變頻器有效的抗干擾措施

在各種工業(yè)控制系統(tǒng)中，隨著變頻器等電力電子裝置的廣泛使用，系統(tǒng)的電磁干擾（EMI）日益嚴(yán)重，相應(yīng)的抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)（即電磁兼容EMC）已經(jīng)變得越來越重要。變頻器系統(tǒng)的干擾有時(shí)能直接造成系統(tǒng)的硬件損壞，有時(shí)雖不能損壞系統(tǒng)的硬件，但常使微處理器的系統(tǒng)程序運(yùn)行失控，導(dǎo)致控制失靈，從而造成設(shè)備和生產(chǎn)事故。因此，如何提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性是自動(dòng)化裝置研制和應(yīng)用中不可忽視的重要內(nèi)容，也是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵之一。談到變頻器的抗干擾問題，首先要了解干擾的來源、傳播方式，然后再針對這些干擾采取不同的措施。

  一、變頻器干擾的來源

  首先是來自外部電網(wǎng)的干擾。電網(wǎng)中的諧波干擾主要通過變頻器的供電電源干擾變頻器。電網(wǎng)中存在大量諧波源如各種整流設(shè)備、交直流互換設(shè)備、電子電壓調(diào)整設(shè)備，非線性負(fù)載及照明設(shè)備等。這些負(fù)荷都使電網(wǎng)中的電壓、電流產(chǎn)生波形畸變，從而對電網(wǎng)中其它設(shè)備產(chǎn)生危害的干擾。變頻器的供電電源受到來自被污染的交流電網(wǎng)的干擾后若不加處理，電網(wǎng)噪聲就會(huì)通過電網(wǎng)電源電路干擾變頻器。供電電源的干擾對變頻器主要有（1）過壓、欠壓、瞬時(shí)掉電（2）浪涌、跌落（3）尖峰電壓脈沖（4）射頻干擾。

  1、晶閘管換流設(shè)備對變頻器的干擾

  當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有容量較大的晶閘管換流設(shè)備時(shí)，由于晶閘管總是在每相半周期內(nèi)的部分時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，容易使網(wǎng)絡(luò)電壓出現(xiàn)凹口，波形嚴(yán)重失真。它使變頻器輸入側(cè)的整流電路有可能因出現(xiàn)較大的反向回復(fù)電壓而受到損害，從而導(dǎo)致輸入回路擊穿而燒毀。

  2、電力補(bǔ)償電容對變頻器的干擾

  電力部門對用電單位的功率因數(shù)有一定的要求，為此，許多用戶都在變電所采用集中電容補(bǔ)償?shù)姆椒▉硖岣吖β室驍?shù)。在補(bǔ)償電容投入或切出的暫態(tài)過程中，網(wǎng)絡(luò)電壓有可能出現(xiàn)很高的峰值，其結(jié)果是可能使變頻器的整流二極管因承受過高的反向電壓而擊穿。

  其次是變頻器自身對外部的干擾。變頻器的整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)來說是非線性負(fù)載，它所產(chǎn)生的諧波對同一電網(wǎng)的其它電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾。另外變頻器的逆變器大多采用PWM技術(shù)，當(dāng)工作于開關(guān)模式且作高速切換時(shí)，產(chǎn)生大量耦合性噪聲。因此變頻器對系統(tǒng)內(nèi)其它的電子、電氣設(shè)備來說是一電磁干擾源。

  變頻器的輸入和輸出電流中，都含有很多高次諧波成分。除了能構(gòu)成電源無功損耗的較低次諧波外，還有許多頻率很高的諧波成分。它們將以各種方式把自己的能量傳播出去，形成對變頻器本身和其它設(shè)備的干擾信號(hào)。

  （1）輸入電流的波形變頻器的輸入側(cè)是二極管整流和電容濾波電路。顯然只有電源的線電壓UL大于電容器兩端的直流電壓UD時(shí)，整流橋中才有充電電流。因此，充電電流總是出現(xiàn)在電源電壓的振幅值附近，呈不連續(xù)的沖擊波形式。它具有很強(qiáng)的高次諧波成分。有關(guān)資料表明，輸入電流中的5次諧波和7次諧波的諧波分量是最大的，分別是50HZ基波的80％和70％。

