變頻器研制中的抗干擾設計及措施

李海燕

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

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變頻器研制中的抗干擾設計及措施

李海燕

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

摘 要：本文介紹了所研制變頻器的組成及干擾來源、干擾途徑，在設計、生產和運行現場有針對性地采取了各種措施，實際應用效果良好，變頻器運行穩定可靠。

關鍵詞：變頻器 功率模塊 電磁干擾

0 引言

隨著科技的發展，變頻器的應用領域越來越廣。我所針對市場需求，研制了幾種電壓等級、功率等級的系列化變頻器。由于變頻器在進行能量變換的同時也使得輸入和輸出側的電壓、電流含有豐富的高次諧波，這些高頻的噪聲信號會干擾變頻器自身及其他敏感設備的正常工作，因此，在變頻器的研制過程中必須解決電磁干擾的問題，方能保證其可靠穩定運行。

1 變頻器的組成

變頻器主要由控制單元、逆變單元和整流單元及水冷裝置組成。如圖1所示。

其主電路采用交－直－交兩電平電壓型拓撲結構，外部輸入工頻交流電壓經整流單元整成直流電壓，再將直流電壓經逆變單元轉換為頻率可變的交流信號。整流單元和逆變單元的主電路、結構型式完全相同，均采用三相全橋型式的功率模塊組成，如圖2所示，功率模塊由IGBT、散熱器、母排、驅動、直流電容組成，三個橋臂分別進行驅動但共用一組直流電容和母線，采用電壓傳感器、電流傳感器檢測母線電壓和相電流。整流單元和逆變單元僅在對外主電路連接、控制方式上有所區別。

圖1 變頻器的組成

圖2 功率模塊原理圖

圖3為功率模塊的結構示意圖。功率模塊的驅動信號由控制器產生光纖信號到驅動板。驅動板安裝在模塊內部，驅動板與電阻適配板通過導線連接實現IGBT的驅動和驅動故障檢測，每個IGBT器件與一塊電阻適配板通過緊固螺釘進行電氣連接。驅動板除了驅動IGBT的同時還采樣相電流、母線電壓并進行調理輸出。電流、電壓的傳感器也安裝在模塊內部，由驅動板供電。

圖3 功率模塊的結構示意圖

采用該結構的優點是功能緊湊，模塊化強，便于擴展，同時針對核心器件IGBT采取了快速全面的保護措施，安全可靠。

2 變頻器的抗干擾設計及措施

從變頻器的組成和功率模塊的結構可以看出，變頻器是有復雜的機械、電氣、電子結構的混合系統，內部電磁環境惡劣，而且基本在工業環境應用，周圍無數電氣設備共存，外部的干擾會影響變頻器的運行穩定性，尤其是功率模塊內驅動信號易受干擾而誤報故障。在設計中要重視電磁干擾的危害，采取必要的抗干擾措施，提高變頻器在各種惡劣環境下的適應性。

電磁干擾的3個必備條件為：電磁干擾源、干擾途徑、干擾接受器。提高變頻器的抗干擾能力，必須了解其干擾來源，分析干擾途徑和敏感設備，才能采取相應的設計。

2.1變頻器的干擾來源

首先，變頻器本身會產生大量諧波。整流單元對外部電網來說是非線性負載，它所產生的諧波會對本身控制單元和同一電網的其他電子、電氣設備產生諧波干擾；逆變單元大多采用PWM技術．當其工作于開關模式并作高速切換時，會產生大量耦合性噪聲 因此，對其他的電子、電氣設備來說是一個電磁干擾源，也同樣會干擾自身控制單元的電子設備。

其次，外部電網的諧波干擾也會對變頻器造成影響。外部電網中有各種整流設備、交直流互換設備、電子電壓調整設備、非線性負載及照明設備等，這些設備都能使電網中的電壓，電流產生波形畸變，從而對供電的變頻器產生危害性的干擾。

2.2變頻器的干擾途徑

電磁干擾主要的傳播途徑是傳導、感應和輻射。其傳導干擾是變頻器內部和外部供電電源產生的諧波通過導體進行傳播，對本身及周邊設備產生干擾；感應干擾是當變頻器的輸入線路或輸出線路與其他設備的線路挨得很近時，變頻器對相鄰的其它線路產生感應耦合，感應出干擾電壓或電流，影響自身和其他設備。感應的方式又分為電磁感應方式和靜電感應方式兩種，其中電磁感應是電流干擾信號的主要方式，靜電感應是電壓干擾信號的主要方式。輻射干擾是以電磁波方式向空中輻射，這是頻率很高的諧波分量的主要傳播方式。

2.3變頻器的抗干擾設計

變頻器的抗干擾設計，就是從抗和防兩方面來抑制干擾，其總原則是抑制和消除干擾源，切斷干擾對變頻器的耦合通道。在設計中采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法，降低變頻器干擾信號的敏感性。變頻器在研制中，采用了如下幾種抗干擾設計：

