變頻器干擾的解決方法，如何解決變頻器的電磁干擾

　　變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備。在工業(yè)現(xiàn)場，變頻器的干擾問題出現(xiàn)得比較多，且比較嚴(yán)重，甚至導(dǎo)致控制系統(tǒng)無法正常投入使用。比如使得PLC通訊控制變得不穩(wěn)定，比如使得現(xiàn)場控制柜的指示燈常亮，讓人誤解。用戶都非?？鄲酪驗樽冾l器干擾帶來的困擾。然而，變頻器的工作原理注定其會產(chǎn)生強電磁干擾。

　　在各種工業(yè)控制系統(tǒng)中，隨著變頻器等電力電子裝置的廣泛使用，系統(tǒng)的電磁干擾（EMI）日益嚴(yán)重，相應(yīng)的抗干擾設(shè)計技術(shù)（即電磁兼容EMC）已經(jīng)變得越來越重要。變頻器系統(tǒng)的干擾有時能直接造成系統(tǒng)的硬件損壞，有時雖不能損壞系統(tǒng)的硬件，但常使微處理器的系統(tǒng)程序運行失控，導(dǎo)致控制失靈，從而造成設(shè)備和生產(chǎn)事故。因此，如何提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性是自動化裝置研制和應(yīng)用中不可忽視的重要內(nèi)容，也是計算機控制技術(shù)應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵之一。談到變頻器的抗干擾問題，首先要了解干擾的來源、傳播方式，然后再針對這些干擾采取不同的措施。

　　變頻器包括整流電路和逆變電路，輸入的交流電經(jīng)過整流電路和平波回路，轉(zhuǎn)換成直流電壓，再通過逆變器把直流電壓變換成不同寬度的脈沖電壓（稱為脈寬調(diào)制電壓，PWM）。用這個PWM電壓驅(qū)動電機，就可以起到調(diào)整電機力矩和速度的目的。這種工作原理導(dǎo)致以下三種電磁干擾：

　?。?）射頻輻射干擾：射頻輻射干擾來自變頻器的輸入電纜和輸出電纜。在上述的射頻傳導(dǎo)發(fā)射干擾的情形中，變頻器的輸入輸出電纜上有射頻干擾電流時，由于電纜相當(dāng)于天線，必然會產(chǎn)生電磁波輻射，產(chǎn)生輻射干擾。變頻器輸出電纜上傳輸?shù)腜WM電壓，同樣包含豐富的高頻的成分，會產(chǎn)生電磁波輻射，形成輻射干擾。輻射干擾的特征是，當(dāng)其他電子設(shè)備靠近變頻器時，干擾現(xiàn)象變得嚴(yán)重。

　　（2）諧波干擾：整流電路會產(chǎn)生諧波電流，這種諧波電流在供電系統(tǒng)的阻抗上產(chǎn)生電壓降，導(dǎo)致電壓波型發(fā)生畸變，這種畸變的電壓對于許多電子設(shè)備形成干擾（因為大部分電子設(shè)備僅能工作在正弦波電壓條件下），常見的電壓畸變是正弦波的頂部變平。諧波電流一定時，電壓畸變在弱電源的情況下更加嚴(yán)重，這種干擾的特征是會對使用同一個電網(wǎng)的設(shè)備形成干擾，而與設(shè)備與變頻器之間的距離無關(guān)；

　?。?）射頻傳導(dǎo)發(fā)射干擾：由于負載電壓為脈沖狀，因此變頻器從電網(wǎng)吸取電流也是脈沖狀，這種脈沖電流中包含了大量的高頻成分，形成射頻干擾，這種干擾的特征是會對使用同一個電網(wǎng)的設(shè)備形成干擾，而與設(shè)備與變頻器之間的距離無關(guān)。

　　1、變頻器干擾的來源

　　首先是來自外部電網(wǎng)的干擾。

　　電網(wǎng)中的諧波干擾主要通過變頻器的供電電源干擾變頻器。電網(wǎng)中存在大量諧波源如各種整流設(shè)備、交直流互換設(shè)備、電子電壓調(diào)整設(shè)備，非線性負載及照明設(shè)備等。這些負荷都使電網(wǎng)中的電壓、電流產(chǎn)生波形畸變，從而對電網(wǎng)中其它設(shè)備產(chǎn)生危害的干擾。變頻器的供電電源受到來自被污染的交流電網(wǎng)的干擾后若不加處理，電網(wǎng)噪聲就會通過電網(wǎng)電源電路干擾變頻器。供電電源的干擾對變頻器主要有a過壓、欠壓、瞬時掉電b浪涌、跌落c尖峰電壓脈沖d射頻干擾。

