變頻器應用中存在的干擾問題及對策

劉玉巖

摘 ?要：電磁干擾（EMI）廣泛存在于許多工業操控系統的運用中，極易使得處理器在運行過程中出現程序層面的失控，進而引發控制系統的終端控制失效，最終很有可能造成設備的損壞和生產事故的發生。提升系統在運行過程中的可靠性，以及對干擾因素的消除能力，是實現研制以及應用自動化工業裝置的重要基礎。該文主要介紹了變頻器的干擾來源、傳播方式以及問題所在，并針對變頻器干擾問題提出有效措施。

關鍵詞：變頻器;干擾問題;對策

中圖分類號： TN77 ? 文獻標志碼：A

0 引言

在現代化的工業制造中，變頻器在生產過程中起到了重要的控制作用，因為變頻器具有較高的調速性和節能性，所以一直受到從業者的高度肯定以及廣泛應用。然而，變頻器在運行過程中，其工作過程經常會因為外界因素而受到干擾，再加上其自身運行時可能會出現一些問題，因此就會不同程度地影響設備的穩定運行。在運行過程中，變頻器內部會產生高頻次的諧波，此時周圍的運行裝置就會受到不同程度的干擾，而這些設備也會反過來作用于變頻器。為了保障變頻器的高效使用，對變頻器的抗干擾技術提出了更高的標準和要求。如何提升變頻器在抗干擾方面的性能，筆者建議應確定干擾源，并對其傳播方式進行探究，然后再依據實際情況的差異性，采取針對性的措施。

1 變頻器應用中的干擾來源

1.1 變頻器對外界電氣設備的干擾

變頻器中的非線性負載是非常重要的部分，其與逆變作用密切相關，因此，當變頻器突然打開或者突然關閉的時候，內部的逆變部分就會發生高速切換，進而出現一系列耦合性噪聲。另外，在整流的過程中，交流電經過一系列電路轉換成為直流電，這也就成為了電網的非線性負載，大量的諧波會在這一過程中產生。大量的諧波包括在輸入、輸出的電子流中，這些諧波將會以各種方式將能量傳播到外界，從而導致外界的電子設備和變頻器本身受到干擾。所以，就其他運行的電氣設備來說，變頻器也成為了一種電磁干擾源。

1.2 外部電網對變頻器產生的干擾

在外部電網中存在大量諧波，這些諧波將成為干擾變頻器主要因素。電網中諧波的干擾問題主要體現在供電電源，像整流設備、電子調整設備等也會因為諧波而發生相應變化。這里以供電電源為例，當電路中有電流通過時，整流設備等會引起電路電壓的波形變化，進而可能威脅對應設備[1]。此時如果沒有及時處理變頻器的供電電源，那么其電網系統中的干擾作用會持續存在，干擾范圍不斷擴大，最終對變頻器整體產生干擾作用。供電電源的干擾作用表現為4種。1）浪涌和跌落。2）射頻干擾。3）欠壓、過壓以及瞬時掉電。4）電壓尖峰脈沖。

1.2.1 晶閘管換流設備對變頻器的干擾

當供電網絡中引入了容量非常大的晶閘管設備時，由于晶閘管的作用，整個網絡中的電壓波形中會出現明顯的拗凹口，嚴重脫離正常情況，干擾作用較強。再加上晶閘管轉流設備工作中會向變頻器輸入較大的反向電壓，如果養護工作不到位，還會因為反向電壓過高而受損，最終造成擊穿變頻器輸入電路的后果[2]。

1.2.2 電力補償電容對變頻器的干擾

現階段國內電力部分對用電單位的功率等有明確規定，為了顯著提升系統的功率因素，許多用電單位會選擇采用電力補償電容。必須承認這種方式確實能起到積極作用，但是當補償電容的切入與切出可能會出現生產事故，網絡電壓高峰值便會隨之出現，有些設備如變頻器中的整流二極管就可能因為這一過程被擊穿。

2 變頻器應用中干擾信號的傳播方式

通常情況下，變頻器會產生較大功率的諧波，正是如此變頻器在應用過程中會干擾系統內部的電子設備，結合干擾信號的傳播途徑等就可以發現，變頻器的電磁干擾與常規設備基本相似，可以被分為3種類型：感應耦合、傳導和電磁輻射[3]。其具體內容如下。1）運行中的變頻器所產生的高頻諧波，會向空中輻射對周圍電子設備產生影響。2）其次是傳導干擾，這是由于在帶變頻器工作時，與其直接相關的電動機會被電磁噪聲干擾，然后電動機內部的鐵銅等損耗加快，干擾作用進而傳導至電源部分，最后又跟隨電網逐漸滲透到其他相關設備[4]。相同的，來自系統的干擾信號也會通過相同的路徑對變頻器的工作產生一定的干擾。

