变频器篇之--变频器的干扰与处理(四)

七、 电机轴承的损坏问题

当变频拖动电机时,变频器的输出是包含很多高频成分的,变频器输出波形如图28所示。

图 28 变频器的PWM输出

变频器输出电缆上有共模电压(共模电压就是对地之间的电压),这个尖峰电压中包含了丰富的高频成份,当它施加在电机的定子绕组上,通过定子绕组与电机轴杆直间的杂散电容耦合到电机轴杆上,电机轴杆与电机外壳之间通过轴承连接,电机的外壳与地连接。形成一个电流回路。

轴承放电需要轴承(转子和定子之间)的电压差,该电压差可以通过四种不同的方式产生,即电容耦合、感性耦合、由于接地阻抗高而造成的电机支架的电压和外部耦合能量。

这种高频电流轴承流到地上,称为轴承电流。需要注意的是,在轴承中有润滑油,起到绝缘作用。但是在轴承高速旋转时,绝缘强度时高时低,有时甚至彻底导通。因此,导致由于轴杆与轴瓦之间的导电通路时通时断,引起电火花,犹如接触式开关接通和断开的瞬间产生的弧光一样,这样电火花的烧蚀就会引起轴承损害。这个过程类似于机械式开关的通断过程,这个过程中会产生电弧,烧蚀轴杆、滚珠、轴碗的表面,形成凹坑。如果没有外部振动,小凹坑不会产生过大的影响,但是如果有外部振动时,会产生凹槽,这对电机的运转影响很大。变频器拖动电机轴承损伤如图29所示。

图 29 电机轴承上形成的小坑

解决轴承损伤的方法有两种,一种是机械的方法,就是在电机轴杆上安装一个接地刷,每时每刻都保证轴杆与电机外壳连接,或者使用绝缘轴承或者改用可导电的轴承润滑油,就不会出现打火花了。另外一个是从电气的角度解决,降低变频器的开关频率,或者在变频器的输出端安装正弦波滤波器和共模干扰滤波器。

八、 共模干扰和差模干扰

1. 共模干扰

共模干扰(Common- mode Interference)定义为任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差,共模干扰的原理图如图30所示,U是共模电压,I1和I2是共模电流,两者方向相同,大小不一定相同。

图 30共模干扰的原理图

共模干扰产生的原因很多,例如雷电、设备电弧、不屏蔽的变频器电机线在信号线上感应出共模干扰、多个接地点接地阻抗不同,导致地电位差异引入共模干扰。

共模干扰有时比较大,有时可高达100V以上,另外,共模电压可通过不对称的电路转换成差模电压,直接影响传感器信号、造成元件损坏,这种干扰可以是直流或交流。

2. 差模干扰

差模干扰(Differential-mode Interference)定义为任何两个载流导体之间的不希望有的电位差,差模干扰如图31所示,图中U是差模电压,I是差模电流,大小相同,方向相反。

图 31差模干扰原理图

差模干扰的起因是同一个线路工作的电机、开关电源、可控硅等它们工作时产生的尖峰电压、电压跌落等产生的干扰就是差模干扰。

任何电源线上传导干扰信号,均可用差模和共模信号来表示。差模干扰在两导线之间传输,属于对称性干扰;共模干扰在导线与地(机壳)之间传输,一般指在两根信号线上产生的幅度相等,相位相同的噪声,属于非对称性干扰。

在一般情况下,差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小;共模干扰幅度大、频率高,还可以通过导线产生辐射,所造成的干扰较大。

消除共模干扰的方法包括:

Ø 采用屏蔽双绞线并有效接地。

Ø 强电场的地方还要考虑采用镀锌管屏蔽。

Ø 布线时远离高压线,更不能将高压电源线和信号线捆在一起走线。

Ø 不要和电控所共用同一个电源。

Ø 采用线性稳压电源或高品质的开关电源(纹波干扰小于50mV)。

九、 变频器的干扰实例及处理

这里,笔者用几个案例来分析工程现场的EMC干扰的产生,并给出不同的干扰的解决方案。

1. 电机安装不当产生的EMC干扰的案例

某地铁风机采用变频器+风机的形式,风机的安装如图32所示。

图 32电机安装的问题查找

现场存在的问题如下:

Ø 从图32中可明显的看到电缆的屏蔽层过长,降低了接地的效果。

Ø 屏蔽层盘成了一个环形再接地,这样地线的作用降低,并且在高频干扰下的阻抗变大。

解决方案:

Ø 措施是将环形线和屏蔽层剪短后接地。

Ø 安装上述的方案进行修改后,问题解决。

2. 电缆沟的走线布置不当产生的EMC干扰案例

某厂的装配生产线的电缆沟的走线如图33所示。

图 33装配生产线的走线

现场存在的问题如下:

