變頻調(diào)速系統(tǒng)電磁兼容研究

陳 灝

(武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

變頻調(diào)速系統(tǒng)電磁兼容研究

陳 灝

(武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

針對變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)外部各種電磁干擾現(xiàn)象，從變頻調(diào)速系統(tǒng)工作原理著手，通過對變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路和控制電路的分析，闡明變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾的原因。根據(jù)變頻調(diào)速系統(tǒng)的電磁干擾耦合途徑，提出相應(yīng)的電磁干擾抑制策略。實測結(jié)果證明，變頻調(diào)速系統(tǒng)采用屏蔽、濾波、隔離、接地等措施，可有效抑制電磁干擾，從根本上解決了變頻調(diào)速系統(tǒng)的電磁兼容問題。

變頻調(diào)速 電磁兼容 電磁干擾 VVVF調(diào)速 變頻器 脈寬調(diào)制(PWM)

Frequency converter Pulse width modulation(PWM)

0 引言

隨著微電子學(xué)、電力電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制理論等的不斷發(fā)展，變頻技術(shù)在交通運(yùn)輸、石油、家用電器、軍事等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。其中變頻調(diào)速技術(shù)是最常見的應(yīng)用，可實際產(chǎn)生巨大的節(jié)能效果，大大提高自動化程度。但由于變頻調(diào)速系統(tǒng)大多采用了微處理器、智能功率模塊等電磁敏感器件，對電機(jī)易形成干擾而使其產(chǎn)生誤動作；另外，變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸入電源包含豐富的諧波成分，而系統(tǒng)輸出的電流亦非標(biāo)準(zhǔn)正弦波，同樣含有許多高次諧波，這些諧波將以空中輻射、線路傳導(dǎo)等方式向外傳播，對周圍的電子、電氣設(shè)備形成干擾。為確保變頻調(diào)速系統(tǒng)正常工作，同時又能滿足電力部門對功率因數(shù)的有關(guān)要求，必須解決好變頻調(diào)速系統(tǒng)的電磁兼容問題。

1 主要電磁干擾源

所謂變頻調(diào)速，就是通過改變電動機(jī)定子繞組電源頻率來調(diào)節(jié)電機(jī)速度，為了維持電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變，在改變電源頻率的同時需要調(diào)節(jié)定子的供電電壓。因此，這種變頻調(diào)速也稱為變壓變頻(variable voltage and variable frequency,VVVF)調(diào)速，它是交流異步電動機(jī)調(diào)速方式中應(yīng)用較為廣泛的一種。典型的電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)主要由變頻裝置、交流異步電動機(jī)和控制電路等組成。在實際應(yīng)用中，系統(tǒng)主電路通常由變頻器和外接配件(低壓斷路器、接觸器、電抗器、濾波器等)構(gòu)成。其中，變頻器一般采用交-直-交型，其主回路由整流器、DC環(huán)節(jié)、逆變器組成，它是將工頻交流電通過整流電路變成直流電，再經(jīng)過逆變電路變成交流電供給電機(jī)[1]。

由于變頻器中的整流電路一般由晶閘管或二極管等大功率開關(guān)器件構(gòu)成，開關(guān)管從導(dǎo)通到關(guān)斷過程會產(chǎn)生瞬時反向過電壓，其值可達(dá)工作電壓峰值的5～6倍，會給周圍電子設(shè)備造成額外干擾。另外，一般變頻器中的逆變電路大多采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，其中關(guān)鍵的開關(guān)器件廣泛選用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，當(dāng)IGBT關(guān)斷時會產(chǎn)生瞬時浪涌電壓；而當(dāng)電動機(jī)啟動時，在 IGBT導(dǎo)通瞬間可能產(chǎn)生電壓和電流抖動，引起誤動作，導(dǎo)致逆變電路中橋臂短路、輸出短路等事故。其次，交流電網(wǎng)中的各種諧波成分也會通過變頻調(diào)速系統(tǒng)的電源線串入變頻器，產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾[2]。

根據(jù)變頻器的工作原理可知，變頻器輸出的是非標(biāo)準(zhǔn)正弦波，當(dāng)其基波電壓施加到非線性負(fù)載(如電動機(jī))上時，負(fù)載的電流波形會發(fā)生畸變，這種畸變電流可以通過電源線流入到電網(wǎng)中，成為電力系統(tǒng)中的諧波干擾。