1）在電路中把傳導的高頻電流濾掉或者隔離。具體方法為：a、變頻器的供電電源與其他設備的供電電源相互獨立，在變頻器的輸入側安裝隔離變壓器，切斷諧波電流。b、在變頻器輸入側與輸出側安裝濾波器，濾波器為LC型，可以吸收諧波和增大電源或負載的阻抗。c、控制單元的電路板在設計時，24 V電源輸入端設置對地高頻高壓共模電容和共模電感。

2）其他設備的電源線和信號線應盡量遠離變頻器的輸入輸出線，且布線時與變頻器主回路電纜錯開一定距離，不要平行走線，避免感應耦合。如光電編碼器的信號線、控制單元的通訊線要遠離變頻器的輸入輸出主電纜。

3）對輻射源或被干擾的線路進行屏蔽。具體方法為：a、變頻器和其他設備之間電纜穿鋼管敷設或用鎧裝電纜，并與其他弱電信號在不同的電纜溝分別敷設；b、控制單元的信號線最好用屏蔽電纜，屏蔽層接地良好。

4）變頻器使用專用接地線，且用粗短線接地，鄰近其他設備的地線必須與變頻器的地線分開。這樣能有效抑制電流諧波在變頻器和鄰近設備之間的輻射干擾。

除了上述措施，控制單元的電路板在PCB設計時，嚴格遵循高速電路PCB設計的準則，避免因PCB布局布線的不合理而導致電路上的互相影響。

在完成變頻器的設計、樣機生產后，為了保證變頻器的抗干擾性能，將功率模塊、控制單元這些部件的初樣分別進行EMC測試，對有問題的地方進行整改直到通過EMC測試。經過上述措施后，變頻器在實驗室運行穩定。

2.4變頻器在現場的抗干擾解決措施

雖然變頻器在設計中采取了上述這些抗干擾的措施，但是到實際運行現場，還是出現了由于各種干擾而不能正常運行的問題。如：

1）變頻器在現場空載低壓運行正常，在電壓升高時或帶負載稍大時，就故障停機而且總是逆變單元的功率模塊報驅動故障。拆開功率模塊，發現模塊內部由于空間狹窄，傳感器信號線緊貼輸出母排，而且與驅動信號線捆扎在一起，隨著電壓電流的升高，信號間耦合感應增大，導致驅動信號被干擾，引起IGBT驅動故障。重新走線，把傳感器信號線盡量遠離母排，而且與驅動信號線分開綁扎，故障消失，變頻器滿載運行正常。后續在生產中制定變頻器的走線工藝和規范，并嚴格執行，該類故障不再出現。

2）變頻器帶電機運行不平穩，轉速波動大。經排查，發現光電編碼器信號不正常。原因是光電編碼器的信號線用了屏蔽電纜，但屏蔽層沒有接地，而且該線與電機的電纜平行走線，導致編碼器的輸出脈沖被干擾，變頻器收到的電機位置信號不準確。將光電編碼器的電纜屏蔽層獨立接地，與電機的電纜分開走線后，碼盤信號正常，變頻器運行平穩。

還有很多故障是由于變頻器安裝現場外部供電電源的問題，如現場的系統電源零線(中線)、地線(保護接地、系統接地)不分、控制系統屏蔽地(控制信號電纜屏蔽地和主電路電纜屏蔽地)的混亂連接，接線工人不按要求接地線，這些都易導致變頻器運行出現故障。首先細致分析故障原因，排除變頻器本身的問題，再了解現場的電源系統，檢查接線和接地狀況，從而采取相應的對策。從現場解決故障的措施可以看出，現場的接線不規范是影響變頻器運行的主要原因。

3 結論

變頻器自身結構和運行環境的惡劣狀況，對其運行的穩定性、可靠性提出了嚴峻的考驗，對系列化變頻器的研制帶來了挑戰。在變頻器研制過程中，首先在設計中采取濾波、隔離、接地等手段抑制電磁干擾，其次在生產中制定接線布線規范避免線間互相耦合干擾，最后在運行現場解決因外部電源或接線引起的干擾，采取上述措施后，變頻器在各種環境下均運行正常。目前，系列化變頻器已應用在多個領域，運行穩定可靠，用戶反應良好。

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The Electromagnetic Interference and Solution of A Converter

Li Haiyan
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,CSIC,Wuhan 430064,China )

Abstract：This paper introduces the composition and the EMI of the inverter.Various measures are taken in the design,production and operation.Practical application effect is good,and the inverter operates stable and reliably.

Keywords：inverter; power module; EMI

作者簡介：李海燕（1973-），女，高級工程師。研究方向：電力電子與自動控制。

收稿日期：2015-12-16

中圖分類號：TM921

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）02-0066-03