　?。?） 晶閘管換流設(shè)備對變頻器的干擾

　　當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有容量較大的晶閘管換流設(shè)備時，由于晶閘管總是在每相半周期內(nèi)的部分時間內(nèi)導(dǎo)通，容易使網(wǎng)絡(luò)電壓出現(xiàn)凹口，波形嚴(yán)重失真。它使變頻器輸入側(cè)的整流電路有可能因出現(xiàn)較大的反向回復(fù)電壓而受到損害，從而導(dǎo)致輸入回路擊穿而燒毀。

　?。?）電力補償電容對變頻器的干擾

　　電力部門對用電單位的功率因數(shù)有一定的要求，為此，許多用戶都在變電所采用集中電容補償?shù)姆椒▉硖岣吖β室驍?shù)。在補償電容投入或切出的暫態(tài)過程中，網(wǎng)絡(luò)電壓有可能出現(xiàn)很高的峰值，其結(jié)果是可能使變頻器的整流二極管因承受過高的反向電壓而擊穿。

　　其次是變頻器自身對外部的干擾。

　　變頻器的整流橋對電網(wǎng)來說是非線性負載，它所產(chǎn)生的諧波對同一電網(wǎng)的其它電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾。另外變頻器的逆變器大多采用PWM技術(shù)，當(dāng)工作于開關(guān)模式且作高速切換時，產(chǎn)生大量耦合性噪聲。因此變頻器對系統(tǒng)內(nèi)其它的電子、電氣設(shè)備來說是一電磁干擾源。

　　變頻器的輸入和輸出電流中，都含有很多高次諧波成分。除了能構(gòu)成電源無功損耗的較低次諧波外，還有許多頻率很高的諧波成分。它們將以各種方式把自己的能量傳播出去，形成對變頻器本身和其它設(shè)備的干擾信號。

　?。?） 輸入電流的波形 變頻器的輸入側(cè)是二極管整流和電容濾波電路。顯然只有電源的線電壓UL大于電容器兩端的直流電壓UD時，整流橋中才有充電電流。因此，充電電流總是出現(xiàn)在電源電壓的振幅值附近，呈不連續(xù)的沖擊波形式。它具有很強的高次諧波成分。有關(guān)資料表明，輸入電流中的5次諧波和7次諧波的諧波分量是最大的，分別是50HZ基波的80%和70%。

　?。?） 輸出電壓與電流的波形 絕大多數(shù)變頻器的逆變橋都采用SPWM調(diào)制方式，其輸出電壓為占空比按正弦規(guī)律分布的系列矩形式形波;由于電動機定子繞組的電感性質(zhì)，定子的電流十分接近于正弦波。但其中與載波頻率相等的諧波分量仍是較大的。

　　2、干擾信號的傳播方式

　　變頻器能產(chǎn)生功率較大的諧波，由于功率較大，對系統(tǒng)其它設(shè)備干擾性較強，其干擾途徑與一般電磁干擾途徑是一致的，主要分傳導(dǎo)（即電路耦合）、電磁輻射、感應(yīng)耦合。具體為：首先對周圍的電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射;其次對直接驅(qū)動的電動機產(chǎn)生電磁噪聲，使得電機鐵耗和銅耗增加;并傳導(dǎo)干擾到電源，通過配電網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)給系統(tǒng)其它設(shè)備;最后變頻器對相鄰的其它線路產(chǎn)生感應(yīng)耦合，感應(yīng)出干擾電壓或電流。同樣，系統(tǒng)內(nèi)的干擾信號通過相同的途徑干擾變頻器的正常工作。

　?。?） 電路耦合方式即通過電源網(wǎng)絡(luò)傳播。由于輸入電流為非正弦波，當(dāng)變頻器的容量較大時，將使網(wǎng)絡(luò)電壓產(chǎn)生畸變，影響其他設(shè)備工工作，同時輸出端產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾使直接驅(qū)動的電機銅損、鐵損大幅增加，影響了電機的運轉(zhuǎn)特性。顯然，這是變頻輸入電流干擾信號的主要傳播方式。