變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制電路是為主電路提供通斷控制信號的電路，其主要任務(wù)是完成對逆變器開關(guān)器件的開關(guān)控制，并提供保護(hù)功能[3]。變頻器的控制信號通常是微弱的電壓、電流信號，因而與主電路不同，控制電路里干擾信號主要是通過傳輸導(dǎo)線的耦合傳播。

2 變頻調(diào)速系統(tǒng)的電磁干擾耦合途徑

由上述VVVF調(diào)速系統(tǒng)原理可知：一般變頻調(diào)速系統(tǒng)的干擾主要是由主電路產(chǎn)生的，即由變頻器的輸入電路、制動電路以及變頻器的輸出電路產(chǎn)生，其電磁干擾方式通常有輻射干擾和傳導(dǎo)干擾等形式。

2.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)的輻射干擾

所謂輻射干擾就是指電磁噪聲的能量以電磁場能量的形式，通過空間輻射傳播，耦合至被干擾設(shè)備(電路)。它是高次諧波分量的主要傳播方式。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，變頻器中的逆變電路可以通過空間向外輻射電磁波，產(chǎn)生輻射干擾。反之，變頻調(diào)速系統(tǒng)外部的輻射能量也會耦合進(jìn)系統(tǒng)，干擾系統(tǒng)的正常工作。

2.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾

所謂傳導(dǎo)干擾是指電磁噪聲的能量在電路中以電壓或電流的形式，通過金屬導(dǎo)線或其他元件(如電容器、電感器、變壓器等)耦合至被干擾設(shè)備(電路)。傳導(dǎo)干擾的連接電路包括互連導(dǎo)線、電源、信號線、接地導(dǎo)體、設(shè)備的導(dǎo)電構(gòu)件、公共阻抗、電路元器件等。

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，干擾信號除了通過導(dǎo)線發(fā)射外，還可以通過公共阻抗或公共地線耦合，是變頻調(diào)速系統(tǒng)電磁干擾的主要傳播方式。

2.3 變頻調(diào)速系統(tǒng)的干擾耦合途徑

傳導(dǎo)干擾和輻射干擾是變頻調(diào)速系統(tǒng)電磁干擾的主要傳播方式，通常變頻調(diào)速系統(tǒng)電磁干擾耦合途徑如圖2所示[4]。

圖2 電磁干擾耦合途徑

首先，電網(wǎng)與變頻器之間是通過電源線連接的，變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的各種諧波會通過電源線的傳導(dǎo)進(jìn)入電網(wǎng)；而變頻器輸出側(cè)的諧波則通過導(dǎo)線干擾電機(jī)，使電機(jī)產(chǎn)生附加損耗。同時變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部相鄰導(dǎo)線也會通過感應(yīng)電壓、電流的方式耦合后相互干擾。此外，變頻器產(chǎn)生的高次諧波向外傳播時，會形成輻射干擾。同理，變頻調(diào)速系統(tǒng)外部的電磁信號，反之亦會干擾變頻調(diào)速系統(tǒng)。

3 抑制策略

電磁干擾(EMI)是一種電子系統(tǒng)或分系統(tǒng)受非預(yù)期的電磁擾動造成的性能損害。電磁兼容(EMC)是設(shè)備或系統(tǒng)在某種電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成干擾的能力。根據(jù)電磁干擾機(jī)理可知，要實現(xiàn)產(chǎn)品的電磁兼容，必須從以下三方面著手：對干擾源采取抑制策略，針對干擾耦合途徑常用阻止隔斷法，而對電磁較敏感的設(shè)備則需提高其抗干擾能力。工程上具體可采用屏蔽、濾波、隔離、接地等措施[5]。

3.1 采用隔離措施

所謂隔離就是使兩個電路在電氣上無直接聯(lián)系，即要求兩電路間相互絕緣的同時還能維持能量傳遞的關(guān)系。在VVVF調(diào)速系統(tǒng)中，控制電路產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)光電隔離、放大后驅(qū)動逆變電路，避免了高頻信號干擾。

例如，某變頻恒壓控制系統(tǒng)，正常運(yùn)行時壓力計的反饋值不準(zhǔn)且不穩(wěn)，實際壓力有時還未達(dá)到設(shè)定值上限而反饋值卻達(dá)到上限，結(jié)果變頻器停止運(yùn)行，無法實現(xiàn)恒壓目的。顯然，這是壓力計受到變頻器內(nèi)部高次諧波干擾的結(jié)果。解決辦法：一方面用獨(dú)立變壓器給恒壓計電源供電；另一方面，用屏蔽線代替普通信號線，最好穿入鋼管后再敷設(shè)，并要求屏蔽層可靠接地。經(jīng)測試，系統(tǒng)內(nèi)諧波干擾基本被抑制，恒壓計工作正常，恒壓得以實現(xiàn)[6]。

