可控硅中頻電源運行中的抗干擾問題研究

    本文分析了可控硅中頻電源運行中各種干擾信號的產生及其對中頻電源安全運行的影響，提出削弱干擾、增強抗干擾能力、提高中頻電源運行可靠性的有效措施。

    1 引言

    隨著電力電子技術的發展和電力電子元器件制造水平的提高，中頻感應加熱技術日臻完善。中頻感應加熱以其便捷高效的加熱性能正逐步取代煤、油等燃料加熱而成為工業加熱的首選方式。作為感應加熱裝置的電源，KGPS(可控硅靜止變頻裝置)與傳統BPS機組(中頻發電機組)相比，負載適應性強，效率高，易于形成自動加熱線，已在工業加熱領域得到越來越廣泛的應用。

    無論是鍛造、鑄造還是熱處理生產線，作為前端加熱工序中的關鍵設備，KGPS電源一旦出現故障，就會直接造成整條生產線停產。所以，KGPS電源運行的可靠性值得重點關注。實際應用中，可控硅電源所在現場環境條件往往較差，振動強，溫度高，灰塵多，同時作為復雜的交一直一交變頻系統，電源運行中較易受到各種干擾信號的影響，特別對電源觸發系統和保護系統的影響尤為顯著。

    當KGPS電源觸發系統電路受到干擾時，往往造成電源啟動性能下降;當保護系統電路受到干擾時，會造成保護環節(過流、過壓等)誤動作，導致電源頻繁跳閘，不能正常工作，甚至造成保護失靈，損壞功率元件，引發設備事故。由于干擾信號的隨機性，對于此類故障的分析診斷比較困難，稍有不慎，還有可能造成故障擴大。所以，對可控硅中頻電源運行中涉及到的各種干擾信號進行綜合分析，研究確定相應的抗干擾措施，對于提高中頻電源運行可靠性具有重要意義。

    2 KGPS電源運行中的主要干擾信號

    2.1電場干擾

    在國內外的電磁兼容標準中，把電場干擾常定名為射頻干擾。電場干擾的強弱首先與電場強度有關，控制線路所處環境電場強度越大，受到的干擾越強。電場干擾還與頻率有關，射頻頻率越低，其發射能力越弱，形成對外干擾的作用也越小。具體到感應加熱裝置，因為變頻器發出的電場頻率遠遠低于0.5MHz(射頻一般都在0.5MHz以上)，相對于磁場干擾而言，電場干擾強度很小，只有逆變晶閘管導通和截止的轉換過程中，換相頻率較高，陰極和陽極問電壓的變化du/dt可能產生有效的空間電場干擾。

    2.2磁場干擾

    在帶電母線周圍存在著與母線電流同頻率的磁力線，磁力線匝鏈控制線就會在控制線中感應電流，造成控制信號畸變，從而產生磁場干擾。it]磁力線匝鏈控制電路板或信號檢測電路板，也會產生有效的磁場干擾。在變頻柜中，電場和磁場干擾都存在，就干擾強度而言，磁場干擾強度大于電場干擾，特別是逆變主電路所有母線中都載有很大的中頻電流，其周圍的磁場很強，因此產生的干擾不容忽視，應重點抑制。

    2.3傳導干擾

    傳導干擾分為兩部分，一是為感應加熱變頻器供電的電網中如果還有其他用電設備，尤其是大功率的用電設備，如電動機、電容器柜等，那么這些設備在啟動、停機等操作過程中都會產生干擾脈沖電壓，并會沿三相電源線傳導進入感應加熱變頻電源，這部分屬于外來的傳導干擾;另一部分是變頻器正常運行時在內部產生的傳導干擾，如逆變換相產生的電壓尖峰，也會通過各種不同的傳導途徑進入主控制板形成干擾，這部分屬于內部的傳導干擾。

