變頻調速系統中變頻器的干擾及抑制

田苗　朱宇

摘 要：文中對變頻器在實際應用中產生的電磁干擾和干擾抑制措施進行分析研究，并對目前使用變頻調速的設備或系統，在控制、測量中出現的常見的電磁干擾問題予以列舉。提出相應的預防和解決措施，便于相關技術人員參閱，同時也對以后變頻調速設備在安裝、布線、測量等方面提供借鑒，使變頻調速技術更好地服務于公司的科研生產。

關鍵詞：變頻器；變頻調速；電磁干擾；干擾抑制

中圖分類號：TM921.51 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）08-00-04

0 引 言

變頻器調速技術主要用于對交流電機的轉速實現無級調節，該技術經過數十年的不斷發展，已日臻成熟，是匯集自動控制、微電子、電力電子、通信等多學科的綜合技術，變頻器調速技術具有調速平滑、范圍大、運行平穩、節能效果顯著等優點從而獲得了廣泛的應用。由于啟動平穩，可以減少系統中對功率設備的機械沖擊，延長設備使用壽命。隨著工業自動化產業的高速發展，變頻器以其可靠、高效率、電路簡潔及低能耗等顯著優點，廣泛應用于工業控制的各個領域，成為電力拖動的重要組成部分。

目前，變頻調速技術在航空工業領域內得到迅速推廣。我單位變頻調速技術主要應用在試驗拖動臺的轉速調節、油源車的流量調節及供風車的風量調節等方面，其功率從3 kW到315 kW不等。在試驗拖動方面，主要控制拖動臺的轉速、加減速度等指標；在油源車和供風車方面，控制冷卻滑油流量、壓力和產品的進風風量、壓力。在變頻調速技術出現的同時，變頻器所帶來的干擾等一系列問題也隨之而來。實踐證明，變頻調速技術如果使用得當，則能保證系統正常運行和及調節精度，反之系統會因干擾問題而無法正常工作。根據我公司目前變頻器的應用情況并考慮到今后在應用中應注意的問題，有必要對變頻器在應用中的干擾問題進行研究、探討。以試驗室的變頻調速拖動試驗系統及變頻控制技術在油源車和風機中的應用情況為例，說明變頻系統干擾對設備工作的影響及干擾的抑制方法。

1 變頻調速系統的電磁干擾

在變頻調速系統中，變頻器自身產生的電磁干擾是系統主要的干擾源。由于變頻器中的逆變部分是通過大功率電力電子開關元件來產生一定寬度和極性的PWM控制信號，這種具有陡邊沿的脈沖信號會產生很強的電磁干擾，通過電路傳導和以場的形式傳播出去，產生大量耦合性噪聲，形成對其它線路及設備的干擾。在試驗室中，變頻器產生的干擾影響主要表現在對周圍其它電子設備的穩定工作和測試設備（包括高阻抗的數字式測試儀器、測量傳感器等）的準確測量造成影響，造成電子設備工作不穩定或測試設備誤差增大、測量精度降低等。隨著測控系統自動化程度的不斷提高，計算機自動控制技術應用愈加廣泛，近幾年來我們試驗室建成的試驗測控系統大多采用計算機自動控制技術，但由于缺乏有效的抗干擾措施，對整體測試的準確性造成一定影響。另外，隨著檢測技術要求的不斷提高，測試儀器、儀表也逐步從傳統的模擬式轉換為數字式儀器儀表。數字式儀器儀表雖在功能、精度上得到很大提高，但由于其輸入的高阻抗特性，外部干擾信號不能被濾除，從而造成測量結果失真。在實驗室中，經常用到的電測儀器包括數字多用表、示波器、諧波分析儀、數字功率計等。由于變頻器工作時產生電磁干擾，在實際測試中，曾出現發電機及永磁機頻率無法測量、諧波含量測量誤差大、電壓波形失真、功率因數測量不準確等問題。在油源車及通風車中，由于使用變頻器進行流量和風量的調節，將非電量轉換為電量測量，曾出現設備中的流量表和溫度表工作不正常的現象，之后采用了防干擾措施才使設備恢復正常。另一方面，變頻器也會對自身的控制回路產生干擾。如果變頻器的干擾問題解決不好，調速系統自身將無法穩定、可靠地運行。

