变频器在电力系统工程应用中存在的干扰问题以及解决办法

    1  引言

    变频器调速技术是集自动控制、微电子、电力电子、通信等技术于一体的高科技技术。传动系统具有功率因数高、起动平稳、调速范围宽等优点，可运行于恶劣的电磁坏境中。由于采用软启动，可以减少设备电机的机械冲击，延长设备和电机的使用寿命。随着科学技术的高速发展，变频器以其具有节电、节能、可靠、高效的特性应用到各个工业控制领域中，如供水、空调、过程控制、电梯、机床等设备，保证了调节精度，减轻了工人的劳动强度，提高了经济效益。因变频器由电子元器件、计算机芯片等组成，易受外界的电气干扰，其输入侧和输出侧的电压、电流含有丰富的高次谐波对其他设备产生干扰，即所谓的电磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility-EMC）。

    国际电工委员会（IEC）对电磁兼容性的定义是：电磁兼容性是电子设备的一种功能，电子设备在电磁坏境中能完成其功能，而不产生不能容忍的干扰。实际上电磁兼容性具有双重含义；设备或系统应具有一直抑制外部电磁干扰的能力，而且所产生的电磁干扰不得影响同一电磁坏境中其他电子设备的正常工作。

    变频器产生的干扰主要有3种：对电子设备的干扰、对通信设备的干扰、以及对无线电等产生的干扰。对计算机和自动控制装置等电子设备产生的干扰主要是感应干扰；对通信设备和无线电等产生的干扰为辐射干扰。如果变频器的干扰问题解决不好，不但系统无法可靠运行，还会影响其他电子、电气设备的正常工作。因此，对变频器应用系统中的干扰问题很有必要进行控讨，以得到进一步的推广应用。

    2  变频调速系统的电磁干扰

    (1) 主要电磁干扰源
通用变频器的输入电路通常由二级管全桥整流电路和直流侧电容器组成，如图1（a）所示，输入电流波形随阻抗的不同相差很大。在电源阻抗比较小的情况下，其波形为窄而高的瘦长型波形，如图1（b）实线所示；反之，当电源阻抗比较大时，其波形为矮而宽的扁平型波形，如图1（b）虚线所示。

图1 变频器的输入电路和输出电流波：(a) 输入电路；
(b) 输入电流波形

    电磁干扰也称电磁骚扰（EMI），是外部噪声和无用信号在接收中所造成的电磁干扰。通常是通过电路传导和以场的形式传播，变频器对系统内其他的电子、电气设备来说是一个电磁干扰源。另一方面，电网中的谐波干扰主要通过变频器的供电电源干扰变频器，电网中存在大量谐波源，如各种整流设备、交直流互换设备、电子电压调整设备、非线性负载及照明设备等。这些负荷都使电网中的电压、电流产生波形畸变，从而对电网中其他设备产生有危害的干扰。变频器的供电电源受到来自被污染的交流电网的干扰后，若不加以处理，电网噪声就会通过电网电源电路干扰变频器。供电电源对变频器的干扰主要有：过压、欠压、顺时掉电；浪涌、跌落；尖峰电压脉冲；射频干扰。其次，共模干扰通过变频器的控制信号线也会干扰变频器的正常工作。

    (2) 电磁干扰的途径

    变频器能产生功率较大的谐波，对系统其他设备干扰较强：对周围的电子、电气设备产生电磁辐射；对直接驱动的电动机产生电磁噪声，使得电动机铁耗和铜耗增加，并传导干扰到电源，通过配电网络传导给系统其他设备；变频器对相邻的其他线路产生感应耦合，感应出干扰电压或电流。同样，系统内的干扰信号通过相同的途径干扰变频器的正常工作。现分别加以分析。

    ① 电磁辐射

    变频器如果不是装在全封闭的金属外壳内，就可以向外空间辐射电磁波。其辐射场强取决于干扰源的电流强度、装置的等效辐射阻抗以及干扰源的发射频率。变频器的整流桥对电网来说是非线性负载，它所产生的谐波对接入同一电网的其它电子、电气设备产生谐波干扰。变频器的逆变桥大多采用PWM技术，当根据给定频率和幅值指令产生预期的和重复的开关模式时，其输出的电压和电流的功率谱是离散的。并且带有与开关频率相应的高次谐波群。高载波频率和场控开关器件的高速切换（dv/dt可达1kv/μs以上）所引起的辐射干扰问题相当突出。