2.1 電路耦合

干擾信號電路耦合傳播是指相應干擾信號以電源為基礎，沿著電路網絡慢慢傳播。由于變頻器的自身特性，其向電路內輸入的電流不會出現正弦波動，當變頻器中的電壓容量顯著增大時，整個電網中的電壓就會發生劇烈的變化，那么其他電子設備也會受到不同程度的影響。與此同時，傳導干擾還會增加電機銅損和鐵損，又會使得電動機的正常運轉受到影響，因此可以說干擾信號的產生以電流輸入為基礎。

2.2 電磁感應與靜電感應

如果變頻器的電路設置接近其他電路設備時，因電磁感應產生的耦合就會形成，那些距離變頻器輸入電路或者輸出電路較近的設備均會受到影響。具體來說，這種干擾可以分為2種作用機制。1）電磁感應。2）靜電感應，2種感應有所差異，分別是電流和電壓干擾信號的最主要途徑。

3 提高變頻器抗干擾能力的對策

3.1 干擾隔離

進入電子設備和儀器的諧波電流，通常來源于變頻器的輸入端。針對此情況，所以只有在輸入端采取隔離措施才能有效減少對儀器的干擾影響。其具體方法，分為電源隔離以及信號隔離。

電源隔離的方式如圖1（a）所示，該電路當中專門引入了隔離變壓器，需要注意的是隔離變壓器的設備要遵循2點原則。1）變壓器的線圈數必須保持體制。2）變壓器外側要均使用金屬薄膜來加強隔離作用。當然2個隔離變壓器的電路中可以適當接入電容器。

信號隔離的方式如圖1（b）所示，該種隔離模式下信號與光電耦合器相連，促使光電耦合器起到隔離作用，比較適用于傳感器傳導線路較長的情況。但是需要注意光電耦合器兩側所連的電容器不會削減傳輸信號，即就是說當信號為直流時，可以適當增加電容量。

3.2 設置濾波器

為了實現電磁噪聲的削減作用，可以考慮在系統電路內設置濾波器，其安裝位置較多。比如想要減少能源損耗，可以在輸出端安裝濾波器，如果想要保障電源的順利運行，可以在輸入端設置濾波器[5]。與此同時也可以在電源線上安裝噪聲濾波器，使得線路中的敏感干擾大大減少。諧波信號偏高，可以用濾波器進行過濾，由于濾波器的使用位置不同，可以大致分為輸入濾波器和輸出濾波器。

3.2.1 輸入濾波器

輸入濾波器可以分為輻射濾波器與線路濾波器。

輻射濾波器的作用是吸收掉相當一部分的高頻、具有輻射能力的諧波，其構造主要為高頻電容器。

線路濾波器可以增強線路當中的阻抗作用，進而降低高頻諧波電流的干擾作用，其結構主要為電感線圈。

3.3.2 輸出濾波器

電感線圈也是構成輸出濾波器的主要材料，它可以有效降低諧波中的高頻次成分。不僅實現了抗干擾，還能降低附加轉矩[6]。

3.3 屏蔽干擾源

屏蔽干擾源其實是減少干擾最有效果的方法，也具有一定的可操作性。通常，變頻器外圍都是一層金屬殼，這樣設計的目的就是為了屏蔽亦或是削弱電磁輻射。另外，如果用鋼管對線路進行屏蔽，也是最佳選擇。此外，調控變頻器時，應該設計最短的信號線，20 m為最高限度，并且為了使信號屏蔽作用達到最佳，應該采用雙芯線路。此外，還要注意對屏蔽罩進行接地操作，該情況下才能使屏蔽到達一定效果。

3.4 合理布線

干擾信號的傳遞方式不一，當以感應的形式傳遞，合理布線是能夠削弱其對變頻器的干擾影響的，其具體操作方法如下。1）設備信號線以及電路電源線應該和輸出、入線保持較大的距離。2）避免電源線和輸入、出線處于平行狀態。

4 結語

綜上所述，通過該文對變頻器在應用過程中干擾信號的來源以及傳播途徑的深入分析，筆者具體說明了應對措施。近年來，在變頻器領域中，新技術不斷產生，理論也在不斷完善，對變頻器EMC的重視和要求，也逐漸成為變頻器研發和應用的中心。隨著工業生產和社會環境的變化和升級，對變頻器的要求只會更高，相信科學技術的發展必定會推動真正滿足需求的變頻器的面世，最終變頻器EMC問題將不再成為技術難點。

參考文獻

[1]吳忠智，吳加林.變頻器應用手冊[M].北京：機械工業出版社，2018.

[2]張燕賓. 變頻調速應用實踐[M]. 北京：機械工業出版社， 2001.

[3]鄭旭東，關鴻權，吳赤兵.通用變頻器運行過程中存在的問題及對策[J].石化 技術，2013， 8（4）：234-236.

[4]曾毅.變頻調速控制系統的設計與維護[M]. 濟南：山東科學技術出版社，2008.

[5]李燕.圖解變頻器應用[M]. 北京：中國電力出版社， 2019.

[6]馬小亮.高性能變頻調速及其典型控制系統[M]. 北京：機械工業出版社， 2016.