　?。?） 感應(yīng)耦合方式 當(dāng)變頻器的輸入電路或輸出電路與其他設(shè)備的電路挨得很近時，變頻器的高次諧波信號將通過感應(yīng)的方式耦合到其他設(shè)備中去。感應(yīng)的方式又有兩種：

　　a 電磁感應(yīng)方式，這是電流干擾信號的主要方式;

　　b 靜電感應(yīng)方式，這是電壓干擾信號的主要方式。

　?。?） 空中幅射方式 即以電磁波方式向空中幅射，這是頻率很高的諧波分量的主要傳播方式。

　　3、變頻調(diào)速系統(tǒng)的抗干擾對策

　　據(jù)電磁性的基本原理，形成電磁干擾（EMI）須具備三要素：電磁干擾源、電磁干擾途徑、對電磁干擾敏感的系統(tǒng)。為防止干擾，可采用硬件抗干擾和軟件抗干擾。其中，硬件抗干擾是應(yīng)用措施系統(tǒng)最基本和最重要的抗干擾措施，一般從抗和防兩方面入手來抑制干擾，其總原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對系統(tǒng)的藕合通道、降低系統(tǒng)干擾信號的敏感性。具體措施在工程上可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。

　　（1）所謂干擾的隔離，是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，使它們不發(fā)生電的聯(lián)系。在變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)中，通常是電源和放大器電路之間電源線上采用隔離變壓器以免傳導(dǎo)干擾，電源隔離變壓器可應(yīng)用噪聲隔離變壓器。

　?。?）在系統(tǒng)線路中設(shè)置濾波器的作用是為了抑制干擾信號從變頻器通過電源線傳導(dǎo)干擾到電源從電動機。為減少電磁噪聲和損耗，在變頻器輸出側(cè)可設(shè)置輸出濾波器;為減少對電源干擾，可在變頻器輸入側(cè)設(shè)置輸入濾波器。若線路中有敏感電子設(shè)備，可在電源線上設(shè)置電源噪聲濾波器以免傳導(dǎo)干擾。在變頻器的輸入和輸出電路中，除了上述較低的諧波成分外，還有許多頻率很高的諧波電流，它們將以各種方式把自己的能量傳播出去，形成對其他設(shè)備的干擾信號。濾波器就是用于削弱頻率較高的諧波分量的主要手段。根據(jù)使用位置的不同，可分為：

　　輸入濾波器 通常又有兩種：

　　a 線路濾波器：主要由電感線流圖構(gòu)成。它通過增大線路在高頻下的阻抗來削弱頻率較高的諧波電流。

　　b 輻射濾波器：主要由高頻電容器構(gòu)成。它將吸收掉頻率很高的、具有輻射能量的諧波成分。

　　輸出濾波器 也由電感線圈構(gòu)成。它可以有效地削弱輸出電流中的高次諧波成分。非但起到抗干擾的作用，且能　　削弱電動機中由高次諧波諧波電流引起的附加轉(zhuǎn)矩。對于變頻器輸出端的抗干擾措施，必須注意以下方面：

　　a 變頻器的輸出端不允許接入電容器，以免在逆變管導(dǎo)通（關(guān)斷）瞬間，產(chǎn)生峰值很大的充電（或放電）電流，損害逆變管;

　　b 當(dāng)輸出濾波器由LC電路構(gòu)成時，濾波器內(nèi)接入電容器的一側(cè)，必須與電動機側(cè)相接。

　?。?）屏蔽干擾源是抑制干擾的最有效的方法。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽，不讓其電磁干擾泄漏;輸出線最好用鋼管屏蔽，特別是以外部信號控制變頻器時，要求信號線盡可能短（一般為20m以內(nèi)），且信號線采用雙芯屏蔽，并與主電路線（AC380V）及控制線（AC220V）完全分離，決不能放于同一配管或線槽內(nèi)，周圍電子敏感設(shè)備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。

　?。?）正確的接地既可以使系統(tǒng)有效地抑制外來干擾，又能降低設(shè)備本身對外界的干擾。在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)電源零線（中線）、地線（保護接地、系統(tǒng)接地）不分、控制系統(tǒng)屏蔽地（控制信號屏蔽地和主電路導(dǎo)線屏蔽地）的混亂連接，大大降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

　　對于變頻器，主回路端子PE（E、G）的正確接地是提高變頻器抑制噪聲能力和減小變頻器干擾的重要手段，因此在實際應(yīng)用中一定要非常重視。變頻器接地導(dǎo)線的截面積一般應(yīng)不小于2.5mm2，長度控制在20m以內(nèi)。建議變頻器的接地與其它動力設(shè)備接地點分開，不能共地。

　?。?）采用電抗器

　　在變頻器的輸入電流中頻率較低的諧波分量（5次諧波、7次諧波、11次諧波、13次諧波等所）所占的比重是很高的，它們除了可能干擾其他設(shè)備的正常運行之外，還因為它們消耗了大量的無功功率，使線路的功率因數(shù)大為下降。在輸入電路內(nèi)串入電抗器是抑制較低諧波電流的有效方法。根據(jù)接線位置的不同，主要有以下兩種：

