变频器应用中抗干扰问题的探讨

1 引言

　　随着电力电子及其控制技术的发展，变频器及其变频调速已经被广泛应用到工业控制的各个领域，如变频调速在供水、空调设备、过程控制、电梯、机床等方面的应用，变频器的广泛应用也带来了不能忽视的干扰问题。这种干扰表现在现场供电和其他用电设备对变频器的干扰和变频器运行时产生的高次谐波对电网和周围设备的干扰两个方面。如果变频器的干扰问题解决不好，不仅变频器系统无法可靠运行，还会影响其周边其他电子、电气设备的正常工作。因此，变频器应用系统中的干扰问题倍受理论界和工程应用界的广泛重视。下面结合自己的工作实践，主要讨论变频器及其调速系统的干扰及其抑制方法。

2 变频器系统的主要干扰

2.1 外部对变频器的干扰

(1) 非线性用电设备对变频器的干扰

　　由于各种整流设备、交直流互换设备、电子电压调整设备、照明设备等非线性负载的应用，这些负载成为电网中的大量谐波源，使电网电压、电流产生波形畸变。图1示出晶闸管换相引起的畸变。

图1 晶闸管换相引起的畸变

    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、瞬时掉电；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) 补偿电容器的投入和切出对变频器的干扰

　　许多用户都在变电所内采用集中电容补偿的方法来提高功率因数，在补偿电容器投入和切出的暂态过程中，网络电压有可能出现很高的峰值，如图2所示，其结果是可能使变频器的整流管因承受过高的反电压而击穿。

图2 补偿电容投入时的电压畸变

2.2 变频器对外部的干扰

　　变频器对电网来说也是非线性负载，它所产生的谐波会对同一电网的其他电子、电气设备产生谐波干扰。另外，逆变器采用spwm技术，当其工作于开关模式并作高速切换时，产生大量耦合性噪声,对共网的其他的电子、电气设备来说是一个电磁干扰源。

(1) 输入电流的波形

　　ac-dc-ac压型变频器的输入侧是整流和滤波电路，只有在电源的线电压ul大于电容器两端的直流电压ud时，整流桥中才有充电电流。因此充电电流总是出现在电源电压的振幅值附近，呈不连续的冲击波形式，如图3a)所示。它具有很强的高次谐波成分，其中5次谐波和7次谐波分量很大，如图3b)所示。

图3 输入电流的波形及其谐波分析

图4 输出电压与电流的波形

(2) 输出电压与电流的波形

　　变频器的逆变桥大多采用spwm技术，其输出电压为占空比按正弦规律分布的系列矩形波，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，如图4a)所示。其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)所引起的辐射干扰相当突出。

3 电磁干扰的传播途径

　　变频器能产生功率较大的谐波，对系统其他设备干扰性较强。其干扰途径与一般电磁干扰途径一样，有电磁辐射、电路耦合、感应耦合等[1]，现分析如下。

3.1 电磁辐射

　　变频器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。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工作。

3.2 电路耦合

　　上述的电磁干扰除了通过与其相连的导线向外部发射，还可以通过阻抗耦合或接地回路耦合，将干扰信号带入其它电路。比较典型的传播途径是：接自工业低压网络的变频器所产生的干扰信号可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，使接自民用配电母线的电气设备成为远程的受害者。

3.3 感应耦合

　　当变频器输入或输出电路与其它设备的电路很近时，变频器的高次谐波信号可通过感应的方式耦合到其它设备中去。其中电流干扰信号主要以电磁感应方式传播，电压干扰信号主要以静电感应方式传播。

4 抗电磁干扰的措施及注意事项

　　为防止干扰，可采用硬件和软件的抗干扰措施。其中，硬件抗干扰是最基本和最重要的抗干扰措施，总的原则是抑制和消除干扰源、切断干扰对系统的耦合通道、降低系统对干扰信号的敏感性，可从“抗”和“防”两方面入手采取措施抑制干扰[2]。