当变频器的金属外壳带有缝隙或孔洞，则辐射强度与干扰信号的波长有关，当孔洞的大小与电磁波的波长接近时，会形成干扰辐射源向四周辐射。而辐射场中的金属物体还可能形成二次辐射。同样，变频器外部的辐射也会干扰变频器的正常正作。
② 传导
电磁干扰除了通过与其相连的导线向外部发射，也可以通过阻抗耦合或接地路回路耦合将干扰带入其它电路，与辐射干扰相比，其传播的路程可以很远。比较曲型的传播途径是：接自工业低压网络的变频器所产生的干扰信号，将沿着配电变压器进入中压网络，并沿着其它的配电变压器最终又进入民用低压配电网络，使接入民用配电母线的电气设备成为远程的受害者。
③ 感应耦合
感应耦合是介于辐射与传导之间的第三条传播途径。当干扰源的频率较低时，干扰的电磁波辐射能力相当有限，而该干扰源又不直接与其它导体连接。但此时的电磁干扰能量可以通过变频器的输入、输出导线与其相邻的其他导线或导体产生感应耦合，在邻近导线或导体内感应干扰电流或电压。感应耦合可以由导体间的电容耦合的形式出现，这与干扰源的频率以及与相邻导体的距离等因素有关。

图2变频调速传动系统抗干扰措施

    3  高次谐波主要危害
    (1) 对电容器的影响

由于电容器的容抗与频率成反比，故在高次谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多，使谐波电流的波形畸变比谐波电压的波形畸变大得多。即使电压中谐波所占的比例不大，也会产生显著的谐波电流。特别是在发生谐振的情况下，很小的谐波电压就可引起很大的谐波电流，使电容器成倍地过负荷，导致电容器因过流而损坏。
(2) 对旋转电机的影响
谐波电压或电流会在电机的定子绕组、转子回路以及定子和转子铁芯中引起附加损耗。由于涡流和集肤效应的关系，定子和转子导体内的这些附加损耗要比直流电阻引起的损耗大。总的谐波损耗可用下式表示：
∑Pk=∑3Isk2Rsk+∑3Irk2Rsk+∑0.01〔Isk/Is〕2K3/2 P                 （1）
式中：∑3Isk2Rsk——定子谐波铜耗；
          ∑3Irk2Rsk  ——转子谐波铜耗；
          ∑0.01〔Isk/Is〕2K3/2 P—谐波铁耗和谐波杂质损耗；
           Isk——定子K次谐波电流有效值；
           Irk——转子K次谐波电流有效值；
           Is——定子基波电流有效值；
           Rsk——K次谐波频率下考虑集肤效应的每相转子电阻（折合到定子侧）；
           P——电机的功率。
另外，谐波电流还会增大电机的噪音和产生脉动转矩。转子第K次谐波电流与基波放置磁场产生的脉动转矩由下式表示:
TK-1=(3p/2*3.14f1)*IskEr*(Kωτ-φr）                             （2)
式中：Er——转子基波电势（折算到定子侧）；
         φr——Irk与Er的相位差；
           f1——定子基波频率；
          p——电机的极对数。
(3) 对输电系统的影响
谐波电流不仅在输电线路上产生谐波电压降，而且增加输电线路上的电流有效值，引起附加输电损耗。在电缆输电的情况下，谐波电压正比于幅值电压增强介质的电场强度，影响电缆的使用寿命。据有关资料介绍，谐波的影响将使电缆的使用寿命平均下降约60%。
(4) 对变压器的影响
变压器在高次谐波电压的作用下，将产生集肤效应和邻居近效应。在绕组中引起附加铜耗，同时也使用铁耗相应增加。其附加损耗可用下式表示：
Δp=3I2kTrskkT                                                      （3）
式中：IKT——通过变压器的K次谐波电流；
          rs——变压器的实际电阻；
          kkT——考虑集肤效应和邻近效应影响的系数。另外，3的倍数次零序电流会在Δ接法的绕组内产生环流，这一额外的环流会使绕组电流超过额定值。对于带不对称负载的变压器来说，如果负载电流中含有直流分量，会引起变压器的磁路饱和，大大增加交流激磁电流的谐波分量。
(5) 对继电保护和自动装置的影响
谐波能够改变保护继电器的动作特性，这与继电器的设计特点和原理有关。当有谐波畸变时，领先采样数据或过零工作的数字继电器容易产生误差。高次谐波对过电流、欠电压、距离、周波等继电器均会引起拒动和误动，使保护装置失灵和动作不稳定。
(6) 对通信的干扰
供电系统中的静止在换相期间电流波形发生急剧变化。换相电流会在正常供电电压中注入一个脉冲电压，且脉冲电压所包含的谐波频率较高，甚至达到1MHz，因而会引起电磁干扰。它对通信线路、通信设备会产生很大的影响。

