變頻器干擾問題分析及對(duì)策

王偉超

（漯河技師學(xué)院，河南 漯河462000）

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的不斷發(fā)展，變頻器無(wú)可避免地普及在各個(gè)設(shè)備密集的廠房中，而其產(chǎn)生的電磁干擾已經(jīng)成為了工廠供電、自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)作等正常工作的阻礙。一旦在出現(xiàn)此類電磁干擾現(xiàn)象的時(shí)候沒有及時(shí)地加以防范控制，那么可能會(huì)出現(xiàn)設(shè)備動(dòng)作失誤，生產(chǎn)線運(yùn)行不暢等影響工廠正常運(yùn)轉(zhuǎn)的嚴(yán)重后果。因此，及時(shí)對(duì)變頻器產(chǎn)生電磁干擾的原理進(jìn)行分析，切實(shí)地解決這一安全隱患是現(xiàn)階段工業(yè)化生產(chǎn)刻不容緩的任務(wù)與責(zé)任。

1 變頻器的工作原理

1.1 變頻調(diào)速的構(gòu)成。變頻器的調(diào)速需要通過交流電的方向性和周期性才可實(shí)現(xiàn)，但我國(guó)的國(guó)家電網(wǎng)只能提供頻率為50 赫茲的交流電。因此，變頻器需要使用一整套裝置來實(shí)現(xiàn)交流電頻率的改變的全過程。目前可以見到的變頻器的構(gòu)成主要包括主電路和控制電路。主電路包括：整流器、平波回路和逆變器。整流器可將交流電變換為直流電，主要構(gòu)成組件為二極管。也可以使用晶體管來構(gòu)成一個(gè)使得電流可逆的轉(zhuǎn)換器。因其方向可發(fā)生改變，所以可以進(jìn)行再生轉(zhuǎn)運(yùn)，平波回路可吸逆變器當(dāng)中產(chǎn)生的脈沖干擾。

1.2 變頻調(diào)速的基本要求。其基本要求是以充分利用鐵心材料為基礎(chǔ)，同時(shí)需要電動(dòng)機(jī)在額定功率和額定電壓下工作時(shí)的氣息磁接近飽和。如果磁芯太大，電流就會(huì)迅速增加，電阻就會(huì)升溫，功率就會(huì)降低。如果繞阻發(fā)熱過于嚴(yán)重，可能會(huì)直接導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)發(fā)生損壞。因此，只有通過調(diào)整磁通量的方式，才能保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩相對(duì)不變。保證變頻調(diào)速基本合理是使變頻器正常工作的前提之一。

1.3 變頻器的分類。變頻器的分類主要包括以下幾種：可以按照變換頻率的方法、電壓的調(diào)節(jié)方式、控制方式、主開關(guān)部件以及輸入的電壓等級(jí)進(jìn)行分類。變換頻率的方法，主要分為直接變頻和間接變頻。直接變頻指可將工頻交流電直接轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可以控制的交流，間接變頻是指先將電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，然后再將直流電轉(zhuǎn)化為頻率可以進(jìn)行調(diào)節(jié)的交流電。間接變頻器是目前主要應(yīng)用于各種電器設(shè)備當(dāng)中，應(yīng)用領(lǐng)域和范圍相對(duì)廣泛。按照輸出電壓調(diào)節(jié)方式可分為：PAM輸出電壓調(diào)節(jié)方式變頻器和PWM輸出電壓調(diào)節(jié)方式變頻器。按控制方式可分為U/f控制方式和轉(zhuǎn)差率控制方式兩種。按主開關(guān)部件可分為：IGBT、GOT、BJT三種。按電壓分類，可分為低壓變頻器（220V 和380V）、中壓變頻器（660V和1140V）、高壓變頻器（3KV、6KV、6.6KV、10KV）。用于各種家用電器和工廠。

