變頻器應用中的干擾及抑制措施

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摘要：變頻器自上世紀80年代被引進中國以來，其作為節(jié)能應用與速度工藝控制中越來越重要的自動化設備，在工業(yè)生產中的應用越來越廣泛，但是其運行時產生的高次諧波也會干擾周圍設備的運行。本文介紹了變頻器應用系統(tǒng)中干擾產生的來源及其傳播途徑，提出了抗干擾的抑制措施。

　　關鍵詞：變頻器干擾抑制

　　1、變頻調速系統(tǒng)的主要電磁干擾源及途徑

　　1.1主要電磁干擾源

　　電磁干擾也稱電磁騷擾（EMI），是外部噪聲和無用信號在接收中所造成的電磁干擾，通常是通過電路傳導和以場的形式傳播的。變頻器的整流橋對電網來說是非線性負載，它所產生的諧波會對同一電網的其他電子、電氣設備產生諧波干擾。另外，變頻器的逆變器大多采用PWM技術，當其工作于開關模式并作高速切換時，產生大量耦合性噪聲。因此，變頻器對系統(tǒng)內其他的電子、電氣設備來說是一個電磁干擾源。

　　1.2電磁干擾的途徑

　　變頻器能產生功率較大的諧波，對系統(tǒng)其他設備干擾性較強。其干擾途徑與一般電磁干擾途徑是一致的，主要分空間輻射干擾即電磁輻射干擾、傳導、感應耦合。

　　1.2.1電磁輻射?

　　變頻器如果不是處在一個全封閉的金屬外殼內，它就可以通過空間向外輻射電磁波。其輻射場強取決于干擾源的電流強度、裝置的等效輻射阻抗以及干擾源的發(fā)射頻率。變頻器的整流橋對電網來說是非線性負載，它所產生的諧波對接入同一電網的其它電子、電氣設備產生諧波干擾。變頻器的逆變橋大多采用PWM技術，當根據給定頻率和幅值指令產生預期的和重復的開關模式時，其輸出的電壓和電流的功率譜是離散的，并且?guī)в信c開關頻率相應的高次諧波群。高載波頻率和場控開關器件的高速切換（dv/dt可達1kV/μs以上）所引起的輻射干擾問題相當突出。

　　當變頻器的金屬外殼帶有縫隙或孔洞，則輻射強度與干擾信號的波長有關，當孔洞的大小與電磁波的波長接近時，會形成干擾輻射源向四周輻射。而輻射場中的金屬物體還可能形成二次輻射。同樣，變頻器外部的輻射也會干擾變頻器的正常工作。

　　1.2.2傳導

　　上述的電磁干擾除了通過與其相連的導線向外部發(fā)射，也可以通過阻抗耦合或接地回路耦合將干擾帶入其它電路。與輻射干擾相比，其傳播的路程可以很遠。比較典型的傳播途徑是：接自工業(yè)低壓網絡的變頻器所產生的干擾信號將沿著配電變壓器進入中壓網絡，并沿著其它的配電變壓器最終又進入民用低壓配電網絡，使接自民用配電母線的電氣設備成為遠程的受害者。

　　1.2.3感應耦合

　　感應耦合是介于輻射與傳導之間的第三條傳播途徑。當干擾源的頻率較低時，干擾的電磁波輻射能力相當有限，而該干擾源又不直接與其它導體連接，但此時的電磁干擾能量可以通過變頻器的輸入、輸出導線與其相鄰的其他導線或導體產生感應耦合，在鄰近導線或導體內感應出干擾電流或電壓。感應耦合可以由導體間的電容耦合的形式出現，也可以由電感耦合的形式或電容、電感混合的形式出現，這與干擾源的頻率以及與相鄰導體的距離等因素有關。

　　2、諧波干擾及其途徑

　　2.1諧波使電網中的電器元件產生了附加的諧波損耗，降低了輸變電及用電設備的效率。

　　2.2諧波可以通過電網傳導到其他的用電器，影響了許多電器設備的正常運行，比如諧波會使變壓器產生機械振動，使其局部過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至于損壞；還有傳導來的諧波會干擾電器設備內部軟件或硬件的正常運轉。

　　2.3諧波會引起電網中局部的串聯(lián)或并聯(lián)諧振，從而使諧波放大。

　　2.4諧波或電磁輻射干擾會導致繼電器保護設置的誤動作，使電器儀表計量不準確，甚至無法正常工作。

　　2.5電磁輻射干擾使經過變頻器輸出導線附近的控制信號、檢測信號等弱電信號受干擾，嚴重時使系統(tǒng)無法得到正確的檢測信號，或使控制系統(tǒng)紊亂。一般來講，變頻器對電網容量大的系統(tǒng)影響不十分明顯，這也就是諧波不被大多數用戶重視的原因，但對系統(tǒng)容量小的系統(tǒng)，諧波產生的干擾就不能忽視。

　　3、抗電磁干擾的措施

　　根據電磁性的基本原理，形成電磁干擾（EMI）須具備電磁干擾源、電磁干擾途徑、對電磁干擾敏感的系統(tǒng)等三個要素。為防止干擾，可采用硬件和軟件的抗干擾措施。其中，硬件抗干擾是最基本和最重要的抗干擾措施，一般從抗和防兩方面入手來抑制干擾，其總原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道、降低系統(tǒng)對干擾信號的敏感性。具體措施在工程上可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。

