電氣設(shè)備變頻器的干擾成因和解決對(duì)策

張 宏

（大慶鉆探工程公司鉆井四公司，吉林松原 138000）

0 引言

面對(duì)電氣設(shè)備集成化的整體趨勢(shì)，變頻器運(yùn)行過(guò)程中受到電磁干擾的概率越來(lái)越高，要想保證變頻器的運(yùn)行可靠性，避免與電氣設(shè)備互相干擾，必須準(zhǔn)確根據(jù)變頻器電磁干擾問(wèn)題的實(shí)際情況，對(duì)變頻器受到干擾的具體原因做出準(zhǔn)確判斷，同時(shí)采取針對(duì)性的防范策略。因此，對(duì)于變頻器電磁干擾成因分析與解決策略的研究十分必要。

1 變頻器工作原理

變頻器作為以改變電機(jī)工作電源頻率方式、實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制為主要功能的交流電機(jī)控制設(shè)備，通常是由整流器、濾波器、逆變器、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單位元等部分構(gòu)成[1]。從運(yùn)行原理分析，逆變器可以分為逆變與U/f 控制兩部分，其中逆變是指將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，根據(jù)變頻器中采用的直流原件不同，可具體劃分為電壓型逆變與電流型逆變兩種。電壓型逆變通常為串聯(lián)負(fù)載供電，被稱為串聯(lián)諧振逆變器，變頻器運(yùn)行過(guò)程中逆變器與電機(jī)直接相連，將電壓的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡⒁噪娙葑鳛橹绷骰芈返臑V波；電流型逆變器通常為并聯(lián)負(fù)載供電，被稱為并聯(lián)諧振逆變器，能夠?qū)㈦娫吹闹绷麟娹D(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姟６鳸/f 控制則是主要是對(duì)電源頻率進(jìn)行調(diào)控，并借此改變電機(jī)的輸出電壓，解決運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的功率、效率不穩(wěn)定問(wèn)題。在變頻器與電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)輸入到變頻器中的電流會(huì)首先經(jīng)過(guò)整流電路與平波，由整流器將交流電轉(zhuǎn)換為電壓平滑的直流電，之后再經(jīng)過(guò)逆變電路，由逆變器將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}寬調(diào)制電壓，并借助不同寬度的脈沖電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，使電機(jī)力矩、速度能夠具有可調(diào)節(jié)性。

2 變頻器電磁干擾成因

2.1 諧波干擾

變頻器的電磁干擾問(wèn)題與其運(yùn)行原理直接相關(guān)，而諧波干擾作為電干擾問(wèn)題中的一種，其成因主要集中在整流電路領(lǐng)域。在變頻器運(yùn)行過(guò)程中，整流器雖然能夠?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電，但整流電路卻不可避免地產(chǎn)生諧波電流，如果不能對(duì)這種諧波電流進(jìn)行有效處理，那么供電系統(tǒng)阻抗上就會(huì)出現(xiàn)電壓降，使電壓波形發(fā)生正弦波頂部變平等畸變，而電壓波形畸變則會(huì)使同電網(wǎng)內(nèi)電氣設(shè)備的運(yùn)行受到干擾，出現(xiàn)誤動(dòng)作等問(wèn)題。需要注意的是，由于諧波干擾是變頻器在對(duì)供電系統(tǒng)產(chǎn)生影響后，再間接影響到同電網(wǎng)內(nèi)的電氣設(shè)備，因此其對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行的干擾與設(shè)備、變頻器間的距離無(wú)關(guān)，只要電氣設(shè)備與變頻器處于同一個(gè)電網(wǎng)，就都會(huì)受到不同程度的影響[2]。

2.2 射頻傳導(dǎo)干擾

在脈沖狀負(fù)載電壓的影響下，進(jìn)入變頻器中的電網(wǎng)電流通常呈現(xiàn)出脈沖狀，同時(shí)含有較多的高頻成分，這種高頻成分的電流傳輸至整個(gè)電網(wǎng)后，與變頻器處于同一電網(wǎng)下的各類電氣設(shè)備也會(huì)受到射頻干擾。