　　交流電抗器 串聯(lián)在電源與變頻器的輸入側(cè)之間。其主要功能有：

　　通過抑制諧波電流，將功率因數(shù)提高至（0.75-0.85）；

　　削弱輸入電路中的浪涌電流對變頻器的沖擊；

　　削弱電源電壓不平衡的影響。

　　直流電抗器 串聯(lián)在整流橋和濾波電容器之間。它的功能比較單一，就是削弱輸入電流中的高次諧波成分。但在提高功率因數(shù)方面比交流電抗器有效，可達0.95，并具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小等優(yōu)點。

　?。?）合理布線

　　對于通過感應(yīng)方式傳播的干擾信號，可以通過合理布線的方式來削弱。具體方法有：

　　a 設(shè)備的電源線和信號線應(yīng)量遠離變頻器的輸入、輸出線;

　　b 其他設(shè)備的電源線和信號線應(yīng)避免和變頻器的輸入、輸出線平行;

　　根據(jù)電磁學(xué)的基本原理，形成電磁干擾必須具備三要素：電磁干擾源、電磁干擾途徑、對電磁干擾敏感的系統(tǒng)。為防止干擾，可采用硬件抗干擾和軟件抗干擾。其中，硬件抗干擾是最基本和最重要的抗干擾措施，一般從抗和放兩方面入手來抑制干擾，其總體原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道、降低系統(tǒng)干擾信號的敏感性。具體措施在工程上可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。以下幾點是解決現(xiàn)場干擾的主要步驟：

　?、?采用軟件抗干擾措施：具體來講就是通過變頻器的人機界面下調(diào)變頻器的載波頻率，把該值調(diào)低到一個適當(dāng)?shù)姆秶?。如果這個方法不能奏效，那么只能采取下面的硬件抗干擾措施。

　?、?進行正確的接地：通過現(xiàn)場的具體調(diào)研我們可以看到，現(xiàn)場的接地情況是不甚理想的。而正確的接地既可以是系統(tǒng)有效地抑制外來干擾，又能降低設(shè)備本身對外界的干擾，是解決變頻器干擾最有效的措施。具體來講就是做到以下兩點：

　?。╝）變頻器的主回路端子PE（E、G）必須接地，該接地可以和該變頻器所帶的電機共地，但不能與其它的設(shè)備共地，必須單獨打接地樁，且該接地點應(yīng)該盡量遠離弱電設(shè)備的接地點。同時，變頻器接地導(dǎo)線的截面積應(yīng)不小于4mm2，長度應(yīng)控制在20m以內(nèi)。

　?。╞）其它機電設(shè)備的地線中，保護接地和工作接地應(yīng)分開單獨設(shè)接地極，并最后匯入配電柜的電氣接地點。控制信號的屏蔽地和主電路導(dǎo)線的屏蔽地也應(yīng)分開單獨設(shè)接地極，并最后匯入配電柜的電氣接地點。

　　屏蔽干擾源：屏蔽干擾源是抑制干擾的很有效的方法。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽，可以不讓其電磁干擾泄露，但變頻器的輸出線最好用鋼管屏蔽，特別是以外部信號（從控制器上輸出4~20mA信號）控制變頻器時，要求該控制信號線盡可能短（一般為20m以內(nèi)），且必須采用屏蔽雙絞線，并與主電路線（AC380）及控制線（AC220V）完全分離。此外，系統(tǒng)中的電子敏感設(shè)備線路也要求采用屏蔽雙絞線，特別是壓力信號。且系統(tǒng)中所有的信號線決不能和主電路線及控制線放于同一配管或線槽內(nèi)。為使屏蔽有效，屏蔽層必須可靠接地。

　　4、結(jié)論

　　通過對變頻器應(yīng)用過程中干擾的來源和傳播途徑的分析，提出了解決這些問題的實際對策，隨著新技術(shù)和新理論不斷在變頻器上的應(yīng)用，重視變頻器的EMC要求，已成為變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)設(shè)計、應(yīng)用必須面對的問題，也是變頻器應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵之一。變頻器存在的這些問題有望通過變頻器本身的功能和補償來解決。工業(yè)現(xiàn)場和社會環(huán)境對變頻器的要求不斷提高，滿足實際需要的真正“綠色”變頻器也會不久面世。我們相信變頻器的EMC問題一定會得到有效解決。