变频器应用中的干扰及抑制措施

　　摘要：变频器自上世纪80年代被引进中国以来，其作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备，在工业生产中的应用越来越广泛，但是其运行时产生的高次谐波也会干扰周围设备的运行。本文介绍了变频器应用系统中干扰产生的来源及其传播途径，提出了抗干扰的抑制措施。
　　关键词：变频器干扰抑制
　　1、变频调速系统的主要电磁干扰源及途径
　　1.1主要电磁干扰源
　　电磁干扰也称电磁骚扰（EMI），是外部噪声和无用信号在接收中所造成的电磁干扰，通常是通过电路传导和以场的形式传播的。变频器的整流桥对电网来说是非线性负载，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，变频器的逆变器大多采用PWM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。因此，变频器对系统内其他的电子、电气设备来说是一个电磁干扰源。
　　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是一致的，主要分空间辐射干扰即电磁辐射干扰、传导、感应耦合。
　　变频器如果不是处在一个全封闭的金属外壳内，它就可以通过空间向外辐射电磁波。其辐射场强取决于干扰源的电流强度、装置的等效辐射阻抗以及干扰源的发射频率。变频器的整流桥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。变频器的逆变桥大多采用PWM技术，当根据给定频率和幅值指令产生预期的和重复的开关模式时，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。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）所引起的辐射干扰问题相当突出。
　　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。
　　上述的电磁干扰除了通过与其相连的导线向外部发射，也可以通过阻抗耦合或接地回路耦合将干扰带入其它电路。与辐射干扰相比，其传播的路程可以很远。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将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。
　　感应耦合是介于辐射与传导之间的第三条传播途径。当干扰源的频率较低时，干扰的电磁波辐射能力相当有限，而该干扰源又不直接与其它导体连接，但此时的电磁干扰能量可以通过变频器的输入、输出导线与其相邻的其他导线或导体产生感应耦合，在邻近导线或导体内感应出干扰电流或电压。感应耦合可以由导体间的电容耦合的形式出现，也可以由电感耦合的形式或电容、电感混合的形式出现，这与干扰源的频率以及与相邻导体的距离等因素有关。
　　2、谐波干扰及其途径
　　2.1谐波使电网中的电器元件产生了附加的谐波损耗，降低了输变电及用电设备的效率。
　　2.2谐波可以通过电网传导到其他的用电器，影响了许多电器设备的正常运行，比如谐波会使变压器产生机械振动，使其局部过热、绝缘老化、寿命缩短，以至于损坏；还有传导来的谐波会干扰电器设备内部软件或硬件的正常运转。
　　2.3谐波会引起电网中局部的串联或并联谐振，从而使谐波放大。
　　2.4谐波或电磁辐射干扰会导致继电器保护设置的误动作，使电器仪表计量不准确，甚至无法正常工作。
　　2.5电磁辐射干扰使经过变频器输出导线附近的控制信号、检测信号等弱电信号受干扰，严重时使系统无法得到正确的检测信号，或使控制系统紊乱。一般来讲，变频器对电网容量大的系统影响不十分明显，这也就是谐波不被大多数用户重视的原因，但对系统容量小的系统，谐波产生的干扰就不能忽视。
　　3、抗电磁干扰的措施
　　根据电磁性的基本原理，形成电磁干扰（EMI）须具备电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统等三个要素。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，一般从抗和防两方面入手来抑制干扰，其总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。具体措施在工程上可采用隔离、滤波、屏蔽、接地等方法。
　　3.1隔离