3.2 采用濾波技術(shù)

所謂濾波就是從有用信號中濾除被噪聲污染的信號。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，為了削弱電網(wǎng)中的諧波分量，可在變頻器輸入側(cè)安裝輸入濾波器[7]。

例如，在VVVF調(diào)速系統(tǒng)電源的輸入端采用EMI濾波電路，能有效抑制電網(wǎng)中的諧波成分，具體交流輸入濾波電路如圖3所示。

圖3 交流輸入濾波電路

此外，在變頻器的輸出端加裝輸出濾波器，能有效削弱輸出電流中的高次諧波，使變頻器輸出的電流接近正弦波[7]。

3.3 采用屏蔽技術(shù)

屏蔽技術(shù)是利用屏蔽體阻擋或減小電磁能量在空間傳播的一種技術(shù)，是減小電磁輻射和防止電磁騷擾的最基本、最重要的手段。屏蔽的目的是既要限制設(shè)備內(nèi)部的電磁能量外泄，同時又要防止設(shè)備外部電磁輻射的侵入[8]。

變頻器通常要求安裝在金屬殼體里，目的就是為了防止電磁泄漏。連接電纜最好穿過鋼管，或使用屏蔽線纜，并要求盡可能短。為了使屏蔽有效，屏蔽體必須可靠接地。

例如，某變頻控制系統(tǒng)由兩臺型號完全相同的變頻器構(gòu)成，且變頻器裝在同一控制柜內(nèi)。其中任一臺變頻器獨(dú)自運(yùn)行時，系統(tǒng)能正常工作；但是，同時運(yùn)行兩臺變頻器時，系統(tǒng)原設(shè)定的頻率有時發(fā)生漂移，甚至出現(xiàn)停機(jī)現(xiàn)象。這顯然是由于變頻器之間相互干擾引起的。解決辦法：將手調(diào)式電位器連接各自變頻器的引線改用屏蔽信號線且屏蔽層可靠接地；同時將變頻器連接電動機(jī)的導(dǎo)線改成屏蔽電纜，電動機(jī)的地線與變頻器的地( PE)相連。經(jīng)過這樣處理后，干擾基本被消除，系統(tǒng)能正常運(yùn)行[9]。

3.4 采用接地技術(shù)

所謂接地，是指設(shè)備或者系統(tǒng)與“大地”相連。這里所說的大地可以看成一個理想的零電位體；廣義上講，接地并非指一定要與大地直接相連，而是將設(shè)備、系統(tǒng)連接到一個公共參考點(diǎn)或參考面上。接地一般可分安全接地、干擾控制接地以及功能接地等[5]。其中，干擾控制接地是抑制干擾的重要手段，良好的接地可大幅度抑制內(nèi)部噪聲的耦合，防止外部干擾的入侵。通常變頻器接地有單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地及混合接地等形式，當(dāng)變頻器和其他設(shè)備一起接地時，應(yīng)各自單獨(dú)接地。

例如，一般變頻空調(diào)不可避免地用到繼電器、四通閥、風(fēng)扇電機(jī)、壓縮機(jī)等電氣零部件，如果系統(tǒng)全部采用多點(diǎn)接地，則仍然存在干擾問題。但如果采用主控電路板單點(diǎn)接地，系統(tǒng)內(nèi)強(qiáng)電器件用多點(diǎn)接地形式，這樣處理后、經(jīng)干擾實驗測量，整個變頻空調(diào)系統(tǒng)電磁干擾現(xiàn)象得到了明顯改善[10]。

3.5 合理布線

變頻器的控制電線與主回路電線或其他電力電線需分開鋪設(shè)，相隔距離取決于電氣設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所確定的距離。若電線不能分開鋪設(shè)或者分開鋪設(shè)也不會有抗干擾效果時，應(yīng)進(jìn)行有效屏蔽。電線的屏蔽利用已接地的金屬管，或者穿在金屬管內(nèi)和帶屏蔽的電線上[3]。

系統(tǒng)布局時，要求變頻器輸出線與電源進(jìn)線分開鋪設(shè)，信號線要盡可能短。弱電壓、電流回路所用電線、特別是長距離的控制回路電線采用絞合線，而且全長都使用帶屏蔽的鎧裝線，絞合線的絞合間距盡可能小。