Ø 此车间的电缆走线混乱,动力线、通讯线、控制线走到一起。

Ø 没有安装线槽。

解决方案:

Ø 应将动力供电线、变频器输出线、控制线、通讯线分别配置线槽。

Ø 将动力供电线、变频器输出线、控制线、通讯线分开走线,间隔距离至少分开20公分,而不是绞成一团。

安装上述的方案进行修改后,问题解决。

3. 机柜的地线接线不当引起的EMC干扰案例

现场的机柜的地线接线如图34所示。

图 34 现场接地

现场存在的问题如下:

Ø 地线太细而且被盘成环形。地线应至少10平方,地线要尽量短。

Ø 地线排有太多松动的地方,包括面板、门等等,这会导致地线阻值过高,不仅会导致EMC问题,更重要的是会出现人员安全的问题。

解决方案:

Ø 使用10平方以上的保护接地线

Ø 将所有的地线重新紧固一遍。

安装上述的方案进行修改后,问题解决。

4. 不当的电缆槽布线引发的EMC干扰案例

如图35所示是某水泵用变频器的电缆桥架布线,从左到右电缆依次是通讯线、左侧变频器的供电电源线、左侧变频器的电机线、右侧变频器的电机线、右侧变频器的电源线、右侧变频器的通讯线,现在两台变频器的通讯始终不能正常工作。

图 35 水泵变频器的电缆槽布线

现场存在的问题如下:

Ø 通讯线没有屏蔽,并且与动力线走到一个套管里。

Ø 电机线和动力线和控制线使用同一个线槽。

Ø 电机线、动力线、通讯线没有分开20公分以上。

解决方案:

Ø 使用两个线槽,通讯线单独走线,使用屏蔽线并将屏蔽层接地。

Ø 线和电机线分开20公分以上。

Ø 电机线使用屏蔽线,并将屏蔽层接地。

安装上述的三点进行修改后,问题解决。

5. 线圈浪涌和主触点的脉冲群引起的干扰问题

某地铁现场的图片如图36所示,用户发现接触器一启动,马达保护器的通讯就会报警。

图 36地铁现场的通讯安装图

现场存在的问题如下:

Ø 接触器的功率比较大,并且没有安装防浪涌装置。

Ø 接触器与通讯TAP距离太近。

解决方案:

Ø 接触器线圈加装RC组件。

Ø 将通讯线与接触器线分开走线。

Ø 安装上述的方案进行修改后,问题解决。

6. 走线错误引起的干扰问题

无溶剂复合机的变频器采用闭环控制,变频器开环运行正常,但是闭环运行时经常报反馈信号丢失、现场调试工程师已经意识到这是干扰问题,在变频器的动力线和编码器线上加装了磁环,情况有了改善,但还是偶尔会报反馈信号丢失SPF,图37中灰色电缆线是电机的动力线,绿色线是编码器线。用户为了美观,将电机的动力线与编码器线用扎带绑到了一起。

图 37 某无溶剂复合机现场图

现场的接地线,如图38所示。

图 38 现场的接地线

现场存在的问题如下:

Ø 检查变频器的接线时发现,用户尽管在动力线上绕接了磁环,但是却将编码器线和动力线捆扎在一起。

Ø 现场的接地的线径过细,使用的是3*1平方的线,按接地的要求,此电缆最小也要10平方的接地电缆。

现场的电机线没有屏蔽,虽然使用了磁环,但明显不能解决问题,使用示波器检查也印证了这一点,示波器图形如图39所示。

图 39 修改前的编码器输出波形

解决方案:

Ø 更换了所有的变频器编码器电缆,使用双绞双屏蔽的电缆作为编码器电缆,并将屏蔽层可靠接地。

Ø 重新焊接了屏蔽和变频器编码器电缆接头,在变频器侧将编码器与动力线尽量远离。

Ø 由于编码器电缆和电机电缆不能完全分开,并且短时间内买不到变频器的屏蔽动力电缆,所有现场将编码器电缆的外面又套上了金属软管,并将此金属软管可靠接地。

Ø 将现场的地线加粗,改善了PLC和变频器的整体EMC。

整改后,现场问题解决,整改后的现场波形如图40所示。

图 40 整改后的编码器输出已经变成了非常干净的方波

这个现场还有另一个抑制EMC干扰的方法,就是电机采用屏蔽线,并将屏蔽线可靠接地,缺点是是成本比较高。

四、 总结

由于安装和使用上的不规范,在项目执行中,变频器干扰导致PLC、现场仪表等等出了各种各样的问题,轻则导致模拟量给定值不准、通讯报错,设备报各种奇怪的故障,严重的会导致PLC死机、PLC或变频器通讯口烧毁,甚至出现设备伤人事故,因此。EMC电磁兼容问题必须得到电气工程人员和设备安装人员足够的重视,安装规范设计、安装和接线。

(全文完)

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