電梯變頻器應(yīng)用中的一些問題

1、電梯變頻器應(yīng)用中的一些問題同 濟(jì) 大 學(xué) 周國興摘要：本文介紹電梯變頻器的容量選擇，控制柜集成中的接地，屏蔽，變頻器的外圍設(shè)備，電磁兼容性（EMC）等問題 ，以供讀者參考。關(guān)鍵詞： 電梯變頻器 控制柜集成 接地保護(hù) 電磁兼容性1. 變頻器的容量選擇變頻器的容量有三種表達(dá)方式 額定電流（A）：選I變頻 > I電機(jī) 額定功率（KW）：允許配電動機(jī)功率（四級電機(jī)）但這時電動機(jī)只能在額定電流以下連續(xù)運行，不能有經(jīng)常的起、制動。如風(fēng)機(jī)，水泵等負(fù)載可選P變頻 > 1.1P電機(jī) 額定容量（KVA），考慮到cos的關(guān)系，15KW的變頻器對應(yīng)23KVA的視在容量，其額定電流為33A。因此建議以電流原

2、則選擇變頻器普通型負(fù)載：I變頻 > I電機(jī) 快速頻繁起制動機(jī)械：P變頻比P電機(jī)提高1檔次或2檔次。舉例： 電梯電機(jī) 配 變頻器 7.5KW 11KW （24A） 11KW 15KW（33A） 15KW 18.5KW-22KW(42-50A) 22KW 30KW(60A) 2. 接地與屏蔽一個變頻調(diào)速系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)、可靠運行，主要靠系統(tǒng)的硬件配置，軟件的設(shè)計及現(xiàn)場的安裝調(diào)試和維保工作?！敖拥亍笔且种齐姶鸥蓴_，提高電力電子設(shè)備電磁兼容性的重要措施。正確的接地，可有效地抑制外來干擾的影響，也可以減少設(shè)備本身對外圍設(shè)備的干擾。2.1名詞 地 是指“大地”，是一個電阻小，電容量很大的物體，擁

3、有吸收無限電荷的能力。吸收大量電荷以后仍能保持電位不變，因此常作為電氣系統(tǒng)的參考電位-這就是“電氣地”。符號“地電位”在接地導(dǎo)體周圍形成一個半球體的接地電流分布，離接地極越近，電阻越大，電壓降也越大。距接地極20M之外的半球體已經(jīng)很大了，哪里的電位接近于“0”，被稱為“地電位”，亦稱為“0”電位?！斑壿嫷亍?在電子設(shè)備中，電流和信號的傳輸需要一個參考電位，這個地不一定是地電位，可能是金屬外殼、底座、電子印刷板上的地線或者接地干線等。邏輯地可與大地連接，也可以不接大地?！敖拥亍彪娏ο到y(tǒng)中接地的一點，一般是中性點，常為外露導(dǎo)電部分。正常運行時中性點不帶電，但在故障下可能帶電。為了人身安全，將電氣、

4、電子設(shè)備外部導(dǎo)電部分與“地線”連接，也就是通過接地線或接地極與“地”連接。2.2 接地作用防止人身觸電 100Hz以下的交流電，0.5mA流過人體會有感覺，10mA交流電流通過手臂就會產(chǎn)生不能擺脫之感覺。而與以上對應(yīng)的直流電為2mA和300mA.C0 分布電容碰殼當(dāng)外殼不接地時，由于絕緣損壞，外殼帶電，人體就會觸電，圖1 外殼不接地，容易觸電C0 分布電容碰殼Rd當(dāng)外殼接地后，因接地電阻Rd很小，人就再不會觸電了。因為即使外殼帶電，人體電阻較大，與小電阻Rd并聯(lián)后分流到的電流很圖2 外殼可靠接地，不會觸電 保障電氣系統(tǒng)正常運行。如中性點不接地時，三相有一相接地，其他兩相電壓升高。外殼接地后，這

