變頻器使用中的干擾現象及其抑制

【摘 要】變頻器調速技術是集自動控制、微電子、電力電子、通信等于一體的高科技技術，變頻器所采用的軟啟動，可減少設備和電機的機械沖擊，延長設備和電機使用壽命。本文根據鉆井現場實際，對變頻器使用中的干擾現象及抑制方法進行了詳細論述。

【關鍵詞】變頻器；干擾；抑制

隨著科技的發展，變頻器以節電、節能、可靠、高效的特性應用于工業控制的各個領域中，同時因其良好的調速、節能性能在鉆井設備中也得到了廣泛使用。但隨之所帶來的系統電磁干擾（EMI）日益嚴重，相應的抗干擾設計技術已變得越來越重要。變頻器系統的干擾有時能直接造成系統硬件損壞，有時雖不能損壞系統的硬件，但常使微處理器的系統程序運行失控，導致控制失靈，造成設備和生產事故。

1 變頻調速系統的干擾源

電磁干擾也稱電磁騷擾，是以外部噪聲和無用信號在接收中所造成的電磁干擾，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，當工作于開關模式并高速切換時，產生大量耦合性噪聲。因此，變頻器對系統內其他的電子、電氣設備來說是電磁干擾源。

變頻器能產生功率較大的諧波，對系統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，主要分電磁輻射、傳導、感應耦合。

（1）電磁輻射

變頻器若非處在一個全封閉的金屬外殼內，它即可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，其輸出電壓和電流的功率譜是離散的，且帶有與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所引起的輻射干擾相當突出。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，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。

（2）傳導

上述電磁干擾除了通過與其相連的導線向外部發射，也可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。

（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。

根據電磁性的基本原理，形成電磁干擾須具備電磁干擾源、電磁干擾途徑、對電磁干擾敏感的系統等三個要素。為防止干擾，其總原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對系統的耦合通道、降低系統對干擾信號的敏感性。具體措施如下：a）隔離：指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，使它們不發生電的聯系。在變頻調速傳動系統中，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。b）濾波：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；為減少對電源的干擾，可在變頻器輸入側設置輸入濾波器。若線路中有敏感電子設備，可在電源線上設置電源噪聲濾波器，以免傳導干擾。c）屏蔽：屏蔽干擾源是抑制干擾的最有效的方法，通常變頻器本身用鐵殼屏蔽，不讓其電磁干擾泄漏。輸出線最好用鋼管屏蔽，特別是以外部信號控制變頻器時，要求信號線盡可能為20m以內，且信號線采用雙芯屏蔽，并與主電路及控制回路完全分離，不能放于同一配管或線槽內，周圍電子敏感設備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。d）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。e）正確安裝：變頻器對安裝環境要求較高，一般變頻器使用手冊規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，超過此規定應降容使用；變頻器不能安裝在經常發生振動的地方，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境；不能安裝在潮濕環境中，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。安裝工藝要求：確保控制柜中的所有設備接地良好，應該使用短、粗的接地線連接到公共地線上；安裝布線時將電源線和控制電纜分開，如果控制電路連接線必須和電源電纜交叉，應成90°交叉布線；使用屏蔽導線或雙絞線連接控制電路時，確保未屏蔽之處盡可能短，條件允許時應采用電纜套管。

2 變頻器控制系統設計與應用中注意的問題

（1）在設備排列布置時，應注意將變頻器單獨布置，盡量減少可能產生的電磁輻射干擾。在實際工程中應盡量將容易受干擾的弱電控制設備與變頻器分開。

（2）變頻器電源輸入側可采用容量適宜的空氣開關作為短路保護，由于變頻器內部有大電容，其放電過程較為緩慢，頻繁操作將造成過電壓而損壞內部元件。

（3）控制變頻調速電機啟/停通常由變頻器自帶的控制功能來實現，否則，頻繁的操作可能損壞內部元件。

（4）除了控制系統與變頻器之間必須的控制線外，盡量減少變頻器與控制系統不必要的連線，以避免傳導干擾。

（5）應注意限制最低轉速。在低轉速時，電機噪聲增大，電機冷卻能力下降，若負載轉矩較大或滿載，可能燒毀電機。確需低速運轉的高負荷變頻電機，應考慮加大額定功率，或增加輔助的強風冷卻。

3 結束語

通過以上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實際方法。隨著新技術和新理論不斷在變頻器上的應用，存在的這些問題有望通過變頻器本身的功能和補償來解決。隨著工業現場和社會環境對變頻器要求的不斷提高，變頻器的EMC問題一定會得到有效解決。

【參考文獻】

[1]韓安榮.通用變頻器及其應用.2版[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2]吳忠智，吳加林.變頻器應用手冊[S].北京：機械工業出版社，1995.

[責任編輯：曹明明]