    4  抗电磁干扰的措施

    根据电磁基本原理，形成电磁干扰（EMI）须具备电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统等3个要素。可采用硬件和软件抗干扰措施，而最基本和最重要的抗干扰措施是硬件抗干扰。主要措施是隔离、滤波、屏蔽、接地等方法。
(1) 隔离
把干扰源和易受干扰的部分从电路上隔离开来，使它们不发生电的联系。在变频调速传动系统中，通常是在电源和放大器电路之间的电源线上采用隔离变压器（如噪声隔离变压器），以免传导干扰。
(2) 滤波
设置滤波器，抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电源及电动机。为减少电磁噪声和损耗，在变频器输出侧可以设置输出滤波器；为减少对电源的干扰，可在变频器输入侧设置输入滤波器；若线路中有敏感电子设备，系统的抗干扰要求较高，为减少对电源的干扰，可在电源线上设置电源噪声滤波器。
(3) 屏蔽
屏蔽干扰源，是抑制干扰最有效的方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽，不让其电磁干扰泄漏。输出线最好用钢管屏蔽， 特别是以外部信号控制变频器时，要求信号线尽可能短（一般为20m以内），且信号线采用双芯屏蔽，并与主电路及控制回路完全分离，不能放于同一配管或线槽内，周围电子敏感设备也要求屏蔽。为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地。
(4) 接地
接地是抑制噪声和防止干扰的重要手段。良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。变频器的接地方式有多点接地、一点接地及经母线接地等几种形式，要根据具体情况采用，注意不要因为接地不良而对设备产生干扰。
单点接地电路或装置中，只有一个物理点定义为接地点，在低频下的性能好；多点接地装置中的各个接地点都直接接到距它最近的接地点，在高频下的性能好；混合接地是根据信号频率和接地线长度，采用单点接地和多点接地共用的方式。变频器本身有专用接地端子PE端，从安全和降低噪声的需要出发，必须接地。既不能将地线接在电器设备的外壳上，也不能接在零线上。可用较粗的短线，一端接到接地端子PE端，另一端与接地极相连，接地电阻取值＜100Ω，接地线长度在20m以内，并注意统一选择接地极的位置。
图2为变频调速传动系统一般抗干扰措施，可根据系统的抗干扰要求合理选择使用。为抑制变频器输入侧的谐波电流，改善功率因数，可在变频器输入端加装交流电抗器，选用与否可视电源变压器与变频器容量的匹配情况及电网允许的畸变程度而定，一般情况下采用为好。为改善变频器输出电流，减少电动机噪声，可在变频器输出端加装交流电抗器。若系统中含控制单元（如微机）等，必须在软件上采取抗干扰措施。
(5) 正确安装
变频器对安装环境要求较高。一般变频器使用手册规定温度范围为最低温度-10℃，最高温度不超过50℃；变频器的安装海拔高度应小于1000m，超过此规定应降容使用；变频器不能安装在经常发生振动的地点，对振动冲击较大的场合，应采用加橡胶垫等防振措施；不能安装在电磁干扰源附近；不能安装在有灰尘、腐蚀性气体等空气污染的环境；不能安装在潮湿环境中，如潮湿管道下应用密封柜式结构，并且要确保变频器通风畅通，确保控制柜有足够的冷却风量，其典型的损耗一般按变频器功率的3%来计算柜中允许的温升值。安装工艺要求如下。
① 确保控制柜中的所有设备接地良好，应该使用短、精的接地线（最好采用扁平导体或金属网，因其在高频时阻抗较低）连接到公共地线上。按国家标准规定，其接地电阻应小于4Ω。另外与变频器相连的控制设备（如PLC或PID控制仪）要与其共地。
② 安装布线时将电源线和控制电缆分开，例如使用独立的线槽等。若控制电路连接线须和电源电缆交叉，应成90°交叉布线。
③ 使用屏蔽导线或双绞线连接控制电路时，确保未屏蔽之处尽可能短，条件允许时应采用电缆套管。
④ 确保控制柜中接触器的灭弧功能。交流接触器采用R-C抑制器，也可采用压敏电阻抑制器，如果接触器是通过变频器的继电器控制的，这一点特别重要。
⑤ 用屏蔽和铠装电缆作为电机接线时，要将屏蔽层双端接地。
⑥ 如果变频器运行在对噪声敏感的坏境中，可以采用RFI滤波器减小来自变频器的传导和辐射干扰。为达到最优效果，滤波器与安装金属板之间应有良好的导电性。

