污水处理厂变频器的EMC问题及其防范措施
袁征（上海市政工程设计研究总院，上海200092）
摘要：变频器以其独特的节能优势在污水处理厂得到r越来越广泛的应用，但其存在的电磁兼容( EMCl问题也不容忽视。列举了目前遇到的一些实际工程问题，从变频器的输入侧与输出侧分别分析了电磁干扰产牛的原冈与危害，并结合目前产品的发展，提出了一些预防与解决的措施。
关键词：变频器：电磁兼容；污水处理厂
中图分类号：TN77文献标识码：A文章编号：1673-6540(2009111-0045-04)
0 引 言
各种类型的风机与水泵是污水处理厂最主要的用电设备。过去，风机和水泵主要采用恒速运转的交流电动机驱动，只能通过调节挡板或阀门的开度来调节风量和流量的大小，电能的浪费非常严重。而采用变频凋速技术以后，在满足污水处理工艺各项指标的基础上，可以节约能源，降低损耗，减少设备的丌停次数，延长设备使用寿命，同时实现电机的软起动，避免了对电网的冲击。另外，还可以解决工程设计与实际运行情况存在偏差的问题，对工艺流程之间的匹配起到重要的调节作用”。
1 变频器所带来的电磁兼容问题
由于变频器足利用电力电子器件的高频通断而构成的非线性电路，所以在配置和使用燮频器时，会出现很多各种各样的电磁兼容( EMC)问题，以下就是在污水处理厂中遇到的一些实际情况。
(1)某污水处理厂进行升级改造，为进水泵
房的潜污泵增加变频调速设备后，经常出现变电
所低压侧无功补偿电容器的损坏，原以为是电容
器质量问题，进行更换后，仍然不见好转，最严重
的情况是曾发生直接将补偿柜烧毁的事故。
(2)某污水处理厂生物反应池内，回流污泥泵的变频柜与电磁流量计安装距离较近，当变频器起动后，流量计的显示值出现异常震荡，更换变送器以后，该状况仍旧出现。
(3)某污水处理厂深度处理区的离心泵采用变频控制，虽然能够满足调速要求，但变频器到电动机的电缆及电动机本身发热严重，连续运行超过2h以上时，会出现保护开关误动作的情况。
(4)某污水处理厂紫外线消毒渠的两台反冲洗潜水泵共用-—个变频柜进行控制，内设两台变频器，均通过电位器手动调节。当一台电机运行时，工作正常，当两台同时运行时，频率调节就会出现间歇性失效。
以上这些都是变频器EMC问题的集中反映，根据IEC对EMC的定义，它包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指设备对所在环境中存往的电磁干扰具有一定程度的抗扰度。下文将从变频器的这两个角度分别进行分析。
2 限制变频器产生的干扰
市面上生产及使用的变频器绝大部分都采用交一直一交的变频方式。在交一直整流回路巾，输入电流呈不规则的矩形波，其中主要含有6n±1(n=1，2，……)次谐波，它们将直接干扰电源系统的稳定性；在直一交逆变回路中，输出电压与输出电流是经脉宽调制( pWM)波调制后的脉冲信号，这类具有陡变沿的脉冲信号也含有大量的高次谐波，会直接影响电机负载的运行，而且谐波可以沿电缆传导，并向空中辐射，干扰附近其他电子通信没备。图1为解决变频器EMC问题所采取的一些主要措施，以下就从变频器的输入侧与输出侧分别加以分析。
2.1 变频器输入侧EMC问题的危害
变频器输入侧产生的谐波电压与谐波电流作为对电网的一种污染，可以对整个供配电系统产生危害，主要表现在以下几个方面。
(1)变压器。电流谐波将增加变压器的铜损，电压谐波将增加变压器铁损，其整体效果将使变压器温度上升，绝缘能力下降；而且谐波还会引起变压器绕纽与线间杂散电容的共振，使得变压器铁心磁通饱和，产生噪声。
(2)电容器。变频器所产生的谐波，严重时可能超过一般电容器百分之三十五的超载允许值，而且电容器容抗随频率的变大而减小，使得电容器流人很大的电流，导致其过热。当电容器与变压器或线路阻抗匹配时，还会发生并联谐振，可以将谐波电流成百上千倍的放大，宜接将电容器烧毁。
(3)电缆。由于在污水厂中，单相负载所占比重较少，一般情况下，三相负载是平衡的，故配电线路的电缆一般都采用三大芯一小芯，但是变频器还是会产生一定数量的3的整数倍的谐波，它们会在巾性线上进行叠加，甚至超过相线中的电流值，再加上高频谐波电流的趋肤效应，会造成电缆过热，加速绝缘老化与损坏，成为酿成火灾的隐患。
(4)开关设备。由于谐波电流的存在，在开关设备起动瞬间会产生很高的电流变化率，破坏没备绝缘。在谐波含量较多时，断路器在故障情况下的开断会变得困难，切除时间延长，甚至发生误动作。
2.2变频器输入侧EMC问题的防范措施
如图l所示，为了减少对电源系统的危害，可配置合适的直流电抗器、交流电抗器和输入滤波器，以及采用带凋谐滤波电抗器的电容器组进行无功补偿。
(1)直流电抗器。直流电抗器串接于整流与逆变部分之间的直流环节中，有的集成于变频器内，有的需要外接。其作用是减少变频器输入电流的谐波，提高电源的功率因数，主要适用于输入电流大于16 A而小于75 A的变频器。
(2)交流电抗器。交流电抗器串接在变频器的输入侧，也被称为线路电抗器，它可以有效增大电源系统的阻抗，减少电源浪涌对变频器的冲击，降低输入电流的波形畸变，改善三相电源的不平衡性。它主要适用于电源容量较小，线路电源存在明显扰动，三相电压的不平衡度较大的电源系统，特别是在同一线路中装有数量较多的变频器或几台变频器并联的场合。
