可控硅中频电源运行中的抗干扰问题研究

    本文分析了可控硅中频电源运行中各种干扰信号的产生及其对中频电源安全运行的影响，提出削弱干扰、增强抗干扰能力、提高中频电源运行可靠性的有效措施。

    1 引言

    随着电力电子技术的发展和电力电子元器件制造水平的提高，中频感应加热技术日臻完善。中频感应加热以其便捷高效的加热性能正逐步取代煤、油等燃料加热而成为工业加热的首选方式。作为感应加热装置的电源，KGPS(可控硅静止变频装置)与传统BPS机组(中频发电机组)相比，负载适应性强，效率高，易于形成自动加热线，已在工业加热领域得到越来越广泛的应用。

    无论是锻造、铸造还是热处理生产线，作为前端加热工序中的关键设备，KGPS电源一旦出现故障，就会直接造成整条生产线停产。所以，KGPS电源运行的可靠性值得重点关注。实际应用中，可控硅电源所在现场环境条件往往较差，振动强，温度高，灰尘多，同时作为复杂的交一直一交变频系统，电源运行中较易受到各种干扰信号的影响，特别对电源触发系统和保护系统的影响尤为显著。

    当KGPS电源触发系统电路受到干扰时，往往造成电源启动性能下降;当保护系统电路受到干扰时，会造成保护环节(过流、过压等)误动作，导致电源频繁跳闸，不能正常工作，甚至造成保护失灵，损坏功率元件，引发设备事故。由于干扰信号的随机性，对于此类故障的分析诊断比较困难，稍有不慎，还有可能造成故障扩大。所以，对可控硅中频电源运行中涉及到的各种干扰信号进行综合分析，研究确定相应的抗干扰措施，对于提高中频电源运行可靠性具有重要意义。

    2 KGPS电源运行中的主要干扰信号

    2.1电场干扰

    在国内外的电磁兼容标准中，把电场干扰常定名为射频干扰。电场干扰的强弱首先与电场强度有关，控制线路所处环境电场强度越大，受到的干扰越强。电场干扰还与频率有关，射频频率越低，其发射能力越弱，形成对外干扰的作用也越小。具体到感应加热装置，因为变频器发出的电场频率远远低于0.5MHz(射频一般都在0.5MHz以上)，相对于磁场干扰而言，电场干扰强度很小，只有逆变晶闸管导通和截止的转换过程中，换相频率较高，阴极和阳极问电压的变化du/dt可能产生有效的空间电场干扰。

    2.2磁场干扰

    在带电母线周围存在着与母线电流同频率的磁力线，磁力线匝链控制线就会在控制线中感应电流，造成控制信号畸变，从而产生磁场干扰。it]磁力线匝链控制电路板或信号检测电路板，也会产生有效的磁场干扰。在变频柜中，电场和磁场干扰都存在，就干扰强度而言，磁场干扰强度大于电场干扰，特别是逆变主电路所有母线中都载有很大的中频电流，其周围的磁场很强，因此产生的干扰不容忽视，应重点抑制。

    2.3传导干扰

    传导干扰分为两部分，一是为感应加热变频器供电的电网中如果还有其他用电设备，尤其是大功率的用电设备，如电动机、电容器柜等，那么这些设备在启动、停机等操作过程中都会产生干扰脉冲电压，并会沿三相电源线传导进入感应加热变频电源，这部分属于外来的传导干扰;另一部分是变频器正常运行时在内部产生的传导干扰，如逆变换相产生的电压尖峰，也会通过各种不同的传导途径进入主控制板形成干扰，这部分属于内部的传导干扰。

    3 抗干扰的若干措施

    3.1电磁屏蔽

    对于电场干扰和磁场干扰而言，电磁屏蔽是最常见、最有效的一种抗干扰措施，它属于被动的抗扰措施。电磁屏蔽虽不能降低电场或磁场干扰信号的强度，但可以削弱电磁干扰信号对正常工作线路的影响。电场屏蔽主要用于削弱电场干扰，在变频器柜中，主控制板最好安装在铁箱内，铁箱与壳体一起连接到大地，这就形成一道有效的电场屏蔽。任何控制信号在导线中传输时都有电流产生，有电流必有回路，回路必须要有两条导线才能形成，两条导线之间的空隙中如果有干扰磁力线通过，在回路中就会产生干扰电流。要避免这种干扰，唯有尽量减小两条导线之间的间隙。使用紧密绞线可以最大限度减小两条导线之间的问隙，也就大大减少干扰磁力线的窜人。在KGPS变频电源柜中，可控硅触发信号、中频反馈信号等线路应采用屏蔽线或绞线布置，并且布线应尽可能的短。

    3.2信号滤波

    可控硅中频电源实际运行过程中，对于来自同一供电网络中其它用电设备的外来传导干扰是不可能去除的，唯有加强防范，信号滤波是最常用的防范措施。在KGPs变频电源中，三相电源进线端的RC吸收回路就是一个有效的抗扰滤波电路。当同一供电网络中其它用电设备(尤其是大容量用电设备)启、停时，因电流变化，在电源回路上就会感应过电压(包括供电变压器漏感和供电线路分布电感)，形成干扰信号，对中频电源造成传导干扰，在经过RC信号滤波电路时，电容C就有一个充电的过程，也就是吸收过电压能量的过程。通常过电压持续的时间都比较短，如果电容器的容量足够大，在可控硅中频电源电路中就不会产生尖峰形成干扰。