5、種情況下保護(hù)電器就會動作，自動切斷電源。 防雷和靜電必須安接地裝置。傳雷電和靜電入地。 電子設(shè)備中，接地是減小干擾和抑制“噪聲”的有效方法。2.3 低壓系統(tǒng)中的接地方式： 三相四線制：接地線PE和中性線N共用，成為PEN線；在老大樓、老廠房中多見。A B C N N用電設(shè)備外殼PENR0中線電阻D圖3 三相四線制供電系統(tǒng)適用于三相負(fù)荷基本平衡的情況下。若三相負(fù)荷嚴(yán)重不平衡（工業(yè)上有許多單相負(fù)荷，如電焊機(jī)等），中性線上有較大的回路電流，會在中線電阻R0上形成一個壓降。設(shè)備外殼雖然接PEN或D點，但D點對PEN接地點有一個不小的壓降，因此實際上所有設(shè)備的外殼仍帶有電，嚴(yán)重時會有“觸電”事故發(fā)生。電

6、子設(shè)備中均有交、直流電源的回路，信號輸入和輸出的回路，后者常處于雜散的電磁場內(nèi)，因而受到干擾，因此接地是減小干擾和抑制“噪聲”的有效方法。三相五線制：PE線和中性線N分別敷設(shè)，形成三相五線制，是目前強(qiáng)制執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)。A B C N N用電設(shè)備外殼PEN圖4 三相五線制供電系統(tǒng)D宜用于三相負(fù)荷不平衡情況下，也就是通常情況下在PE線上不流過電流，所以負(fù)載的外殼接PE線上D點就不會帶電壓。因此比較安全。 戶外三相四線制，戶內(nèi)三相五線制A B C N N用電設(shè)備外殼PEN圖5 戶外四線制，室內(nèi)五線制PPE如圖5中P點離變壓器中心接地點不太遠(yuǎn)，P點的電位不會升高至危險電壓，室內(nèi)單獨敷設(shè)PE線（黃綠線），供

7、設(shè)備外殼接地用，這樣外殼的電位即UP，在負(fù)載不對稱的情況下，也不會使外殼帶危險電壓，這一方法是目前廣泛采用于原有的三相四線系統(tǒng)中。所以變頻器和電機(jī)等電氣設(shè)備外殼的接地必須接PE，不能簡單地接N線。希望變頻器的PE端最好接PE線，或“專用接地線”，接地線使用2.5mm2以上銅導(dǎo)線。2.4 控制線屏蔽接地 通信線的屏蔽接地：上位機(jī)PC/PLC與變頻器的RS232/RS485接口之間用屏蔽電纜連接。最容易犯“兩端接地”的錯誤 。見圖7上位VVVFPEAPEBR0圖6 若上位機(jī)離變頻器較遠(yuǎn)，兩個PE點之間有電位差，若A、B端的屏蔽層接PE就會形成地回路，反而帶來干擾。因為上位機(jī)側(cè)的用戶，一般沒有專用接

8、地端，而把電源插座的接地端當(dāng)作“0”電位，實際上這是接N線的方式。因此，圖中PEA和PEB是有電位差的，嚴(yán)重會引起干擾，甚至設(shè)備損壞。因此變頻器的通信口信號 < 100KC時，不用平行電纜，而用屏蔽電纜或雙絞線，選用B端接地為好。對于其他總線控制，高速通信，選用兩點或多點接地為好。 傳感器信號屏蔽接地問題各類傳感器信號源都用屏蔽線，且屏蔽層在插頭內(nèi)部與外殼連接，而在變頻器這一端又接PE端，若此時變頻器與外設(shè)的接地不良，即RG和RE都大于標(biāo)準(zhǔn)要求或兩者嚴(yán)重不相等，如圖7所示情況下就會出現(xiàn)通過屏蔽層的電流IE，會造成兩端PE的電位浮動而形成干擾。上位VVVFPEAPEBREIERG圖7因此在