　　3.1隔離

　　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。在變頻調速傳動系統(tǒng)中，通常是在電源和放大器電路之間的電源線上采用隔離變壓器以免傳導干擾，電源隔離變壓器可應用噪聲隔離變壓器。在實際的工程中，設備的布置時，應盡量將變頻器單獨布置，盡量將變頻器產生的電磁干擾排除，往往由于受房間面積的限制，不可能有單獨布置的位置，應盡量將容易受干擾的弱電控制設備與變頻器分開，比如將動力配電柜放在變頻器與控制設備之間以減少干擾。

　　3.2濾波

　　變頻器在運行中產生的高次諧波會對電網產生影響，使電網波形嚴重畸變，可能造成電網壓降很大、電網功率因數較低，大功率的變頻器應特別的注意。一般的解決方法主要采用無功率補償裝置以調節(jié)功率因數，同時根據具體情況在電源進線端和接負載側同時采取加裝電抗濾波器，以盡量減少對電網的影。

　　3.3屏蔽

　　屏蔽干擾源是抑制干擾的最有效的方法。應盡量采取把變頻器全封閉在金屬殼內，金屬外殼可靠的接地，以減少通過空間對外輻射電磁波，降低對其他設備的干擾，特別是對電子線路和設備的干擾。另一方面，變頻器采用了高性能的微處理器等集成電路，對外來的電磁干擾較敏感，會因電磁干擾的影響產生錯誤，對運行造成惡劣影響。外來的干擾通過從變頻器控制電纜為媒介的途徑侵入，所以在鋪設電纜時必須采取充分的抗干擾措施。通常采取的措施為：模擬量控制線路必須使用屏蔽線，屏蔽層?？拷冾l器一端應接控制電路的公共端。（COM）而不應接在變頻器的接地（E）或大地，屏蔽層的另一端懸空。

　　3.4接地

　　實踐證明，接地往往是抑制噪聲和防止干擾的重要手段。良好的接地方式可在很大程度上抑制內部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。變頻器的接地方式有多點接地、一點接地及經母線接地等幾種形式，要根據具體情況采用，要注意不要因為接地不良而對設備產生干擾。變頻器的接地端E應與大地良好的連接，當變頻器和其他設備或多臺變頻器一起接地時，每臺設備應單獨與地連接，而不允許將一臺設備的接地端和另一臺的接地端連接后再接地，以減少空間的輻射和設備之間的相互干擾，使設備正常運行。

　　3.5正確安裝

　　由于變頻器屬于精密的功率電力電子產品，其現場安裝工藝的好壞也影響著變頻器的正常工作。正確的安裝可以確保變頻器安全和無故障運行。變頻器對安裝環(huán)境要求較高。一般變頻器使用手冊規(guī)定溫度范圍為最低溫度-10℃，最高溫度不超過50℃；變頻器的安裝海拔高度應小于1000m，超過此規(guī)定應降容使用；變頻器不能安裝在經常發(fā)生振動的地方，對振動沖擊較大的場合，應采用加橡膠墊等防振措施；不能安裝在電磁干擾源附近；不能安裝在有灰塵、腐蝕性氣體等空氣污染的環(huán)境；不能安裝在潮濕環(huán)境中，如潮濕管道下面，應盡量采用密封柜式結構，并且要確保變頻器通風暢通，確保控制柜有足夠的冷卻風量，其典型的損耗數一般按變頻器功率的3%來計算柜中允許的溫升值。

　　4、抑制諧波的對策

　　4.1增加變頻器供電電源內阻抗

　　通常電源設備的內阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容的無功功率的作用，內阻抗越大，諧波含量越小，這種內阻抗就是變壓器的短路阻抗。因此選擇變頻器供電電源時，最好選擇短路阻抗大的變壓器。

　　4.2輸入電抗器

　　在變頻器的輸入電流中，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）所占的比重是很高的，它們除了可能干擾其他設備的正常運行之外，還因為它們消耗了大量的無功功率，使線路的功率因數大為下降。在輸入電路內串入交流直流電抗器后，進線電流的THDv大約降低30%～50%，是不加電抗器諧波電流的一半左右。

　　4.3輸出電抗器

　　在變頻器到電動機之間增加交流電抗器，主要目的是減少變頻器的輸出在能量傳輸過程中，線路產生的電磁輻射。該電抗器必須安裝在距離變頻器最近的地方，盡量縮短與變頻器的引線距離。

　　4.4在系統(tǒng)線路中設置濾波器

　　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，在變頻器輸出側可設置輸出濾波器；為減少對電源干擾，可在變頻器輸入側設置輸入濾波器。

　　4.5采用多相脈沖整流

　　在條件允許或是要求諧波限制在比較小的情況下，可采用多相整流的方

　　4.6采用變壓器多項運行

　　通用變頻器為六脈波整流器，因此產生的諧波較大。如果采用變壓器多相運行，使相位角互差30°，如Y—△、△—△組合的變壓器構成12脈波的效果，可減小低次諧波電流，很好地抑制諧波。

　　5、結束語

　　以上通過對變頻器運行過程中存在的干擾問題的分析，提出了解決這些問題的具體措施。隨著科學技術的不斷發(fā)展，變頻器應用存在的這些問題會逐步消化解決，變頻器的性能將會逐步提高，滿足人們需要。