变频器对增量编码器的干扰及其抑制

吴 伟，蒋 琴，殷 斌，张如俊，袁小磊

（扬州捷迈锻压机械有限公司，江苏 扬州 225127）

0 引言

众所周知，变频器会对周围电气元件产生电磁干扰，特别是大功率的变频器所产生的干扰会更加严重。电气设计人员往往会想到接地处理、动力电缆和控制电缆走线隔离、 加装电抗器及电磁屏蔽环等方式抗干扰，但在实际应用中，具体的操作方式大都不明确或细节处理不正确，没有将电磁干扰消除，给后期调试带来诸多隐患。

如果变频器的干扰问题解决不好，不但影响增量编码器的正常工作，还可能使整个控制系统不能可靠运行。本文将阐述在实际应用中遇到的几类干扰现象及抑制措施。

1 变频器干扰的来源

变频器包括整流电路和脉冲电压波形发生电路，输入的交流电经过变流器和平波回路的整流，变换成直流电压，通过逆变器把直流电压变换成不同宽度的脉冲电压（称为脉宽调制电压PWM）。用这个PWM 电压驱动电机，就可以起到调整电机力矩和速度的目的。这种工作原理会导致三种电磁干扰。

（1）谐波干扰。整流电路会产生谐波电流，这种谐波电流在供电系统的阻抗上产生电压降，导致电压波形发生畸变，这种畸变的电压对于许多电子设备形成干扰（因为大部分电子设备仅能工作在正弦波电压条件下），常见的电压畸变是正弦波的顶部变平。谐波电流一定时，电压畸变在弱电源的情况下更加严重，这种干扰的特征是会对使用同一个电网的设备形成干扰，而与设备和变频器之间的距离无关。

（2）射频传导发射干扰。由于负载电压为脉冲状，因此变频器从电网吸取电流也是脉冲状，这种脉冲电流中包含了大量的高频成分，形成射频干扰，这种干扰的特征是会对使用同一个电网的设备形成干扰，与设备和频器之间的距离无关。

（3）射频辐射干扰。射频辐射干扰来自变频器的输入电缆和输出电缆。在上述的射频传导发射干扰的情形中，变频器的输入电缆上有射频干扰电流时，由于电缆相当于天线，必然会产生电磁波辐射，产生辐射干扰。变频器输出电缆上传输的PWM 电压，同样包含丰富的高频的成分，会产生电磁波辐射，形成辐射干扰。辐射干扰的特征是，当其他电子设备靠近变频器时，干扰现象变得严重。

2 抑制变频器干扰的基本措施

形成电磁干扰必须具备三要素：电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统。为防止干扰，可采用硬件抗干扰和软件抗干扰。其中，硬件抗干扰是最基本和最重要的抗干扰措施，其总体原则是抑制和消除干扰源、切断干扰对系统的耦合通道、降低系统干扰信号的敏感性。具体措施在设备上可采用隔离、滤波、屏蔽、接地等方法。

（1）采用软件抗干扰措施。即通过变频器的人机界面下调变频器的载波频率，把该值调低到一个适当的范围。如果这个方法不能奏效，那么只能采取下面的硬件抗干扰措施。

（2）进行正确的接地。正确的接地既可以使系统有效地抑制外来干扰，又能降低设备本身对外界的干扰，是解决变频器干扰最有效的措施。①变频器的主回路端子 PE（E、G）必须接地。该接地可以和变频器所带的电机共地，但不能与其他设备共地，必须单独打接地极，且该接地点应该尽量远离弱电设备的接地点。同时，变频器接地导线的截面积应不小于4mm2，长度应控制在20m 以内。②单独接地。其他元件或设备的保护接地和工作接地应分开单独设接地极。控制信号的屏蔽接地和主电路导线的屏蔽接地也应分开单独设接地极。

（3）屏蔽干扰源。屏蔽干扰源是抑制干扰很有效的方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽，可以不让其电磁干扰泄露，但变频器的输出线最好用钢管屏蔽，特别是以外部信号（从控制器上输出4～20mA 信号）控制变频器时，要求该控制信号线尽可能短（一般为20m 以内），且必须采用屏蔽双绞线，并与主电路线（AC380）及控制线（AC220V）完全分离。此外，系统中的电子敏感设备线路也要求采用屏蔽双绞线。且系统中所有的信号线决不能和主电路线及控制线放于同一配管或线槽内。为使屏蔽有效，屏蔽层必须可靠且独立接地。

（4）合理的布线。设备的电源线和信号线应尽量远离变频器的输入、输出线；其他设备的电源线和信号线应避免和变频器的输入、输出线平行。

（5）干扰的隔离。所谓干扰的隔离，是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系。通常是在电源和控制器及变送器等放大器电路之间在电源线上采用隔离变压器以免传导干扰，电源隔离变压器可应用噪声隔离变压器。