2.3 射頻輻射干擾

射頻輻射干擾與射頻傳導(dǎo)干擾均屬于射頻干擾中的一種，但其干擾原因與過(guò)程卻完全不同，并非是因電網(wǎng)輸入的含有高頻成分電流所導(dǎo)致，而是集中在變頻器的輸入、輸出電纜方面。在變頻器運(yùn)行過(guò)程中，由于其輸入、輸出電流本身與天線比較類似，電纜傳輸?shù)拿}沖調(diào)制電壓同樣含有很多高頻成分，因此電纜傳輸脈沖調(diào)制電壓時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生一定的電磁波輻射，并干擾周邊電磁設(shè)備。不同于其他干擾問(wèn)題的是，導(dǎo)致射頻輻射干擾的電磁波源于電纜，其干擾影響往往與電氣設(shè)備、變頻器間的距離直接相關(guān)，設(shè)備距離變頻器越近、受到的干擾越嚴(yán)重[3]。

3 變頻器電磁干擾解決對(duì)策

3.1 正確接地

目前變頻器電磁干擾問(wèn)題的解決措施雖然有很多，但其中最為關(guān)鍵的仍然是變頻器的正確接地，正確接地不僅能夠降低變頻器對(duì)外部電氣設(shè)備干擾，同時(shí)還能有效抑制來(lái)自于電氣設(shè)備的外部干擾，保證變頻器可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)電磁干擾的預(yù)防效果十分突出。具體措施：變頻器接地時(shí)需要與其他設(shè)備分開(kāi)，選擇與其他弱電設(shè)備保持一定距離的合適位置作為接地點(diǎn)，并單獨(dú)打地極，待確定接地位置并打好地極后再按規(guī)定選擇合適的接地導(dǎo)線。接地導(dǎo)線的選擇標(biāo)準(zhǔn)通常是根據(jù)實(shí)際情況而定，但導(dǎo)線截面積與長(zhǎng)度應(yīng)分別控制在4 mm2與20 m 以上，接地PE或E、G 的接地電阻則必須控制在4 Ω 以下，并在與外殼連接后接地[4]。另外，為降低電氣設(shè)備所可能受到的干擾，同樣還需將其他機(jī)電設(shè)備保護(hù)接地、工作接地以及控制信號(hào)、主電路導(dǎo)線屏蔽分開(kāi)接地，在設(shè)置單獨(dú)接地極后統(tǒng)一匯入配電柜電氣接地點(diǎn)。

3.2 合理布線

在對(duì)變頻器電磁干擾的預(yù)防中，變頻器輸入、輸出線的合理布設(shè)十分重要。具體措施：線路布設(shè)時(shí)首先應(yīng)將變頻器輸入、輸出線與其他設(shè)備的線路明確區(qū)分開(kāi)來(lái)，并在走線設(shè)計(jì)階段盡可能拉開(kāi)變頻器線路與其他電氣設(shè)備線路間的距離，盡可能降低因線路交叉等情況導(dǎo)致的電磁干擾。例如某公司水泵節(jié)能改造項(xiàng)目中，安裝后調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)2000 kW 功率變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，出現(xiàn)壓力傳感器信號(hào)受干擾、車間變壓器裝置誤動(dòng)作等異?，F(xiàn)象，且時(shí)常會(huì)導(dǎo)致傳感器測(cè)量值偏差、閥門(mén)因壓力過(guò)高（誤判斷）而自動(dòng)關(guān)閉、誤動(dòng)跳閘、誤報(bào)警等問(wèn)題。經(jīng)全面檢查后發(fā)現(xiàn)，變頻器運(yùn)行與關(guān)閉時(shí)，壓力傳感器的記錄曲線變化較大，說(shuō)明傳感器在變頻器運(yùn)行過(guò)程中感應(yīng)到了較強(qiáng)的干擾信號(hào)，同時(shí)變頻器線路的布設(shè)比較混亂，判斷其故障原因?yàn)樽冾l器功率較大，且控制線與動(dòng)力線距離過(guò)近。對(duì)此，決定對(duì)變頻器所有控制線、動(dòng)力線采用電纜架橋敷設(shè)，并套上鍍鋅鋼管，將動(dòng)力線與控制線間的距離拉開(kāi)，最終將電磁干擾完全排除。另外，還要注意對(duì)變頻器線路與周邊其他電氣設(shè)備線路走向進(jìn)行調(diào)整，盡可能避免電氣設(shè)備信號(hào)線、電源線與變頻器線路平行，如同一區(qū)域內(nèi)采用了多臺(tái)變頻器設(shè)備，則需要保證每臺(tái)變頻器單獨(dú)與接地線連接，不可將多個(gè)變頻器的接地端相連，對(duì)于安裝過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)接地線的情況，應(yīng)將變頻器接地端懸空，以免出現(xiàn)接地端與零線相連的情況，造成不必要的強(qiáng)干擾。