    3 抗干擾的若干措施

    3.1電磁屏蔽

    對于電場干擾和磁場干擾而言，電磁屏蔽是最常見、最有效的一種抗干擾措施，它屬于被動的抗擾措施。電磁屏蔽雖不能降低電場或磁場干擾信號的強度，但可以削弱電磁干擾信號對正常工作線路的影響。電場屏蔽主要用于削弱電場干擾，在變頻器柜中，主控制板最好安裝在鐵箱內，鐵箱與殼體一起連接到大地，這就形成一道有效的電場屏蔽。任何控制信號在導線中傳輸時都有電流產生，有電流必有回路，回路必須要有兩條導線才能形成，兩條導線之間的空隙中如果有干擾磁力線通過，在回路中就會產生干擾電流。要避免這種干擾，唯有盡量減小兩條導線之間的間隙。使用緊密絞線可以最大限度減小兩條導線之間的問隙，也就大大減少干擾磁力線的竄人。在KGPS變頻電源柜中，可控硅觸發信號、中頻反饋信號等線路應采用屏蔽線或絞線布置，并且布線應盡可能的短。

    3.2信號濾波

    可控硅中頻電源實際運行過程中，對于來自同一供電網絡中其它用電設備的外來傳導干擾是不可能去除的，唯有加強防范，信號濾波是最常用的防范措施。在KGPs變頻電源中，三相電源進線端的RC吸收回路就是一個有效的抗擾濾波電路。當同一供電網絡中其它用電設備(尤其是大容量用電設備)啟、停時，因電流變化，在電源回路上就會感應過電壓(包括供電變壓器漏感和供電線路分布電感)，形成干擾信號，對中頻電源造成傳導干擾，在經過RC信號濾波電路時，電容C就有一個充電的過程，也就是吸收過電壓能量的過程。通常過電壓持續的時間都比較短，如果電容器的容量足夠大，在可控硅中頻電源電路中就不會產生尖峰形成干擾。

    同樣，整流觸發同步變壓器輸入、輸出信號及所有檢測電路中都必須設置RC濾波電路。特別需要說明的是，所有信號濾波電路中R、C參數的選擇對于濾波效果有直接影響，不能隨意替換。其中R為阻尼電阻，用以防止電源回路電感與電容C發生諧振，如果R選擇過小而發生諧振，則R、C非但不能吸收過電壓，反而將產生過電壓，加大對線路的干擾程度。

    對于中頻電源自身內部產生的傳導干擾，則有可能從產生干擾的源頭限制其發生。其中主回路母線(匯流排)的合理排布不僅可以減小電磁場干擾，同時可以減小傳導干擾。因為母線的分布電感和電容是逆變換相產生雜散尖峰和寄生高頻震蕩的主要原因，這些雜散尖峰和寄生高頻震蕩都可能通過中頻電壓或電流互感器等檢測元件混雜在有用信號中，一起進人控制電路。

    3.3母線布設

    KGPS變頻電源柜內母線(主回路匯流排)合理布設可以最大限度地減小干擾電場和磁場的強度，這是從產生干擾的發源地著手解決問題，是一種最積極有效的方法。在主回路母線中，無論是直流母線、中頻母線、工頻母線都是成對的，其中一條母線是電流進，另一條母線是電流出。如果把成對的直流母線或中頻母線盡量相互貼近，則兩條母線周圍的磁力線因為大小相等、方向相反而相互抵消，也就不會產生電磁干擾。另外，相互貼近的兩條母線問的分布電容可以削減電壓波形中的“尖刺”，既有利于削弱電場干擾，也可減輕RC吸收回路的負擔。同時相關母線貼近安裝可大大減小分布電感，有利于中頻電源的啟動，也有利于減小母線上的電壓降，提高感應器兩端電壓，從而提高有效加熱功率。所以，對于可控硅變頻電源，主回路匯流排的布設方式應重點考慮。

    3.4控制線路布線

    KGPS變頻電源柜內控制信號較多，交流、直流信號并存，工頻、中頻信號并存。為減少干擾，各種控制信號應分類布設，并且要盡可能遠離主回路匯流排。一般要遵循下面兩個原則：

    ①中頻控制信號線單獨設線槽與逆變有關的控制線與信號線最容易受干擾(導致啟動失敗、正常工作時引起逆變失敗、過流保護動作)，也最容易干擾整流部分正常工作。為避免這種干擾，與中頻相關的控制線、信號線應單獨設置安裝線槽，并盡可能遠離主回路母線，有些二次線(觸發信號、中頻反饋信號等)必須緊密絞和。