9、用傳感器的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，特別是同步電機(jī)的位置檢測和速度閉環(huán)、位置閉環(huán)系統(tǒng)中，一定要保證外設(shè)和變頻器的可靠、獨立的接地，或采用傳感器外殼不接屏蔽層的傳感器，而在變頻器一端接地。 模擬信號屏蔽層接地實踐證明雙絞線（1m長度內(nèi)50個絞最好），雙絞屏蔽線對磁場的屏蔽效果最好。對于4-20mA和0-10V、1-5V的模擬信號控制變頻調(diào)速系統(tǒng)，一定用雙絞線或屏蔽電纜，并在控制裝置一端接地。如為雙屏蔽電纜，外層屏蔽兩端接PE，內(nèi)層屏蔽層載變頻器端接系統(tǒng)的地線（com）。 在一個控制柜內(nèi)變頻器與其他附件 如濾波器，電抗器等采用公共母排的接地方式；對于大功率系統(tǒng)，變頻器及外部設(shè)備不可能裝在一個柜中，則要把它們

10、各個單獨可靠接地；對于同一柜內(nèi)的強(qiáng)電、弱電部件以分區(qū)安裝為宜，相互之間用鐵板屏蔽。 如圖8強(qiáng)電區(qū)拉手弱電區(qū)隔板拉手圖8 強(qiáng)弱電分區(qū)的控制柜正門內(nèi)裝功率單元和器件，側(cè)門內(nèi)裝弱電單元。這樣可以強(qiáng)、弱電很好的屏蔽，而且又充分利用柜子的空間。整個柜體要良好接地。3變頻器的外圍設(shè)備RSTUVWVFDRBF1abcdeef圖9 變頻器的外圍設(shè)備電動機(jī)L1L2 (a)空氣開關(guān)，短路、欠壓等保護(hù)，選擇IK I變頻(b)主接觸器，隔離，防止斷電后自行來電自起動，選擇IC I變頻(c)進(jìn)線電抗器L1：電源容量比變頻器容量大10倍以上時，加進(jìn)線電抗器有限制di/dt和增加電源阻抗之效，也能改善進(jìn)線電流波形，提高功率

11、因數(shù)。且能保護(hù)二極管整流橋一般?。?9V）壓降/每相，IL1 = I變頻 。因為電源變壓器容量較大時，其輸出阻抗較小，對單個變頻器負(fù)載而言，可以認(rèn)為電源的短路阻抗為0，必須增大電源的短路阻抗。一般選0.04U額定。對單臺變頻器而言，每相：所以，應(yīng)選擇每相（6V-9V）壓降的三鐵芯電抗器，額定電流30A 以15KW變頻器為例， (d) 進(jìn)線濾波器F1：減少傳導(dǎo)干擾，無線電濾波，限制高次諧波對電網(wǎng)的影響。同時也限制電網(wǎng)原有諧波對變頻器的影響。(e)噪聲濾波器（無線電干擾濾波器），是一個閉合高頻磁環(huán)，當(dāng)三相帶電流導(dǎo)線串心而過時，各高次諧波電流會在磁環(huán)中產(chǎn)生高頻電流，消耗掉這部分能量就會減少高頻輻射，

12、減少對無線電及通訊的干擾（f）L2 出線電抗器，減少PWM輸出諧波電流干擾，抑制電機(jī)的電磁噪音和脈動力矩。當(dāng)變頻器和電機(jī)之間距離在50m以上時，最好要加L2，有標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品可選。注：照歐洲標(biāo)準(zhǔn)，主電路動力線都應(yīng)用屏纜電線，且屏蔽層都應(yīng)兩端可靠接PE線排。4變頻系統(tǒng)的電磁兼容（EMC）問題電磁兼容EMC是（Electromagnetic Compatibility）的縮寫。由國際電工委員會（IEC）定義為“設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，且也不對環(huán)境中的其他設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生不能承受的電磁干擾。”這就是說，設(shè)備要有強(qiáng)的抗干擾能力EMS（Electromagnetic Susceptibility），

13、和弱的產(chǎn)生干擾的能力EMI（Electromagnetic interference）。因此要求電子設(shè)備或控制系統(tǒng)在實際工作環(huán)境中既不受外界電磁環(huán)境影響而產(chǎn)生控制性能惡化，甚至誤動作，也不因自身的工作而影響臨近的其他設(shè)備的正常工作。這就是“電磁兼容”的概念。因此EMC = EMS + EMI 抗干擾（強(qiáng)）生干擾（弱） 4.1干擾（噪聲）產(chǎn)生的機(jī)理放電噪聲：火花放電，靜電放電（火花），持續(xù)放電，電暈電弧，雷電等。接觸噪聲：接觸，沖擊，振動等引起的接觸電阻變化而引起的電流變化。 觸點抖動，接觸不良，電壓波動，電容引起的電流振蕩。過渡過程噪聲：高速數(shù)字電路的通斷形成尖峰電流，電動機(jī)的起制動電流和負(fù)載

