变频调速控制系统的设计与维护

随着变频器本身功能的不断完善，交流调速技术有了长足的进步。在不同工况场合下,由交流异步电动机和变频器组成的交流拖动系统大有取代直流拖动系统之势。利用变频器完成不同工况场合交流拖动系统改造设计的应用事例已经很多，相应来说在使用中也不断发现一些新的问题。本文就变频器正常工作中，由于变频器高次谐波的影响引发控制电路发生串联谐振，造成系统电源故障的情况及处理方案进行了分析。
由变频器、PLC、PID调节器、配套低压电器及压力传感器组成了变频调速恒压供水系统如图一所示，系统中压力传感器负责检测系统管网压力，将压力信号变换为电阻信号作为反馈输入PID调节器，经过与给定信号进行比较后其偏差值采用优化的PI算法输出控制信号控制变频器的输出频率，保证管网压力的恒定。PLC和配套低压电器及PID调节器的工作电源电压均为 AC220V，在该系统中，用户要求能够直观显示储水箱中的液位，因此，选用液位传感器配合数字式液位指示器对水箱中的液位进行测量和显示。在实际工作中发现，当变频器正常工作时，数字式液位显示器经常出现误指示、乱码等情况;变频器停止工作时系统完全恢复正常。很明显，这是由于变频器高次谐波分量对电源的干扰造成的，通常，对此最为行之有效的办法就是对控制电路的供电电源加装电源滤波器。整个系统的电气原理框图如图1所示。在加装市售的通用电源滤波器后，液位显示系统恢复了正常，但是随之又有新的问题出现了，控制电路中的熔断器FU2频繁熔断。停电后对电路进行检查，在电路中没有发现短路点。经现场详细观察发现，在系统逐渐升速过程中，变频器运行输出在某个频段之间时频繁发生短路故障。而且，将变频器的负载(电动机)断开后，该故障现象仍频繁出现，在去掉电源滤波器后该故障消失。因此，首先对该滤波器进行了检查，拆开后发现滤波器采用的是常见的π型滤波，电路如图2所示。检查发现电源滤波器本身没有任何故障，进一步分析变频器的工作原理可知，在交-直-交型变频器中，电网通过三相整流桥给变频器供电，供电电流利用傅立叶级数可以分解为包含基波和6K± 1次谐波(K=1，2，3…)分量等一系列谐波分量，谐波含量随进线电抗和和直流滤波电抗的电感量增加而减少。具有关资料介绍，通常情况下，加电抗器后五次谐波、七次谐波、十一次谐波和十三次谐波仍然占到40%、35%、25%和20%左右。由于电路参数频率特性的影响，在n 次谐波所作用下电感的感抗为，电容的容抗为，整个电源滤波器的等效复阻抗;其中是滤波器的等效感抗，是滤波器的等效容抗。如果在k次谐波的作用下，滤波器在该次谐波下的等效感抗的值与等效容抗的值相等，可知此时电路在该频率下的等效复阻抗，即电路处于谐振状态。由于此时R仅是线路电阻，其值是非常小的，可以近似的认为，即电路在该次谐波的作用下处于处于短路状态。依据上述分析，可以得出结论：该电源短路故障是由于变频器输出的高次谐波分量造成电源滤波器发生串联谐振引起的。通常情况下，如果引起谐振的谐波分量不是足够大，是不应引起短路故障的，但是当其短路电流的有效值超过系统熔断器保护范围时，就会造成短路故障，采用该类电源滤波方式就不十分合适了。
在分析清楚故障原因后，针对工控系统干扰源的主要来源途径即电源的干扰、过程通道的干扰及空间电磁干扰等，对控制显示系统采取了进一步的防干扰措施。首先，针对前述系统的故障状态，采用大电容替代原来的电源滤波器进行滤波，有效的解决了控制系统电源系统的干扰问题。但是，必须着重指出的是在变频器的输出侧，绝对禁止采用电容器来吸收高次谐波，以防止在逆变管导通瞬间，出现峰值很大的充电或放电电流，造成逆变管的损坏; 其次，由于用户要求液位指示器与变频器的相对位置不能改变，在不能使液位指示器远离变频器的情况下，将液位指示器进行了严格的金属屏蔽，而且信号屏蔽线、金属屏蔽层进行了严格的单独接地与系统工作及安全接地分开，信号线与电源线空间位置相对垂直，有效的防止了空间的电磁干扰的窜入。
采取上述措施后，整个系统的工作恢复了正常，说明上述措施是完全可行的。同时，进一步实验发现，为了削弱通过线路传播的干扰信号，在控制电路电源不采用电容滤波时可以在控制电路中传入一个小电感，如图3所示，该电感在工频情况下的阻抗是很小的，但是对于频率很高的谐波电流呈现很高的阻抗，可以起到有效的抑制作用，其使用效果也是不错的。
综上所述，在变频调速控制系统的设计中，系统本身抗干扰的设计固然是很重要的;与此同时，必须充分考虑变频器本身对于其它电气显示控制系统的干扰，特别是高次谐波对控制电路电源系统的干扰影响，在设计电源滤波器时应考虑到在高次谐波的影响下可能造成的谐振等问题。