4.1 正确安装、合理布线

　　变频器对安装环境要求较高。一般变频器使用手册对环境温度、通风、湿度、海拔高度都有明确规定。以下几个方面的安装工艺要求值得注意：

(1) 确保控制柜中的所有设备接地良好，应该使用短、粗的接地线(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4欧姆。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，其它设备的电源线和信号线应尽量远离变频器的输入、输出线，例如使用独立的线槽等。如果控制电路连接线必须和电源电缆交叉，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) 确保控制柜中的接触器有灭弧功能，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) 所有的电源线和信号线都应尽量屏蔽，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环境中，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。

4.2 加入电抗器

　　在变频器的输入电流中，频率较低的谐波分量(5、7、9、11、13次谐波等)所占的比重比较高，这些谐波除了可能干扰其它设备的正常运行外，还消耗大量的无功功率，使线路的功率因数降低。在输入电路中串入电抗器是抑制较低谐波电流的有效方法，如图5所示。根据接线位置不同，分以下两种：

图5 变频器中串入电抗器

(1) 交流电抗器

　　交流电抗器串联在电源与变频器的输入侧之间，如图5中la所示，其作用是抑制谐波电流、　提高功率因数、削弱输入电路中的浪涌电流对变频器的冲击、削弱电源电压不平衡等。

(2) 直流电抗器

　　直流电抗器串联在整流桥和滤波电容器之间，如图5中的ld，其作用是削弱输入电流中的高次谐波成分并可提高功率因数。

　　4.3 加入滤波器

　　如图6所示，为减少电磁噪声和损耗，在变频器输出侧可设置输出滤波器；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，可在电源线上设置电源噪声滤波器，抗传导干扰。

图6 滤波器接法

(1)输入滤波器

　　根据结构和作用不同，可分为线路滤波器和辐射滤波器。

　　线路滤波器主要由电感线圈构成，如图6中f11，通过增大线路在高频下的阻抗来削弱　　通过线路传播的频率较高的谐波电流。

　　辐射滤波器由高频电容器构成，如图6中f12所示，通过吸收的方法来削弱通过辐射传播的干扰信号。

(2) 输出滤波器

　　在变频器的输出侧和电动机之间串入由电感构成的输出滤波器，可以有效的削弱输出电流中的高次谐波电流引起的附加转矩，改善了电动机的运行特性，如图6中的f0所示。

    必须注意，在变频器的输出端不允许接入电容器，以免在逆变管导通(或关断)瞬间，产生峰值很大的充电(或放电)电流，损坏逆变管[3]。

4.4 隔离

　　变频器输入侧的谐波电流常常从电流侧进入各种仪器，成为许多仪器的干扰源。针对此情况，应在受干扰仪器的电源侧采取有效的隔离。方法有电源隔离法和信号隔离法[4]，如图7和图8所示。

    图7中接入隔离变压器，隔离变压器的特点是一、二次绕组的匝数相等，但一、二次侧之间应由金属薄膜进行良好的隔离。一、二次电路中都可接入电容器，如图7中的c1、c2。

    图8中在信号侧接入光电耦合器进行隔离，适用于一些传感器传输线路较长，并采用电流信号的场合。需注意的是：所用光电耦合器应是传输比为1的线性光耦合器；光电耦合器两侧的电容器对传输信号应无衰减作用，即为直流信号时电容量可大些，脉冲信号时则应根据脉冲频率的大小适当选择。

　　4.5 接地

　　实践证明，接地往往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。这里须提醒大家的是：

(1) 不能将地线接在电器设备的外壳上，也不能接在零线上；

(2) 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；

(3) 注意选择合理接地方式。变频器的接地方式有单点接地、多点接地及混合接地等几种形式，要根据具体情况采用，要注意不要因为接地不良而对设备产生干扰。

●单点接地

    单点接地指在一个电路或装置中，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

    多点接地是指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

    混合接地是根据信号频率和接地线长度，系统采用单点接地和多点接地共用的方式。

    以上诸种抗干扰措施，可根据系统的抗干扰要求来合理选择使用。若系统中含控制单元如微机等，还须在软件上采取抗干扰措施。

5 结束语

　　本文通过分析变频调速系统中存在的干扰源，提出了通过设计设置抗干扰环节、注意安装工艺等实际方法，克服和抑制各种干扰。随着变频器抗干扰技术的发展和工业现场和社会环境对变频器的要求不断提高，变频器的干扰和抗干扰问题有望通过变频器本身的功能和补偿来解决，“绿色”变频器一定会面世。