體連接，但此時(shí)的電磁干擾能量可以通過(guò)變頻器的輸入、輸出導(dǎo)線與其相鄰的其他導(dǎo)線或?qū)w產(chǎn)生感應(yīng)耦合，在鄰近導(dǎo)線或?qū)w內(nèi)感應(yīng)出干擾電流或電壓。

四、抗電磁干擾的措施

根據(jù)電磁性的基本原理，形成電磁干擾須具備電磁干擾源、電磁干擾傳播途徑、對(duì)電磁干擾敏感的系統(tǒng)等三個(gè)要素，可采用硬件和軟件的抗干擾措施。其中，硬件抗干擾措施在工程上可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。

1.隔離。從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開(kāi)來(lái)，使它們不發(fā)生電的聯(lián)系。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，通常是在電源和放大器電路之間的電源線上采用隔離變壓器以免電路傳導(dǎo)干擾，電源隔離變壓器可應(yīng)用噪聲隔離變壓器。

2.濾波。在變頻器輸出側(cè)可設(shè)置輸出濾波器。為減少對(duì)電源的干擾，可在變頻器輸入側(cè)設(shè)置輸入濾波器。若線路中有敏感電子設(shè)備，可在電源線上設(shè)置電源噪聲濾波器，以免電路傳導(dǎo)干擾。

3.屏蔽。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽，不讓其電磁干擾泄漏。輸出線用鋼管屏蔽，特別是以外部信號(hào)控制變頻器時(shí)，信號(hào)線盡可能短（一般為20m以內(nèi)），且信號(hào)線采用雙芯屏蔽，并與主電路及控制回路完全分離，不放于同一配管或線槽內(nèi)，周圍電子敏感設(shè)備線路同時(shí)屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。

4.接地。抑制噪聲和防止干擾的重要手段。良好的接地方式可在很大程度上抑制內(nèi)部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。變頻器的接地方式有多點(diǎn)接地、一點(diǎn)接地及經(jīng)母線接地等幾種形式。

5.共模扼流模塊。電流流通總是沿著阻抗最低的方向流通，對(duì)于系統(tǒng)中的共模干擾形成電流也是同樣沿著阻抗最小的方向流通，共模電流流通的四條路徑，在產(chǎn)生源頭設(shè)置安裝共模扼流模塊，濾除諧波噪聲。只需管控扼流模塊的尺寸和溫度即可以安裝使用，實(shí)現(xiàn)消除諧波實(shí)現(xiàn)抗干擾的功能，且免維護(hù)。實(shí)際中安裝，僅需要安裝固定在輸入和輸出三相電纜上即可實(shí)現(xiàn)功能。共模扼流模塊它具有1KHz～120MHz的阻抗，當(dāng)頻率越高，所對(duì)應(yīng)的阻抗越高，那么對(duì)相應(yīng)的濾除諧波的效果更好。它通過(guò)電磁感應(yīng)原理，變頻器中產(chǎn)生的高頻△u/△t通過(guò)輻射、傳導(dǎo)、耦合寄生在系統(tǒng)內(nèi)，通過(guò)電纜等導(dǎo)體傳輸產(chǎn)生高頻的電壓，高頻的電壓產(chǎn)生高頻的共模電流，通過(guò)麥克斯韋方程組，變化的電流產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)在共模扼流模塊中產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。產(chǎn)生的磁場(chǎng)后，磁化相位滯后，磁芯磁化或反磁化的過(guò)程中，磁化狀態(tài)并不是隨磁化強(qiáng)度變化而立即變化，有個(gè)滯后時(shí)間，滯后效應(yīng)便是引起剩余損耗;變化的磁場(chǎng)在工作時(shí)會(huì)形成磁滯伸縮，模塊中產(chǎn)生磁滯損耗;電流在磁場(chǎng)中形成渦流效應(yīng)，產(chǎn)生渦流損耗;這三者之和即為模塊損耗，通過(guò)損耗發(fā)熱，達(dá)到消除諧波實(shí)現(xiàn)抗干擾的功能。通過(guò)實(shí)際中測(cè)試諧波大小，加裝共模扼流模塊，諧波各個(gè)頻段都明顯下降，共模電流值由13.8A降低到4.9A，改善64.5%，大大降低了共模干擾的危害。

五、結(jié)束語(yǔ)

對(duì)比5種抗干擾方案，共模扼流模塊在變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的抗干擾的應(yīng)用中，效果最為顯著，提高整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低維護(hù)成本，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，保障整個(gè)生產(chǎn)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)分析石油化工中的變頻調(diào)速系統(tǒng)中存在的干擾源，提出通過(guò)設(shè)計(jì)設(shè)置抗干擾環(huán)節(jié)，注意安裝工藝等實(shí)際方法，克服和抑制各種干擾。隨著變頻器抗干擾技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、社會(huì)環(huán)境對(duì)變頻器的要求不斷提高，變頻器的干擾和抗干擾問(wèn)題可通過(guò)新材料，新方案得到了很大程度的解決。