2 電磁干擾傳播途徑

變頻器對其它設備的干擾主要分為電磁輻射、傳導和感應耦合。

（1）對周圍的電子、電氣設備產生電磁輻射；

（2）對拖動電動機產生電磁噪聲，使得電動機鐵耗和銅耗增加，并傳導干擾到電源，通過配電網絡傳導給系統其它設備；

（3）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。同樣，系統內的干擾信號通過相同的途徑干擾變頻器的正常工作。

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（du/dt可達1 kV/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時，輻射強度與干擾信號的波長有關，當孔洞大小與電磁波的波長接近時，導致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，這一點在變頻器使用密集或其它設備密集的地方尤為突出。

2.2 傳導

電磁干擾除了通過與其相連的導線向外部發射，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：變頻器所產生的干擾信號將沿著配電變壓器反饋進入電網，使配電母線上的其它電氣設備成為遠程的受害者。

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，雖然該干擾源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它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。在試驗室中，比較典型的如在油源車、通風機控制方面，工頻電及變頻器的低頻輸出均能對流量、壓力等信號線產生感應耦合干擾，工頻干擾使測量儀表即使在零輸入狀態下依舊顯示非零數值，變頻器低頻輸出產生的感應干擾可使實際信號與干擾信號疊加，導致測量不準確。感應耦合可以導體間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。

3 電磁干擾的預防和抑制

據電磁學的基本原理，形成電磁干擾（EMI）需具備電磁干擾源、電磁干擾途徑、對電磁干擾敏感的系統三個要素。為防止干擾，通常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，一般應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、切斷干擾對系統的耦合通道、降低系統對干擾信號的敏感性。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，使它們不發生電的聯系。在我公司試驗室早期的變頻調速系統中，由于缺乏對電磁干擾本質的認識，拖動設備與其它試驗設備共用同一變壓器，結果使得其它試驗設備工作不穩定，經常出現設備保護及誤動作等故障，嚴重影響科研生產的順利進行。經過多方查找原因，終于發現由于多臺設備共用一臺變壓器，使干擾信號通過變壓器傳導至其它用電設備所致。經改正后，設備恢復正常。其它形式的共用電源也曾使試驗系統出現故障，200 kW變頻拖動系統是我公司近年來投入的一臺較新設備。在某交流電源系統試驗中，由于該電源控制器試驗臺中直流電源與變頻調速控制臺中的直流電源共用。而該直流電源又直接提供給發電機控制器，干擾信號由該電源進入控制器形成傳導干擾，使發電機控制器無法正常工作。后經分析，若單獨為發電機控制器試驗臺內加裝直流電源，系統工作正常。高檔儀器儀表內部電源均有隔離變壓器，可有效防止電磁干擾，但普通儀表內部大多數沒有隔離變壓器。例如油源車、通風車控制臺上的儀表及自制試驗臺上的儀表等。這些儀表內一些敏感元器件易受外界干擾，導致許多通過這些儀表供電的有源傳感器損壞。所以在設計控制系統時，應考慮在電源端加裝隔離變壓器。綜上所述，試驗室應在常規用電設備和變頻調速系統的用電上采取單獨配電或隔離措施。通常情況下，電源隔離變壓器可應用噪聲隔離變壓器；另一種是指物理意義上的隔離，將干擾源與易受干擾的線路分離，或盡量增大干擾源與被干擾對象之間的距離，以降低線路間的感應耦合。

3.2 濾波

實踐證明，濾波對于消除系統干擾信號而言不失為一種好方法，且已得到廣泛應用。對于測試系統，在電信號測量上，很有必要加裝濾波環節，濾波器的選擇應根據被測用信號及干擾信號的頻率、幅值選定。這一點在頻率、流量、壓力等信號測量上十分重要。即使在隔離、屏蔽、接地等防干擾措施到位的情況下，有時濾波也是防止干擾不可缺少的一環。例如在某型電源系統轉至110 kW變頻調速系統試驗后，曾出現發電機永磁機頻率無法正常測量的問題，雖選用不同屏蔽電纜或不同接地方式，但抑制效果均不明顯，在試驗臺內部靠近測試儀表端加裝濾波環節后效果顯著。同樣為該電源發電機配套的油源車流量測量系統，起初也因受干擾顯示不正常，加裝了濾波環節后，系統恢復正常。由于工頻電網中存在各種整流設備、交直流互換設備及非線性負載等諧波源，這些負荷會使電網中的電壓、電流產生波形畸變，若這些干擾不加以抑制，則會通過電源電路干擾變頻器工作。供電電源對變頻器的干擾主要有過壓、欠壓、瞬時掉電、浪涌、跌落、尖峰電壓脈沖、射頻干擾。為了減少變頻器與電網之間的干擾，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。對拖動電機而言，在變頻器輸出側設置濾波器的作用是為了抑制干擾信號，防止干擾從變頻器側通過電源線傳導至電動機，從而減少電動機的電磁噪聲和損耗。

