变频器的干扰抑制实例分析

吴惠强 杨 炯

（江苏盛虹化纤有限公司，江苏 吴江 215228）

1 引言

随着电力电子技术的发展，供电系统增加了大量的非线性负载，特别是变频器，从低压小容量家用电气到高压大容量的工业变频器广泛使用，变频器在工作中产生功率较大的谐波，由于功率较大，对系统其他设备干扰性较强，其干扰途径与一般电磁干扰途径是一致的，主要分传导（即电路耦合）、电磁辐射、感应耦合。使得电磁干扰（EMI）日益严重，相应的抗干扰设计（即电磁兼容EMC）已经变得越来越重要。有时电磁干扰能直接造成系统的硬件损坏，有时虽不能损坏系统的硬件，却常使微处理器的系统程序运行失控，导致控制失灵，从而造成设备的生产事故。因此，如何提高系统的抗干扰能力和可靠性是自动化装置研制和应用中不可忽视的重要内容，也是计算机控制技术应用和推广的关键之一。

我们一般抑制谐波干扰常用的方法有：抑制（包括采用增加交流/直流电抗器、多相脉冲整流等）、隔离、滤波、屏蔽、接地等，这些抗干扰措施可根据系统的抗干扰要求合理选择使用。

以下重点讲述我公司技术人员在生产实践中经常采用的抑制谐波干扰的具体实施例子。

2 实例1

本厂的3线螺杆压力闭环系统，在变频器起动后，控制系统的仪表（RKC，F900F810*8—AD仪表输入4～20mA）显示压力在±2MPa左右波动，压力探头（Dynisco 0～35MP输出4～20mA）。变频器（安川616H3）上的频率±5Hz左右波动在（±2Hz）。因为是闭环系统，所以要有一点在波动会是整个压力系统都在波动，如图1所示。

图1

思路：先将仪表打手动控制，输出固定60%，压力还是上下来回波动，现仪表输出13.6mA变频36Hz，这就排除变频和仪表输出，想通过调正仪表PID（d↑微分系数为小，对即时变化反应不够快，反映措施不力，I↓积分系数过大，使微分反应被淹没饨化）调正后基本无效果。排除设制不当。分析认为是干扰引起的，通过示波器分析在变频器的输入电流中频率较低的谐波量（5次、7次、11次、13次）所占的比重是很高的它们除了可能干扰其他设备的正常运行之处还因为它们消耗了大量的无功功率使线路的功率因数大为下降。

现针对变频干扰采取必要的措施先从以下几方面着手：

（1）加装交流电抗器

交流电抗器串联在电源与变频器的输入侧之间，其目的是通过抑制谐波电流，将功率因数提高至0.75～0.85，削弱输入电路中的浪费电流对变频器的冲击，削弱电源电压不平衡的影响。

（2）加装直流电抗器

直流电抗器，串联在整流桥和滤波电容器之间，其目是进一步削弱输入电流的高次谐波成分，但同时也可以将功率因数提高到0.95，如图2所示。

（3）在输入输出侧加装滤波器

一般输入滤波器通常又分两种：

1）线路滤波器主要由电感线圈构成。它通过增大线路在高频下的阻扰来削弱频率较高的谐波电流。

图2

2）辐射滤波器主要由高频电容器构成，它将吸收掉频率很高的具有辐射能量的谐波成分。

一般输出滤波器也由电感线圈构成。它可以有效地削弱输出电流中的高次谐波成分。不仅起到抗干扰的作用，且能削弱电动机中由高次谐波电流引起的附加转矩。对于变频器输出端的抗干扰措施必须注意以下方面：①变频器的输出端不允许接入电容器，以免在逆变管导通风关断瞬间，产生峰值很大充电（或放电）电流，损害逆变管；②当输出滤波器由LC电路构成时，滤波器内接入电容器的一侧必须与电动机侧相接。