    同样，整流触发同步变压器输入、输出信号及所有检测电路中都必须设置RC滤波电路。特别需要说明的是，所有信号滤波电路中R、C参数的选择对于滤波效果有直接影响，不能随意替换。其中R为阻尼电阻，用以防止电源回路电感与电容C发生谐振，如果R选择过小而发生谐振，则R、C非但不能吸收过电压，反而将产生过电压，加大对线路的干扰程度。

    对于中频电源自身内部产生的传导干扰，则有可能从产生干扰的源头限制其发生。其中主回路母线(汇流排)的合理排布不仅可以减小电磁场干扰，同时可以减小传导干扰。因为母线的分布电感和电容是逆变换相产生杂散尖峰和寄生高频震荡的主要原因，这些杂散尖峰和寄生高频震荡都可能通过中频电压或电流互感器等检测元件混杂在有用信号中，一起进人控制电路。

    3.3母线布设

    KGPS变频电源柜内母线(主回路汇流排)合理布设可以最大限度地减小干扰电场和磁场的强度，这是从产生干扰的发源地着手解决问题，是一种最积极有效的方法。在主回路母线中，无论是直流母线、中频母线、工频母线都是成对的，其中一条母线是电流进，另一条母线是电流出。如果把成对的直流母线或中频母线尽量相互贴近，则两条母线周围的磁力线因为大小相等、方向相反而相互抵消，也就不会产生电磁干扰。另外，相互贴近的两条母线问的分布电容可以削减电压波形中的“尖刺”，既有利于削弱电场干扰，也可减轻RC吸收回路的负担。同时相关母线贴近安装可大大减小分布电感，有利于中频电源的启动，也有利于减小母线上的电压降，提高感应器两端电压，从而提高有效加热功率。所以，对于可控硅变频电源，主回路汇流排的布设方式应重点考虑。

    3.4控制线路布线

    KGPS变频电源柜内控制信号较多，交流、直流信号并存，工频、中频信号并存。为减少干扰，各种控制信号应分类布设，并且要尽可能远离主回路汇流排。一般要遵循下面两个原则：

    ①中频控制信号线单独设线槽与逆变有关的控制线与信号线最容易受干扰(导致启动失败、正常工作时引起逆变失败、过流保护动作)，也最容易干扰整流部分正常工作。为避免这种干扰，与中频相关的控制线、信号线应单独设置安装线槽，并尽可能远离主回路母线，有些二次线(触发信号、中频反馈信号等)必须紧密绞和。

    ②仪表引线单独设线槽仪表引线周围的电磁场是不可忽视的干扰源，如直流电压表引线中带有两倍于变频器输出频率的电压波形，因此所有仪表引线也不宜与其它控制线混放在一个线槽内。

    3.5继电控制设计

    继电控制电路应优先选择最简单的设计方案。在满足正常操作与维修的基础上，控制按钮、开关、指示灯等设置应当力求减少到最低数量，一方面便于操作，另一方面也可以减少干扰。控制按钮、开关、指示灯等通常往往需要经过较长的引线引到装置的面板上，或者经过更长的引线引到远离装置本体的操作者手边，而这些部件有时既与继电控制系统有联系，又与可控硅的触发或保护系统有联系。引线越长往往越容易引入各种干扰，使触发系统或保护系统工作异常。所以除了尽量减少按钮、开关、指示灯等部件的数量外，必需的长引线也可采用有绝缘双绞芯线的屏蔽线。此外，在可控硅触发系统和保护系统中所设置的触点可通过小型继电器实行隔离，以提高抗干扰能力。

    小型继电器可以直接安装在触发系统或保护系统之中，这样触点的引线就极短，不易引入干扰，而继电器的线圈可以通过较长的导线与继电控制系统连接起来，这样可以大大削弱长引线引入的干扰对触发系统或保护系统的影响。

    3.6其它抗干扰措施

    上面所述几点为最根本的抗干扰措施，除此之外，还有下列一些方面需要注意：

    ①通常，可控硅中频电源工作环境振动强烈，主电路接线连接不牢易引起发热，控制回路接线不牢则易引入干扰信号，影响电源可靠性。所以，对于各接线端(压接、插接、焊接等)应经常检查，确保可靠。

    ②选择KGPS变频电源时尽可能采用抗干扰能力强的控制电路，对于触发脉冲形成电路，优先采用数字化集成电路。

    ③用工频电流互感器采集中频电流信号，利用工频电流互感器反应速度慢的特点来滤去中频电流中的杂波和高次谐波。

    4 结束语

    可控硅变频电源运行过程中，主电路与控制电路协同工作，主电路形成的电场、磁场对控制电路信号的干扰原则上是无法消除的，对于来自同一供电网络中其它用电设备的外来传导干扰也是不可能去除的。只能通过采取必要的措施，切实有效地降低干扰信号的强度，或者提高控制电路的抗干扰能力，尽可能避免干扰信号影响控制电路的正常工作。针对性地采取以上抗干扰措施后，可控硅变频电源的可靠性会得到进一步提高。<