例如，某熱電廠的風(fēng)機(jī)采用變頻器控制后，節(jié)能效果雖然明顯，但在運(yùn)行中風(fēng)機(jī)變頻器產(chǎn)生的諧波對附近熱工儀表造成干擾，使儀表指示值偏大。如當(dāng)1號爐風(fēng)機(jī)變頻器運(yùn)行時，2號爐中蒸汽流量、水位、壓力等儀表指示值出現(xiàn)最大值；當(dāng)1號爐風(fēng)機(jī)變頻器停止運(yùn)行時，2號爐中蒸汽流量、水位、壓力值均顯示為零。經(jīng)分析得知，該廠風(fēng)機(jī)變頻器采用遠(yuǎn)程監(jiān)控方式，控制線較長，并與儀表二次線在同一橋架里平行布線，長度達(dá)百米以上，且兩線間距很小，因而造成輻射干擾[9]。解決措施主要有以下3種方法。① 將變頻器的控制線與熱工儀表的二次線換成屏蔽線，把橋架中兩導(dǎo)線間平行部分用鐵板隔開，屏蔽線的屏蔽層良好接地。② 將變頻器控制柜電源進(jìn)線端套上金屬管，并做好金屬管外殼的良好接地。 ③ 盡量縮短傳感器的連接導(dǎo)線，不要把過長的連接線盤成圈狀放在變頻器控制柜里。經(jīng)過一系列處理后，系統(tǒng)內(nèi)干擾基本被消除，各種熱工儀表均顯示正常。

4 變頻調(diào)速系統(tǒng)的具體抗干擾措施

綜上所述，變頻調(diào)速系統(tǒng)的抗干擾措施設(shè)計方案如圖4所示，具體措施可以根據(jù)系統(tǒng)的抗干擾要求來合理選擇。

圖4 抗干擾措施設(shè)計方案

變頻器一般要求安裝在金屬殼體里面，既能防止變頻器向外界輻射電磁能量，又能屏蔽外界電磁波的入侵。

在變頻器前面安裝輸入濾波器，可減少傳導(dǎo)干擾，抑制諧波成分。當(dāng)電源容量比變頻器容量大10倍以上時，可在變頻器輸入端加裝交流電抗器，或者在變頻器直流側(cè)加裝直流電抗器。這樣既可限制輸入電流的變化率，又能削弱三相電源電壓不平衡的影響，對整流電路還會起到保護(hù)作用，并提高整個系統(tǒng)的功率因數(shù)[3。 若系統(tǒng)內(nèi)部連接電纜不能分開鋪設(shè)，則應(yīng)進(jìn)行屏蔽處理，要求電纜屏蔽層必須可靠接地；此外，連接地線時應(yīng)注意變頻器單獨(dú)接地。

為了切斷電源與放大器等電路之間的傳導(dǎo)干擾，可采用變壓器隔離的辦法。

5 結(jié)束語

綜上所述，經(jīng)實踐證明：在變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸入和輸出電路中接入合適的濾波器、電抗器，可有效地抑制電磁干擾；在控制電路和逆變電路之間采用光電隔離措施，可避免高頻信號干擾；在變頻器和其他設(shè)備之間安裝隔離變壓器，可切斷諧波電流；采用屏蔽信號線則可切斷輻射干擾；此外，采取合理布線以及使用專用地線能有效抑制各種諧波的干擾。總之，在實際工程中，通過屏蔽、濾波、隔離、接地等系列措施處理，能從根本上解決變頻調(diào)速系統(tǒng)的電磁兼容問題。

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Study on the Electromagnetic Compatibility of Variable Frequency Speed Control System

Aiming at all kinds of electromagnetic interference (EMI) phenomenon internal or external of variable frequency speed control system, starting from the working principle of the variable frequency speed control system，by means of the analysis of the main circuit and control circuit of variable frequency speed control system, the reasons of generating EMI are expounded. In accordance with the coupling path of electromagnetic interference of variable frequency speed control system, corresponding suppression strategies are put forward. The result of practical tests shows that shielding, filtering, isolating and grounding measures can inhibit EMI for variable frequency speed control system, thus the electromagnetic compatibility of variable frequency speed control system can be solved fundamentally.

Variable frequency speed control Electromagnetic compatibility Electromagnetic interference VVVF speed control

TH81; TU83

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509014

修改稿收到日期：2015-03-09。

作者陳灝(1968-)，男，1992年畢業(yè)于電子科技大學(xué)電子精密機(jī)械專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，高級工程師、副教授；主要從事電工電子技術(shù)、變頻技術(shù)的教學(xué)與研究。