變頻器應(yīng)用中的干擾問題及其對策

程廣衛(wèi)

(勃利縣電業(yè)電力建設(shè)公司，黑龍江 勃利154500)

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。

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)的干擾后若不加趾理，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：（1）過壓、欠壓、瞬時掉電；（2）浪涌、跌落；（3）尖峰電壓脈沖；（4）射頻干擾。

1.1 晶閘管換流設(shè)備對變頻器的干擾

當供電網(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。

1.2 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)。

其次，是變頻器自身對外部的干擾。變頻器的整流橋?qū)﹄娋W(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。

（1）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u1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%。

（2）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。

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，一般從抗和防兩方而人手來抑制干擾，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。

3.1 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。

3.2 在系統(tǒng)線路巾設(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)可沒置輸出濾波器；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：

1）輸入濾波器通常又有兩種：

（1）線路濾波器主要由電感線圈構(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。

（2）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。

2）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。

3.3 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。

3.4 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。

3.5 采用電抗器

在變頻3S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)串人電抗器是抑制較低諧波電流的有效方法。

3.6 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：

（1）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；

（2）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。

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。