5  系统设计应注意的其他问题
(1) 变频器与弱电控制设备分开布置
在设备排列布置时，应该注意将变频器单独布置，尽量减少可能产生的电磁辐射干扰。在实际工程中，由于受到房屋面积的限制，往往不可能有单独布置的位置，应尽量将容易受干扰的弱电控制设备与变频器分开，比如将动力配电柜放在变频器与控制设备之间。
(2) 变频器不可频繁操作
变频器电源输入侧可采用容量适宜的空气开关作为短路保护，但切记不可频繁操作。由于变频器内部有大电容，其放电过程较为缓慢，频繁操作将造成过电压而损坏元件。因此，应尽量由变频器、而不是通过接触器启停变频调速电机。
(3) 减少不必要的连线
为避免传导干扰，除了控制系统与变频器之间必须的控制线外，其它如控制电源等应分开。由于控制系统及变频器均需要24V直流电源，如果共用一个直流电源，有时变频器会通过直流电源对控制系统产生传导干扰。设计或订货时要特别加以说明，要求用两个直流电源分别对两个系统供电。
(4) 注意变频器对电网的干扰
变频器在运行时产生的高次谐波会对电网产生影响，使电网波形严重畸变，可能造成电网电压降很大、电网功率因数很低，大功率变频器应特别注意。采用无功自动补偿装置以调节功率因数，同时根据具体情况在变频器电源进线侧加电抗器以减少对电网产生的影响。进线电抗器可以由变频器供应商配套提供，但在订货时要加以说明。
(5) 应注意限制最低转速
在低转速时，电机噪声增大，电机冷却能力下降，若负载转矩较大或满载，可能烧毁电机。确需低速运转的高负荷变频电机，应考虑加大额定功率，或增加辅助的强风冷却。
(6) 注意防止发生共振现象
由于定子电流中含有高次谐波成分，电机转矩中含有脉动分量，有可能造成电机的振动与机械振动产生共振，使设备出现故障。预先找到负载固有的共振频率后，利用变频器频率跳跃功能设置，躲开共振率点。
(7) 变频器柜不宜安置其它操作性开关电器
变频器柜内除本机专用的空气开关外，不宜安置其它操作性开关电器，以免开关噪声入侵变频器，造成误动作。

6  结语
    通过对变频器运行过程中干扰问题的分析，提出了解决问题的实际方法。随着新技术和新理论不断在变频器上的应用，变频器应用存在的这些问题有望通过变频器本身的功能和补偿来解决。

参考文献
[1]韩安荣，通用变频器及其应用（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2000
[2]王定华，等电磁兼容悸原理与设计[M].四川：电子科技大学出版社，1995
[3]张宗桐，变频器及其装置的EMC要求[J].变频器世界，2000(9)
[4]郑旭东，关鸿权，吴赤兵，通用变频器运行过程中存在的问题及对策[J].石化技术，2001（8）

作者简介
任伟，男，黑龙江省克山县人，哈尔滨工程大学毕业。
主要从事电力系统高低压电气设备及继电保护的调试与试验工作。
孙洪雨，女，哈尔滨工程大学毕业，从事电力系统高低压电气设备及继电保护产品的工程设计工作。