2 變頻器產(chǎn)生電磁干擾問題的原理

2.1 整流電路在工作時(shí)易產(chǎn)生諧波電流。整流器由于其自身系統(tǒng)當(dāng)中，電壓與電流不成線性關(guān)系的特殊性，導(dǎo)致整流器在運(yùn)行過程中易產(chǎn)生諧波電流。整流器產(chǎn)生的諧波電流會(huì)使供電系統(tǒng)的阻抗降低，從而降低電壓效應(yīng)。當(dāng)電壓降低時(shí)，電壓波形容易失真。這種扭曲的電壓會(huì)干擾許多電子設(shè)備。大部分電子元件的工作條件為正弦電壓，而電壓畸變會(huì)導(dǎo)致正弦電壓頂部變平，使得電子設(shè)備工作故障。在諧波電流相對(duì)固定的情況下，電源相對(duì)較弱時(shí)，電壓正弦圖的變形會(huì)更加嚴(yán)重。曾經(jīng)有報(bào)告顯示，部分船只產(chǎn)生電壓畸變的情況高達(dá)四分之一（這是由于船只的電源相對(duì)較弱導(dǎo)致的）。這種在同一電路網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的電壓畸形，無(wú)法通過控制變頻器距離的方式改善電磁干擾問題[1]。

2.2 電源輸入端的逆變電流易導(dǎo)致射頻干擾電流的產(chǎn)生。逆變電路作為高效通斷的開關(guān)電路，它以脈沖的形式從直流母線中吸取電流。雖然平滑電容可以提供這種脈沖電流的絕大部分，但仍會(huì)有部分反應(yīng)到交流母線上，這種模式稱為射頻干擾電流。除此之外，逆變電流本身也會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，這部分能量也會(huì)耦合到變頻器的輸入端（共模電流）。射頻電流可以在電力網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生射頻電壓，干擾同一電網(wǎng)中的其他設(shè)備。此外，RF 電流還會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，這也會(huì)干擾逆變器周圍的電子設(shè)備。這些電子設(shè)備即使不在同一個(gè)電網(wǎng)，也會(huì)造成干擾。區(qū)別電子設(shè)備是受到脈沖電流干擾還是電磁輻射的方法是:改變電子設(shè)備的位置來判斷是否受到干擾。如果位置變化仍受干擾，則為脈沖電流干擾；若改變位置后干擾減輕，則為電磁輻射干擾[2]。

2.3 變頻器的輸出電纜產(chǎn)生的電磁波輻射。變頻器輸出電纜上的電壓包括了豐富且復(fù)雜的高頻成分，這些高頻成分由于電纜線之間的間距問題會(huì)產(chǎn)生鄰近效應(yīng)。鄰近效應(yīng)又會(huì)導(dǎo)致電磁波輻射，產(chǎn)生輻射性感染。變頻器載波頻率的高低，電壓的高低，電纜的長(zhǎng)短等因素均可影響電磁波輻射的強(qiáng)度。載波頻率越低，輻射越弱，反之，輻射越強(qiáng)，電壓和電纜線亦是如此。判斷電子設(shè)備是否受到輻射干擾最顯著的依據(jù)是：電子設(shè)備受到干擾的嚴(yán)重程度會(huì)隨著距離的靠近而逐步遞增[3]。

3 減少變頻器干擾的意義

3.1 減少電磁輻射的影響。變頻器如果不是處在一個(gè)用金屬封閉的空間當(dāng)中，變頻器就會(huì)發(fā)射電磁輻射，電磁輻射會(huì)導(dǎo)致其他用電設(shè)備內(nèi)部電子元件運(yùn)行異常。轉(zhuǎn)換器的輻射強(qiáng)度取決于轉(zhuǎn)換器的電流強(qiáng)度、干擾源的輻射阻抗和干擾源的發(fā)射頻率。另外，假如變頻器的外部密封不嚴(yán)可能會(huì)加大電磁輻射。當(dāng)孔洞和縫隙的頻率與變頻器電磁干擾頻率相近時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生多次干擾。