（4）检查接地系统

由于系统电源零线（电线）地线（保护接地、系统接地）不分，控制系统屏蔽地（控制信号屏蔽地和主电路导线屏蔽地）的混乱连接会大大降低系统的稳定性和可靠性。

通过处理后，压力波动在（±0.3MPa）频率波动在（±1Hz），谐波干扰基本抑制，系统工作正常。

3 实例2

本厂一台VC443牵伸机系统有144个温度点有一台单片机控制，同时有一台变频器控制拖动。在变频器不工作时温度显示正常±1℃范围，但变频工作时温度波动且在大约30s周期±15℃波动，通过现象分析了解，初步认为是干扰引起的。在对现场维修人员的了解中，得知原控制板上有2个5V电源烧坏1个后合用1个开关电源，后开机出现温度异常。分析认为可能问题出在电源上。

单片机控在接口电路中采用光电隔离，如图2。光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲帮各种噪声干扰，使通道上的信号噪声比大为提，主要有以下几方面的原因：

（1）光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，常为105～106Ω。由于没有足够的能量而不能使二极管发光，从而被抑制掉了。

（2）光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。

最后经过仔细分析，在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别使用独立的电源，若两端共用一个电源，则光电耦合器的隔离作用将失去意义。当用光电耦合器来隔离输入输出通道时，必须对所有信号（包括数字量信号、控制量信号、状态信号）全部隔离，使得被隔离的两边没有任何电气上的联系，否则这种隔离是没有意义的。电源分开后温控工作正常。

4 结论

通过应用过程中干扰的来源和传播途径的分析，提出了解决这些问题的实际对策。大量的电磁干扰产生，如不加以抑制，将影响整个控制系统的正常工作。但完全消除电磁干扰是不现实的。电磁干扰的抑制应根据不同元器件，不同的电磁环境采取适当的抑制措施，以系统可以正常工作为衡量标准，没有必要单纯为了追求电磁干扰抑制指标而采取复杂的措施。通常电磁干扰抑制能力的强弱与投资成正比。

我们在电气控制系统设计应注意的其他问题：

（1）确保控制柜中的所有设备接地良好。另外与变频器相连的控制设备（如PLC或PID控制仪）要与其共地。

（2）安装布线时将电源线和控制电缆分开，例如使用独立的线槽等。如果控制电路连接线必须和电源电缆交叉，应成90°交叉布线。

（3）使用屏蔽导线或双绞线连接控制电路时，确保未屏蔽之处尽可能短。

（4）确保控制柜中的接触器有灭弧功能，交流接触器采用R-C抑制器，也可采用压敏电阻抑制器，如果接触器是通过变频器的继电器控制的，这一点特别重要。

（5）铠装电缆作为电机接线时，要将屏蔽层接地。

（6）在设备排列布置时，应尽量交容易受干扰的弱电控制设备与变频器分开，比如将动力配电柜放在变频器与控制设备之间。

（7）尽量减少变频器与控制系统不必要的连线，以避免传导干扰。除了控制系统与变频器之间必须的控制线外，其它如控制电源等应分开。由于控制系统及变频器均需要24V直流电源，而生产厂家为了节省一个直流电源，往往用一个直流电源分成两路分别对两个系统供电，有时变频器会通过直流电源对控制系统产生传导干扰，所以在设计中或订货时要特别加以说明，要求用两个直流电源分别对两个系统供电。

（8）注意防止发生共振现象。由于定子电流中含有高次谐波成分，电机转矩中含有脉动分量，有可能造成电机的振动与机械振动产生共振，使设备出现故障。应在预先找到负载固有的共振频率后，利用变频器频率跳跃功能设置，躲开共振频率点。

变频调速电气系统的电磁兼容性是一项十分复杂的系统工程。首先要找到干扰的源头，先把源头抑制，要根据现场的实际情况，综合考虑，采取经济、可行的抑制干扰措施。有许多实际的工作经验需要总结，还有许多的理论需要探讨。随着新技术和新理论不断应用，我们相信EMC问题一定会得到有效解决。

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