　　所谓干扰的隔离是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系。在变频调速传动系统中，通常是在电源和放大器电路之间的电源线上采用隔离变压器以免传导干扰，电源隔离变压器可应用噪声隔离变压器。在实际的工程中，设备的布置时，应尽量将变频器单独布置，尽量将变频器产生的电磁干扰排除，往往由于受房间面积的限制，不可能有单独布置的位置，应尽量将容易受干扰的弱电控制设备与变频器分开，比如将动力配电柜放在变频器与控制设备之间以减少干扰。
　　3.2滤波
　　变频器在运行中产生的高次谐波会对电网产生影响，使电网波形严重畸变，可能造成电网压降很大、电网功率因数较低，大功率的变频器应特别的注意。一般的解决方法主要采用无功率补偿装置以调节功率因数，同时根据具体情况在电源进线端和接负载侧同时采取加装电抗滤波器，以尽量减少对电网的影。
　　3.3屏蔽
　　屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。应尽量采取把变频器全封闭在金属壳内，金属外壳可靠的接地，以减少通过空间对外辐射电磁波，降低对其他设备的干扰，特别是对电子线路和设备的干扰。另一方面，变频器采用了高性能的微处理器等集成电路，对外来的电磁干扰较敏感，会因电磁干扰的影响产生错误，对运行造成恶劣影响。外来的干扰通过从变频器控制电缆为媒介的途径侵入，所以在铺设电缆时必须采取充分的抗干扰措施。通常采取的措施为：模拟量控制线路必须使用屏蔽线，屏蔽层。靠近变频器一端应接控制电路的公共端。（COM）而不应接在变频器的接地（E）或大地，屏蔽层的另一端悬空。
　　3.4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。变频器的接地方式有多点接地、一点接地及经母线接地等几种形式，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。变频器的接地端E应与大地良好的连接，当变频器和其他设备或多台变频器一起接地时，每台设备应单独与地连接，而不允许将一台设备的接地端和另一台的接地端连接后再接地，以减少空间的辐射和设备之间的相互干扰，使设备正常运行。
　　3.5正确安装
　　由于变频器属于精密的功率电力电子产品，其现场安装工艺的好坏也影响着变频器的正常工作。正确的安装可以确保变频器安全和无故障运行。变频器对安装环境要求较高。一般变频器使用手册规定温度范围为最低温度-10 ，最高温度不超过50 ；变频器的安装海拔高度应小于1000m，超过此规定应降容使用；变频器不能安装在经常发生振动的地方，对振动冲击较大的场合，应采用加橡胶垫等防振措施；不能安装在电磁干扰源附近；不能安装在有灰尘、腐蚀性气体等空气污染的环境；不能安装在潮湿环境中，如潮湿管道下面，应尽量采用密封柜式结构，并且要确保变频器通风畅通，确保控制柜有足够的冷却风量，其典型的损耗数一般按变频器功率的3%来计算柜中允许的温升值。
　　4、抑制谐波的对策
　　4.1增加变频器供电电源内阻抗
　　通常电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用，内阻抗越大，谐波含量越小，这种内阻抗就是变压器的短路阻抗。因此选择变频器供电电源时，最好选择短路阻抗大的变压器。
　　4.2输入电抗器
　　在变频器的输入电流中，频率较低的谐波分量（5次谐波、7次谐波、11次谐波、13次谐波等）所占的比重是很高的，它们除了可能干扰其他设备的正常运行之外，还因为它们消耗了大量的无功功率，使线路的功率因数大为下降。在输入电路内串入交流直流电抗器后，进线电流的THDv大约降低30% 50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右。
　　4.3输出电抗器
　　在变频器到电动机之间增加交流电抗器，主要目的是减少变频器的输出在能量传输过程中，线路产生的电磁辐射。该电抗器必须安装在距离变频器最近的地方，尽量缩短与变频器的引线距离。
　　4.4在系统线路中设置滤波器
　　滤波器的作用是为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电源从电动机。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；为减少对电源干扰，可在变频器输入侧设置输入滤波器。
　　4.5采用多相脉冲整流
　　在条件允许或是要求谐波限制在比较小的情况下，可采用多相整流的方
　　4.6采用变压器多项运行
　　通用变频器为六脉波整流器，因此产生的谐波较大。如果采用变压器多相运行，使相位角互差30°，如Y— 、 — 组合的变压器构成12脉波的效果，可减小低次谐波电流，很好地抑制谐波。
　　5、结束语
　　以上通过对变频器运行过程中存在的干扰问题的分析，提出了解决这些问题的具体措施。随着科学技术的不断发展，变频器应用存在的这些问题会逐步消化解决，变频器的性能将会逐步提高，满足人们需要。