3.3 載波頻率調(diào)節(jié)

在變頻器全部安裝完畢并投入運(yùn)行后，由于變頻器電磁干擾問(wèn)題與其載波頻率有一定的關(guān)系，如發(fā)現(xiàn)電磁干擾問(wèn)題，可以先利用變頻器載波頻率可調(diào)節(jié)的性能特點(diǎn)，在人機(jī)交互界面上將設(shè)備載波頻率調(diào)至相對(duì)較低的范圍，之后觀察電氣設(shè)備與變頻器的運(yùn)行情況。這種方法有時(shí)能夠解決電磁干擾問(wèn)題，但應(yīng)用效果并不穩(wěn)定，如調(diào)低載波頻率后電磁干擾問(wèn)題仍未得到緩解，還需應(yīng)用其他方法。

3.4 干擾源屏蔽

在預(yù)防變頻器電磁干擾時(shí)，由于部分電磁干擾的強(qiáng)度與變頻器、電氣設(shè)備間的距離相關(guān)，因此為避免此類電磁干擾問(wèn)題的發(fā)生，采取干擾源屏蔽措施，將干擾源與外界隔離，以降低或消除其干擾影響。例如某工廠電機(jī)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)無(wú)法正常關(guān)停的情況，且故障檢查時(shí)確定屏蔽層接地正確、良好，調(diào)節(jié)載波頻率后異常情況并未得到改善，后經(jīng)全面檢查發(fā)現(xiàn)，異常情況是由安裝變頻器的配電柜與配電室距離過(guò)近導(dǎo)致，配電室有大電流流過(guò)后，形成較強(qiáng)的磁場(chǎng)，使變頻器有時(shí)無(wú)法有效接收關(guān)停信號(hào)。由于配電柜缺少合適的轉(zhuǎn)移位置，很難將配電室與配電柜間的距離拉開(kāi)，為此，決定在變頻器外部安裝專門(mén)的鐵殼作為干擾屏蔽裝置，同時(shí)用鋼管將變頻器線路與外界隔絕，并加裝DFC 抗干擾磁環(huán)，用以屏蔽配電室內(nèi)磁場(chǎng)形成的干擾源，最終使變頻器恢復(fù)至可以正常啟閉、運(yùn)行狀態(tài)[5]。

3.5 電源線隔離

除設(shè)備與線路外部的干擾源屏蔽外，還可以通過(guò)電源線隔離的方式，將干擾源與易受干擾電氣設(shè)備的線路分割開(kāi)來(lái)，避免其發(fā)生電的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳導(dǎo)干擾的有效預(yù)防。例如對(duì)電源、控制器、變送器等放大器電路之間的電源線，可以安裝專用的噪聲隔離變壓器，將幾個(gè)裝置的電源線有效隔離。