3.2 減少變頻器干擾的傳導(dǎo)路徑。除電磁干擾外，混頻器還可通過電路網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生外部干擾，或通過電網(wǎng)產(chǎn)生外部干擾。較為常見的例子是：部分民用網(wǎng)絡(luò)的電器會(huì)有時(shí)受到距離很遠(yuǎn)的工業(yè)變頻器的影響。部分位于低壓工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的變頻器產(chǎn)生的干擾信號(hào)，可以通過電網(wǎng)傳輸至中級(jí)電壓網(wǎng)絡(luò)中。接著，經(jīng)過電網(wǎng)傳輸，該干擾可沿電網(wǎng)進(jìn)入其他民用電網(wǎng)的配電變壓器當(dāng)中，最終影響位于民用低壓網(wǎng)絡(luò)的用電器。為了解決這個(gè)問題，我們可以通過減小外置混頻器的干擾來減小干擾。通過這種方法，可以減少混頻器對(duì)同一電網(wǎng)中電氣設(shè)備的影響，減少設(shè)備故障的發(fā)生。

3.3 減少噪音產(chǎn)生和設(shè)備損耗。變頻器的輸入端由于電磁干擾和變頻器自身運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)功能的影響，會(huì)有電磁噪聲放出。諧波會(huì)使變壓器內(nèi)部的機(jī)械電子元件產(chǎn)生有規(guī)律且頻率較高的震動(dòng)，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致電子元件過熱、使用時(shí)間大幅縮短甚至損壞。諧波還會(huì)滋擾電子裝備內(nèi)部軟件和硬件的運(yùn)行，增添裝備的消耗。另外，諧波的產(chǎn)生也可能使得部分電子儀表出現(xiàn)失靈的現(xiàn)象。

4 抗電磁干擾的相應(yīng)對(duì)策

4.1 隔離干擾。電磁擾亂的產(chǎn)生主要包括干擾源和易受干擾的部分，因此斷絕干擾途徑主要通過阻斷這兩部分來達(dá)到屏蔽效果。屏蔽干擾源是隔離干擾的有效方法。通常變頻器外周是由鐵殼覆蓋，可以很好的阻斷電磁干擾的外傳。鐵殼的要求盡量是以密封較好的鐵殼為主，留有縫隙和孔洞的鐵殼可能會(huì)導(dǎo)致電磁干擾被放大。

4.2 合理布局電線的排布。通過實(shí)際的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，部分屏蔽器周圍的電線排布和電線連接并不理想。首先，可以改進(jìn)混頻器地線的連接。合理安裝接地線可以改善外界環(huán)境對(duì)轉(zhuǎn)爐的干擾，減少轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的電磁干擾。應(yīng)該做兩件事：轉(zhuǎn)換器主電路的終端需要接地。電線的合理排布可包括：設(shè)備的電源線應(yīng)當(dāng)適當(dāng)遠(yuǎn)離產(chǎn)品線的輸入線；其他設(shè)備的電源線與輸入線應(yīng)當(dāng)盡量避免與屏蔽器的線路平行排布（否則易導(dǎo)致產(chǎn)生電流場(chǎng)互相影響）。合理的排線布局可以有效地減少干擾的發(fā)生。

4.3 安裝電磁干擾濾波器。過濾器主要是通過集成電磁輻射來減少混頻器對(duì)其他電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾。變頻器如果要滿足相應(yīng)生產(chǎn)安裝要求，必須要安裝相關(guān)的電磁干擾濾波器對(duì)干擾進(jìn)行屏蔽，因此在安裝不同變頻器的濾波器時(shí)需要進(jìn)行配對(duì)。更常用的濾波器包括數(shù)字濾波器，可編程濾波器，無(wú)源濾波器和有源濾波器。數(shù)字濾波器主要是通過將從外部進(jìn)行信號(hào)輸出，對(duì)變頻器的干擾進(jìn)行整合從而降低干擾的產(chǎn)生。

5 結(jié)論

隨著自動(dòng)化工業(yè)的蓬勃發(fā)展，變頻器的使用自然也日漸普及，繼而出現(xiàn)的一系列電磁干擾問題自然也需要通過各種手段去及時(shí)處理、解決。通過充分了解到的變頻器工作原理，便能夠準(zhǔn)確地掌握解決變頻器對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)的嚴(yán)重影響的方式方法。于是，隔離干擾、合理布局電線的排布以及安裝電磁干擾濾波器便成為了能夠解決電磁干擾問題應(yīng)當(dāng)首要抓住的角度，這是更從改變變頻器自身以及補(bǔ)救措施兩個(gè)角度延伸出來的技術(shù)。