（6）在系统线路中设置滤波器。设备滤波器的作用是为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电源和电动机。为减少电磁噪声和损耗，在变频器输出侧可设置输出滤波器；为减少对电源干扰，可在变频器输入侧设置输入滤波器。若线路中有增量编码器等电子元件，可在该设备的电源线上设置电源噪声滤波器以免传导干扰。滤波器根据使用位置的不同，可分为：①输入滤波器。有线路滤波器和辐射滤波器。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抗来削弱频率较高的谐波电流；辐射滤波器主要由高频电容器构成，它将吸收点频率很高的、具有辐射能量的谐波成分。②输出滤波器。输出滤波器由电感线圈构成，它可以有效削弱输出电流中的高次谐波成分，不但起到抗干扰的作用，且能消弱电动机中由高次谐波产生的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： 一是变频器的输出端不允许接入电容器，以免在逆变管导通（关断）瞬间，产生峰值很大的充电（或放电）电流，损害逆变管；二是当输出滤波器由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。

（7）采用电抗器。在变频器的输入电流中频率较低的谐波成分（5 次谐波、7 次谐波、11 次谐波、13 次谐波等）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外，还因为它们消耗了大量的无功功率，使线路的功率因素大为下降。在输入电路内串入电抗器是抑制较低谐波电流的有效方法。根据接线位置的不同，主要有以下两种： ①交流电抗器：串联在电源与变频器的输入侧之间。其主要功能包括通过抑制谐波电流，将功率因素提高至（0.75-0.85）； 削弱输入电路中的浪涌电流对变频器的冲击；削弱电源电压不平衡的影响，等。②直流电抗器：串联在整流桥和滤波电容器之间。它的功能比较单一，就是削弱输入电流中的高次谐波成分。但在提高功率因素方面比交流电抗器有效，可达0.95，并具有结构简单、体积小等优点。

图1 是一个解决变频器干扰的典型方案。如图所示，变频器的抗干扰措施主要包括在变频器进线部分加装交流电抗器和滤波器，进线和出线采用屏蔽电缆，所有电缆的屏蔽层与电抗器、滤波器、变频器和电机的保护地共同接地，且该接地点与其他接地点分开，保持足够的距离。同时，信号电缆和变频器的动力电缆不要平行布置。

图1 变频器干扰解决方案示意图

3 增量编码器的防干扰措施

3.1 增量编码器的选型

编码器的输出类型对抗干扰很重要，输出带反向信号的抗干扰要更好，即 A+～A-,B+～B-,Z+～Z-，其特征是加上电源 8 根线，而不是 5 根线(共零)。带反向信号的在电缆中的传输是对称的，受干扰小，在接受设备中也可以再增加判断（例如接受设备的信号利用 A、B 信号 90°相位差，读到电平 10、11、01、00 四种状态时，计为一有效脉冲），此方案可有效提高系统抗干扰性能（计数准确）。

编码器属精密元件，在很多情况下编码器并没有坏，而只是干扰的原因，造成波型不好，导致计数不准，比如编码器周围有大功率变频器在工作，则可能受到其电磁干扰。

编码器自身有好坏，其码盘、电子芯片、内部电路和信号输出的差别很大，选型时应选择品质有保证的品牌。

3.2 抑制干扰的案例

（1）接地线的细节处理。提到传感器抗干扰问题，大家最先想到的即是处理好各类接地。首先是干扰源的接地，即变频器带来的电磁干扰，除了上面讲过的基本措施外，在此特别强调，有条件时将变频器接电机的电缆换成带屏蔽专用电缆，并将屏蔽层单独接地。

其次考虑编码器自身的接地。在实际应用中，发现如果将编码器电缆的屏蔽线接入电柜的集中接地块，依然有被干扰的情况发生，计数无规律跳动。而将编码器电缆屏蔽线拆掉，现象有缓解，这证明接入电柜的接地块反而对编码器有干涉，最后将编码器电缆屏蔽线独立接地出去，计数无规律现象消失。

以上可看出，编码器这类的敏感传感器的电缆屏蔽线应独立接地。

（2）编码器的供电电源。编码器的电源正常由相应电压的稳压电源来提供。在实际应用中，周边变频器的电磁干扰会对此电源产生干扰现象，使编码器计数不稳定。此时需要隔离电源来取代常规稳压电源，更换后，编码器的异常现象消失。

（3）编码器的供电电压。编码器供电电压一般是直流10V～24V 或者直流10V～30V，正常情况我们会用较普遍的直流24V 电压给编码器供电。有时会发现编码器出现计数停滞现象，此时需要查看编码器外部温度，如果明显感觉编码器的温度偏高，则可能是供电电压偏高。比如将供电电压换成直流12V，编码器外部温度正常，计数停滞现象消失。此类异常情况不能和变频器的电磁干扰混淆。

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