3.3 屏蔽

屏蔽是抑制干擾最有效的方法之一。對于變頻器而言，通常采用鐵殼屏蔽，不讓其電磁干擾泄漏。變頻器的輸出線一般用鋼管屏蔽，以防止產生輻射干擾。當以外部信號控制變頻器時，信號線應盡可能短（一般在20 m內），信號線應采用雙芯屏蔽，并與主電路及控制回路完全分離，不能放于同一線管或線槽內。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地，對干擾源周圍的電子設備及測量線路也應予以屏蔽。許多造價低廉的小型儀表內部屏蔽措施較差，當有干擾信號時，便不能正常工作。在某油源車調試時，設備中盡管采取了隔離、測量線屏蔽等措施，但只要變頻器開始工作，該控制臺上的流量表就會受到干擾而無法正常工作，更換幾塊同型號的儀表后仍存在相同現象。由于儀表不能正常工作，不得不將此類儀表退貨，更換其他廠家帶屏蔽的儀表后設備方可正常工作。

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，提高系統的抗干擾能力。接地方式分為多種，要根據具體情況采用，但應注意不要因為接地不良而對設備產生干擾。

（1）單點接地指在一個電路或裝置中，只有一個物理點定義為接地點。該接地方式低頻性能好。

（2）多點接地是指裝置或系統中設有多個接地點，接地信號就近接地。此接地方式高頻性能好。

（3）混合接地根據信號頻率和接地線長度采用單點接地和多點接地共用的方式。

在一般情況下，試驗用電源、儀器、儀表均有專用接地端子（示波器等其它不允許接地的儀器除外），信號傳輸屏蔽導線的接地方法一般采用單點接地。例如在許多試驗中，經常出現發電機及永磁機頻率信號測量儀表顯示不穩的現象，但在測量相同頻率的中頻電源信號時則顯示正常。檢查發現傳輸導線的屏蔽層接地良好，只存在兩點或多點接地現象，逐次從儀表端脫開接地點，儀表測量仍然不正常。反過來再從發電機端依次脫開接地點，在剩余最靠近測量儀表的一個接地點時，儀表顯示正常。其原因在于采用多點接地時，由于各接地點的電位不同，會在屏蔽層上產生電位差，使屏蔽層上產生電流，進而形成干擾磁場。而如果單點接地端遠離測量儀表，則由于測量導線過長會在接地端后形成新的干擾。所以測量導線屏蔽層接地端應選擇靠近測量儀表的一端。根據上述方法，我們對所有采用變頻器的油源車重新進行了接地處理，并對不合理的布線進行了整改，基本解決了干擾問題。從安全和降低噪聲的需要出發，變頻器安裝時必須接地。其接地端不能與其它設備接地端共用。變頻器的接地方式有多點接地、一點接地及經母線接地等。變頻器本身有專用接地端子PE端，既不能將地線接在電器設備的外殼上，也不能接在零線上，只能通過較粗的短線將接地端子PE端與接地極相連，接地電阻應小于1Ω，接地線長度在20 m以內，并注意合理選擇接地極的位置。

上述抗干擾措施可根據系統的要求來合理選擇與使用。任何一種方法都不是萬能的，例如在油源車流量測量儀表防干擾問題上，可遠離變頻器及變頻器的輸入輸出線。若條件不允許，應對數字式儀器、儀表本身、測量線進行屏蔽。屏蔽線的外套金屬網不能兩端接地，只能一端接地，或使用雙絞線作為儀表的輸入線，儀表輸入端加裝濾波措施等。在干擾嚴重的地方可以綜合考慮采用多種措施：雙絞線+屏蔽套、屏蔽箱、運距離、變頻器輸入輸出線加磁環、電抗器等。對于采用微機控制的系統，還須在軟件上采取抗干擾措施。另外，為抑制變頻器輸入側的諧波電流，改善功率因數，可在變頻器輸入端加裝交流電抗器，由選用電源變壓器與變頻器容量的匹配情況及電網允許的畸變程度而定，一般情況下采用。為改善變頻器輸出電流，減少電動機噪聲，可在變頻器輸出端加裝交流電抗器。