  （2）輸出電壓與電流的波形絕大多數(shù)變頻器的逆變橋都采用SPWM調(diào)制方式，其輸出電壓為占空比按正弦規(guī)律分布的系列矩形式形波；由于電動(dòng)機(jī)定子繞組的電感性質(zhì)，定子的電流十分接近于正弦波。但其中與載波頻率相等的諧波分量仍是較大的。

  二、干擾信號(hào)的傳播方式

  變頻器能產(chǎn)生功率較大的諧波，由于功率較大，對系統(tǒng)其它設(shè)備干擾性較強(qiáng)，其干擾途徑與一般電磁干擾途徑是一致的，主要分傳導(dǎo)（即電路耦合）、電磁輻射、感應(yīng)耦合。具體為:首先對周圍的電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射;其次對直接驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電磁噪聲，使得電機(jī)鐵耗和銅耗增加;并傳導(dǎo)干擾到電源，通過配電網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)給系統(tǒng)其它設(shè)備;最后變頻器對相鄰的其它線路產(chǎn)生感應(yīng)耦合，感應(yīng)出干擾電壓或電流。同樣，系統(tǒng)內(nèi)的干擾信號(hào)通過相同的途徑干擾變頻器的正常工作。

  （1）電路耦合方式即通過電源網(wǎng)絡(luò)傳播。由于輸入電流為非正弦波，當(dāng)變頻器的容量較大時(shí)，將使網(wǎng)絡(luò)電壓產(chǎn)生畸變，影響其他設(shè)備工工作，同時(shí)輸出端產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾使直接驅(qū)動(dòng)的電機(jī)銅損、鐵損大幅增加，影響了電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性。顯然，這是變頻器輸入電流干擾信號(hào)的主要傳播方式。

  （2）感應(yīng)耦合方式當(dāng)變頻器的輸入電路或輸出電路與其他設(shè)備的電路挨得很近時(shí)，變頻器的高次諧波信號(hào)將通過感應(yīng)的方式耦合到其他設(shè)備中去。感應(yīng)的方式又有兩種：

  a、電磁感應(yīng)方式，這是電流干擾信號(hào)的主要方式；

  b、靜電感應(yīng)方式，這是電壓干擾信號(hào)的主要方式。

  （3）空中幅射方式即以電磁波方式向空中幅射，這是頻率很高的諧波分量的主要傳播方式。

  三、變頻調(diào)速系統(tǒng)的抗干擾對策

  根據(jù)電磁性的基本原理，形成電磁干擾（EMI）須具備三要素:電磁干擾源、電磁干擾途徑、對電磁干擾敏感的系統(tǒng)。為防止干擾，可采用硬件抗干擾和軟件抗干擾。其中，硬件抗干擾是應(yīng)用措施系統(tǒng)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)的藕合通道、降低系統(tǒng)干擾信號(hào)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。

  1、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(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中，通常是電源和放大器電路之間電源線上采用隔離變壓器以免傳導(dǎo)干擾，電源隔離變壓器可應(yīng)用噪聲隔離變壓器。

  2、在系統(tǒng)線路中設(shè)置濾波器的作用是為了抑制干擾信號(hào)從變頻器通過電源線傳導(dǎo)干擾到電源從電動(dòng)機(jī)。為減少電磁噪聲和損耗，在變頻器輸出側(cè)可設(shè)置輸出濾波器;為減少對電源干擾，可在變頻器輸入側(cè)設(shè)置輸入濾波器。若線路中有敏感電子設(shè)備，可在電源線上設(shè)置電源噪聲濾波器以免傳導(dǎo)干擾。在變頻器的輸入和輸出電路中，除了上述較低的諧波成分外，還有許多頻率很高的諧波電流，它們將以各種方式把自己的能量傳播出去，形成對其他設(shè)備的干擾信號(hào)。濾波器就是用于削弱頻率較高的諧波分量的主要手段。根據(jù)使用位置的不同，可分為:

  （1）輸入濾波器通常又有兩種：

  a、線路濾波器主要由電感線圈構(gòu)成。它通過增大線路在高頻下的阻抗來削弱頻率較高的諧波電流。

  b、輻射濾波器主要由高頻電容器構(gòu)成。它將吸收掉頻率很高的、具有輻射能量的諧波成分。

  （2）輸出濾波器也由電感線圈構(gòu)成。它可以有效地削弱輸出電流中的高次諧波成分。非但起到抗干擾的作用，且能削弱電動(dòng)機(jī)中由高次諧波諧波電流引起的附加轉(zhuǎn)矩。對于變頻器輸出端的抗干擾措施，必須注意以下方面：

  a、頻器的輸出端不允許接入電容器，以免在逆變管導(dǎo)通（關(guān)斷）瞬間，產(chǎn)生峰值很大的充電（或放電）電流，損害逆變管；

  b、輸出濾波器由LC電路構(gòu)成時(shí)，濾波器內(nèi)接入電容器的一側(cè)，必須與電動(dòng)機(jī)側(cè)相接。

  3、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(hào)控制變頻器時(shí)，要求信號(hào)線盡可能短（一般為20m以內(nèi)），且信號(hào)線采用雙芯屏蔽，并與主電路線（AC380V）及控制線（AC220V）完全分離，決不能放于同一配管或線槽內(nèi)，周圍電子敏感設(shè)備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。

  4、正確的接地既可以使系統(tǒng)有效地抑制外來干擾，又能降低設(shè)備本身對外界的干擾。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)電源零線（中線）、地線（保護(hù)接地、系統(tǒng)接地）不分、控制系統(tǒng)屏蔽地（控制信號(hào)屏蔽地和主電路導(dǎo)線屏蔽地）的混亂連接，大大降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

  對于變頻器，主回路端子PE（E、G）的正確接地是提高變頻器抑制噪聲能力和減小變頻器干擾的重要手段，因此在實(shí)際應(yīng)用中一定要非常重視。變頻器接地導(dǎo)線的截面積一般應(yīng)不小于2.5mm2，長度控制在20m以內(nèi)。建議變頻器的接地與其它動(dòng)力設(shè)備接地點(diǎn)分開，不能共地。

  5、采用電抗器

  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）所占的比重是很高的，它們除了可能干擾其他設(shè)備的正常運(yùn)行之外，還因?yàn)樗鼈兿牧舜罅康臒o功功率，使線路的功率因數(shù)大為下降。在輸入電路內(nèi)串入電抗器是抑制較低諧波電流的有效方法。根據(jù)接線位置的不同，主要有以下兩種：

  （1）電抗器串聯(lián)在電源與變頻器的輸入側(cè)之間。其主要功能有：

  a、通過抑制諧波電流，將功率因數(shù)提高至（0.75-0.85）；

  b、削弱輸入電路中的浪涌電流對變頻器的沖擊；

  c、削弱電源電壓不平衡的影響。

  （2）直流電抗器串聯(lián)在整流橋和濾波電容器之間。它的功能比較單一，就是削弱輸入電流中的高次諧波成分。但在提高功率因數(shù)方面比交流電抗器有效，可達(dá)0.95，并具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

  6、合理布線

  對于通過感應(yīng)方式傳播的干擾信號(hào)，可以通過合理布線的方式來削弱。具體方法有：

  （1）設(shè)備的電源線和信號(hào)線應(yīng)量遠(yuǎn)離變頻器的輸入、輸出線；

  （2）其他設(shè)備的電源線和信號(hào)線應(yīng)避免和變頻器的輸入、輸出線平行；

  四、結(jié)論

  通過對變頻器應(yīng)用過程中干擾的來源和傳播途徑的分析，提出了解決這些問題的實(shí)際對策，隨著新技術(shù)和新理論不斷在變頻器上的應(yīng)用，重視變頻器的EMC要求，已成為變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用必須面對的問題，也是變頻器應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵之一。變頻器存在的這些問題有望通過變頻器本身的功能和補(bǔ)償來解決。工業(yè)現(xiàn)場和社會(huì)環(huán)境對變頻器的要求不斷提高，滿足實(shí)際需要的真正“綠色”變頻器也會(huì)不久面世。我們相信變頻器的EMC問題一定會(huì)得到有效解決。