14、沖擊電流，動力線路的合閘和分閘電流，雷電在線路上的感應(yīng)電荷。電磁環(huán)境噪聲：工業(yè)電流的高次諧波，高頻信號源的發(fā)射（天線、雷達(dá)、數(shù)字脈沖信號等）4.2 噪聲的傳遞 通過導(dǎo)線傳導(dǎo)：通過電源線、信號線、控制線侵入設(shè)備的敏感區(qū)。 空間感應(yīng)和輻射：通過電磁波、靜電感應(yīng)等方式耦合到設(shè)備。 通過大地和接地電路：在“地線”、“0線”上由干擾信號流產(chǎn)生噪聲電壓，從而耦合到敏感電路中去。4.3 抗干擾的基本措施 合理布線：主電路和控制電路分開走線，不平行，不捆扎，不在同一線槽內(nèi)布線。變頻器的電源線與電機(jī)側(cè)出線要分開布線，不平行，不捆扎，盡量縮短信號線的長度和阻抗。信號線與帶干擾線間隔30cm以上。 屏蔽措施：信號線

15、，數(shù)據(jù)線用屏蔽線或雙絞線（每米長度內(nèi)打50個絞）甚至用雙絞屏蔽線。柜體機(jī)殼金屬屏蔽。 濾波：在控制電源回路中加隔離變壓器，和濾波器，在信號回路中加濾波器，有必要時變頻器的主回路中加進(jìn)線電抗器和濾波器等。 電子線路設(shè)計和印刷電路板設(shè)計時就有EMC的考慮，在元件布局，線路走向，高低頻分區(qū)布置，采用多層板縮短連線長度等措施，增加電子線路的抗干擾能力。如果造成“先天不足”，很難彌補(bǔ)。 良好的接地，包括建筑結(jié)構(gòu)，箱體，電柜和各種電纜的外裝皮。屏蔽層都需要良好接地，有“人身安全”、提供“0”電位、抗干擾信號接地等功能。 在電磁線圈（繼電器，接觸器，電磁伐的線圈）旁并聯(lián)RC吸收電路，為線圈是直流的，可并聯(lián)反

16、向二極管吸收裝置，注意二極管不能接反，建議在二極管回路中串100電阻，以防二極管反接或擊穿造成的本機(jī)損壞。 進(jìn)入PLC或電腦板的各種“開關(guān)信號”，因線路較長易引入干擾，所以建議經(jīng)過中間繼電器過渡。由裝在附近的中間繼電器觸點再去控制PLC或電腦板，是一種有效的抗干擾措施。 防靜電噪聲：在紡織，化纖，造紙等應(yīng)用場合，設(shè)備上有靜電產(chǎn)生，要采取相應(yīng)的措施消除靜電，防止靜電積累到一定程度而放電，造成干擾。4.4 變頻控制柜常見安裝不規(guī)范示例： 不用濾波器。 進(jìn)線電纜（R.S.T），和出線電纜（U.V.W）捆扎在一起走線。 電力電纜，控制電纜及通訊電纜沒有分別走線。 電控柜內(nèi)布置很亂，沒有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)電，弱電分區(qū)布置和屏蔽措施，柜體太擠，通風(fēng)不良。 布線很亂，同一線槽走線，且不用應(yīng)有的屏蔽措施和屏蔽線。 接觸器和繼電器的線圈都沒裝吸收裝置。 接地不良，地線太細(xì)，接“地”接“中”相混，而且多點環(huán)形接地，形成地線干擾。 編碼器的安裝除了良好的“同心度”外，一定要用屏蔽電纜，甚至是“雙絞”雙層屏蔽電纜。這對sin/cos等低電平傳感器尤其重要。在永磁同步電機(jī)的伺服控制系統(tǒng)中不可疏忽，馬