3.6 濾波器設(shè)置

在變頻器設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，由于變頻器通常以電源線為通道，將干擾信號(hào)傳輸至電源、電機(jī)，使運(yùn)行受到干擾，因此為實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器電磁干擾的有效預(yù)防，通常將不同類型的濾波器分別安裝變頻器的輸入與輸出側(cè)，以抑制干擾信號(hào)從電源線的傳輸。例如在變頻器輸入側(cè)，如輸入線路與變送器、控制器等敏感電子設(shè)備相連接，應(yīng)選擇合適的位置安裝線路濾波器或輻射濾波器（具體位置根據(jù)濾波器類型而定），通過(guò)增大線路高頻下阻抗、吸收高頻率諧波等方式來(lái)抑制干擾信號(hào)。而在變頻器的輸出側(cè)，則可以安裝專門(mén)的輸出濾波器，以削弱電流中的高諧波成分、降低電機(jī)附加轉(zhuǎn)矩。以某車間的變頻器安裝施工為例：該車間共安裝了8 臺(tái)較低功率變頻器以及1 臺(tái)較高功率變頻器，且將高功率變頻器與另一臺(tái)低功率變頻器共同安裝在1 臺(tái)1000 kV·A 車間變壓器供電的380 V 母線上，變頻器調(diào)速由PLC 控制，安裝調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)所有低功率變頻器均可正常運(yùn)行，但高功率變頻器運(yùn)行時(shí)，周邊電氣設(shè)備卻頻繁出現(xiàn)誤動(dòng)作等情況，受電磁干擾較為嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)全面檢查與故障分析后發(fā)現(xiàn)，高功率變頻器與低功率變頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在一定差異，低功率變頻器輸入端有內(nèi)置的RFI 濾波器，高功率變頻器輸入端沒(méi)有內(nèi)置濾波器，因此電磁干擾問(wèn)題僅出現(xiàn)在高功率變頻器運(yùn)行時(shí)。對(duì)此，在2000 kW變頻器輸入端增設(shè)1 臺(tái)變頻器專用FT330-400 型輸入濾波器后，周邊電氣設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行。

3.7 電抗器運(yùn)用

在變頻器運(yùn)行過(guò)程中，由于其輸入電流中的很大一部分均為5 次、7 次諧波等低頻諧波成分，不僅會(huì)消耗大量無(wú)功功率，降低輸入線路功率，同時(shí)還會(huì)使電氣設(shè)備的運(yùn)行受到干擾，因此保證電氣設(shè)備與變頻器的有效運(yùn)行，解決電磁干擾問(wèn)題，還需要將電抗器串入變頻器輸入電路，抑制輸入電流中的低諧波電流。具體措施：可以根據(jù)電抗器接線位置的不同，將其分為交流電抗器與直流電抗器兩種。一般來(lái)說(shuō)，如變頻器對(duì)于功率方面要求較高，或存在周圍空間相對(duì)狹小等問(wèn)題，可選擇在整流橋與濾波電容器之間安裝體積較小的直流電抗器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的最大化提升（直流電抗器通?？蓪⒐β侍嵘?.95）。如需解決浪涌電流問(wèn)題或整流器的電源、電壓?jiǎn)栴}，則可以在電源與變頻器輸入側(cè)之間，以發(fā)揮其削弱浪涌電流沖擊、抑制諧波電流、提升電流、電壓平衡性等功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

變頻器與電氣設(shè)備互相干擾的問(wèn)題雖然比較復(fù)雜，但在變頻器的實(shí)際應(yīng)用中，只要了解變頻器運(yùn)行原理及各類型干擾的成因，并根據(jù)實(shí)際情況正確運(yùn)用正確接地、合理布線、干擾源屏蔽、電抗器運(yùn)用等抗干擾措施，干擾問(wèn)題仍然能夠得到有效解決，使變頻器與電氣設(shè)備的正常運(yùn)行得到保障。