4 變頻調速系統安裝過程中的抗干擾措施

對于采用變頻器的調速控制系統，合理的安裝布置也是預防電磁干擾的重要環節。

4.1 變頻控制系統安裝中應注意的問題

在變頻控制系統安裝中應注意以下問題：

（1）在設備安裝布置時，應該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，由于受到房屋面積的限制往往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；

（2）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。除了控制系統與變頻器之間必須的控制線外，其它信號電纜應盡可能與之分開。在變頻控制系統中，變頻器和控制系統一般都需要24 V直流電源，由于變頻器可能會通過直流電源對控制系統產生傳導干擾，所以要求用兩個獨立的直流電源分別對兩個系統供電；

（3）注意變頻器對電網的干擾。變頻器在運行時產生的高次諧波會對電網產生影響，使電網波型嚴重畸變，可能造成電網電壓降很大，電網功率因數降低，大功率變頻器應特別注意。解決方法主要有采用無功自動補償裝置以調節功率因數，同時根據具體情況在變頻器電源進線側加電抗器以減少對電網產生的影響，進線電抗器可以要求由變頻器供應商配套提供，但在訂貨時要加以說明；

（4）在變頻器柜內除本機專用的空氣開關外，不宜安置其它操作性開關電器，以免開關噪聲入侵變頻器，造成誤動作。

4.2 變頻器的安裝

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直接影響著變頻器的正常工作。正確的安裝可以確保變頻器的安全和無故障運行，結合實際經驗，將安裝工藝總結如下：

（1）確保控制柜中的所有設備接地良好，應使用短、粗的接地線（最好采用扁平導體或金屬網）連接到公共地線上。按國家標準規定，其接地電阻應小于1Ω。另外與變頻器相連的控制設備（如PLC 或PID 控制儀）要與其共地；

（2）安裝布線時將電源線和控制電纜分開，例如使用獨立的線槽等。如果控制電路連接線必須和電源電纜交叉，應90°交叉布線；

（3）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；

（4）確保控制柜中的接觸器有滅弧功能，交流接觸器采用R-C 抑制器，也可采用壓敏電阻抑制器，如果接觸器是通過變頻器的繼電器控制的，這一點特別重要；

（5）用屏蔽和鎧裝電纜作為電機接線時，要將屏蔽層雙端接地。

5 結 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實際方法，且在實際應用中得以驗證。隨著我公司大功率、高轉速航空電源系統的研發，許多為試驗室配套的大功率變頻電源也陸續進入我公司。這些電源均采用脈寬調制技術，由于生產廠家技術水平不同，電源在干擾及抗干擾能力方面也存在很大差異。本文對變頻器干擾的抑制方法亦可在變頻電源使用中借鑒。目前我公司許多建設項目中涉及到多套變頻調速拖動系統及油源車、通風車等變頻調速設備。這些設備現已加工完成，準備進行安裝調試。我們對變頻調速系統的電磁干擾問題十分關心，在此結合自身經驗及相關技術人員的集體智慧提出以上分析及解決方法，希望能在今后的工作中對變頻調速拖動系統及相關設備的安裝調試提供參考及幫助。當然，隨著新技術和新理論不斷在變頻器上的應用，變頻器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。

參考文獻

[1]李國厚，洪源，田熙燕.變頻器應用中的可靠性設計[J].自動化儀表，2006，27（12）：5-9.

[2]寬厚板，姜立輝.變頻器應用中的干擾及其抑制[J].科技資訊，2007（23）：118-119.

[3]關凱，張穎.淺論變頻器應用中的干擾及其抑制[J].露天采礦技術，2009（3）：50-52.

[4]李國厚，楊青杰，寧辛.變頻器應用系統電磁兼容性的探討[J].煤礦機電， 2006（2）：52-56.