(3)输入滤波器。输入滤波器·般采用LC无源器件构成，它可分为线路滤波器与辐射滤波器两部分。线路滤波器串联在变频器输入端，主要是一个阻抗较大的电感线圈，它呵以减小高频谐波电流，同时消除变频器控制同路上的干扰；辐射滤波器并联在变频器输入端，主要由高频电容器组成，它可以吸收高频辐射，减小电磁噪声。一般两者同时使用，则抑制谐波的效果显著。在安装时，应使输入滤波器尽团能地靠近变频器，并与
变频器共用基板。
另外，目前有源电力滤波器也发展较快，它可以对谐波电流进行实时检测，并根据预测结果产生相位相反的电流分量反馈至电网，它比无源滤波器具有更好的准确性‘j快速性，但是由于成本较高，日前使用仍然有限。
(4)调谐滤波电抗器。对于补偿电容的并联谐振问题，主要发生在很多老厂改造项曰中，因为原有无功补偿设备都采用投切同定电容器组实现，在进行改扩建时，为很多水泵和风机加装了变频器，这时一定要在补偿柜内考虑加装电抗器。对于新建的污水处理厂，在设计时就应选用带有调谐滤波电抗器的电容器组进行无功补偿。
2. 3变频器输出侧EMC问题的危害
变频器输出侧产生的谐波主要会沿电缆进行传导，并向周围空间辐射，影响到周围其他电气设备，其危害的主要表现如下：
(1)电动机。变频器输出侧产生的高频谐波分量会造成电动机输入端的驱动电压产生过冲，由于电机绕组存在杂散电容，过冲电压会在绕组中产生尖峰电流，使得在绕组绝缘层的不均匀处引起过热，甚至破坏绝缘层而导致电机损坏。低频谐波分量又可能达到电机转子自身的崮有频率而引发共振，产生难以忍受的噪声，大夫缩短电机的使用寿命。另外对于负序谐波还会在电动机内部产生负序旋转磁场，形成制动转矩，大大减少电动机的出力。
(2)仪表与通信设备。变频器输出侧产生的干扮还会以电磁波的形式向空巾辐射，并通过线间电感与电容在周围线路和器件上产生静电感直，从前导致周围的各种水质分析仪表、传感器和通信设备被干扰而出现测量误差，准确度与灵敏度降低，终端至现场的通信线路也会受到影响，甚至无法正常工作。
2..4变频器输出侧EMC问韪的防范措施
如图1所示，为了解决电动机的过热和电磁干扰，可以配置合适的输出电抗器，输出滤波器，并加强屏蔽与接地措施，切断影响周围电子设备干扰的传播途径。
(1)输出电抗器：输出电抗嚣串接在变频器与电动机之间，也被称为电机电抗器，其作用是限制电机端子上的面出，滤除电机之前的接触器触点断开所引起的扰动，并减小电机的接地泄漏电流．主要适用f变频器距离电动机较远，电缆较长、较粗的场合。
(2)输出滤波器。输出滤波器串接在变频器输出侧，它可以减小输出侧的高次谐波与浪涌电压，减小电动机的附加转矩，同时防止电磁干扰信号沿电缆传播，使干扰信号不能通过地线反射。特别是在电机电缆非常长，或由于机械限制不能采用屏蔽电缆及存在多个电机并联的情况。安装时也应辟量靠近变频器。
(3)屏蔽。变频器与电动机之问的电缆，各电子设备的电源电缆，信号电缆一般都应采用钢带铠装屏蔽或穿钢管保护。动力电缆****与控制电缆、信号电缆在不同的电缆沟、电缆桥架内敷设，避免辐射干扰。另外，应优先选用传输阻抗较低的电动机电缆，并将电缆的屏蔽层牢固地连接到变频器的机箱与电动机外壳上，以增强屏蔽效果，减小泄漏电流。
(4)接地。变频器的泄漏电流较大，雷采用尽量短而粗的接地线，一般接地线的横截面积应不小 lOmm2，或者包含2根接地线单独终接。附近其他电气设备的接地线必须尽量远离变频器的电源电缆，避免辐射干扰。
(5)切断干扰传播途径。另外对于周围比较敏感的水质分析仪表与电子通信设备，可以采用与变频器不同的变压器进行供电，或者在输入侧加装隔离变压器或EMC滤波器，切断电磁干扰的传播途径，同时尽量缩短信号线的长度。
3 提高变频器的抗干扰性
变频器内部除了大功率电力电子器件外，还有许多电子元件和微控制器，在使用中对电磁干扰也非常敏感，特别是当周围存在其他大功率非线性设备的场合。为了保证变频器的[可靠运行，关键是保证其控制回路免受电磁干扰[2]。主要采取的防范措施如下：
(1)控制电缆穿钢管敷设，以保证电磁屏蔽效果；
(2)将控制电缆导体绞合，绞合间距越小，抗干扰效果就越好；
(3)变频器的金属外壳箱体应可靠接地；
(4)在控制信号产生侧与变频器侧采用并联触点，提高触点工作的可靠性；
(5)在控制电源的输入侧装设滤波器，滤除外部设备产生的干扰信号。
4结语
变频器在污水处理厂的推广与应用，可以节约能源，延长设备寿命，有效实现工艺流程，但其在运行中产生的EMC问题却不容忽视。生产厂家应以研发出更加“绿色”的变频器为日标，从源头来解决电磁干扰问题，而广大设计人员应做到对变频器各品牌产品充分了解，合理的进行选择与配噩，并结合现场的实际运行情况，采取必要的抗电磁干扰措施，使变频器发挥出****的功能，实现整个污水处理厂的长期稳定运行。
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