变频调速系统中变频器的干扰及抑制

田苗　朱宇

摘 要：文中对变频器在实际应用中产生的电磁干扰和干扰抑制措施进行分析研究，并对目前使用变频调速的设备或系统，在控制、测量中出现的常见的电磁干扰问题予以列举。提出相应的预防和解决措施，便于相关技术人员参阅，同时也对以后变频调速设备在安装、布线、测量等方面提供借鉴，使变频调速技术更好地服务于公司的科研生产。

关键词：变频器；变频调速；电磁干扰；干扰抑制

中图分类号：TM921.51 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）08-00-04

0 引 言

变频器调速技术主要用于对交流电机的转速实现无级调节，该技术经过数十年的不断发展，已日臻成熟，是汇集自动控制、微电子、电力电子、通信等多学科的综合技术，变频器调速技术具有调速平滑、范围大、运行平稳、节能效果显著等优点从而获得了广泛的应用。由于启动平稳，可以减少系统中对功率设备的机械冲击，延长设备使用寿命。随着工业自动化产业的高速发展，变频器以其可靠、高效率、电路简洁及低能耗等显著优点，广泛应用于工业控制的各个领域，成为电力拖动的重要组成部分。

目前，变频调速技术在航空工业领域内得到迅速推广。我单位变频调速技术主要应用在试验拖动台的转速调节、油源车的流量调节及供风车的风量调节等方面，其功率从3 kW到315 kW不等。在试验拖动方面，主要控制拖动台的转速、加减速度等指标；在油源车和供风车方面，控制冷却滑油流量、压力和产品的进风风量、压力。在变频调速技术出现的同时，变频器所带来的干扰等一系列问题也随之而来。实践证明，变频调速技术如果使用得当，则能保证系统正常运行和及调节精度，反之系统会因干扰问题而无法正常工作。根据我公司目前变频器的应用情况并考虑到今后在应用中应注意的问题，有必要对变频器在应用中的干扰问题进行研究、探讨。以试验室的变频调速拖动试验系统及变频控制技术在油源车和风机中的应用情况为例，说明变频系统干扰对设备工作的影响及干扰的抑制方法。

1 变频调速系统的电磁干扰

在变频调速系统中，变频器自身产生的电磁干扰是系统主要的干扰源。由于变频器中的逆变部分是通过大功率电力电子开关元件来产生一定宽度和极性的PWM控制信号，这种具有陡边沿的脉冲信号会产生很强的电磁干扰，通过电路传导和以场的形式传播出去，产生大量耦合性噪声，形成对其它线路及设备的干扰。在试验室中，变频器产生的干扰影响主要表现在对周围其它电子设备的稳定工作和测试设备（包括高阻抗的数字式测试仪器、测量传感器等）的准确测量造成影响，造成电子设备工作不稳定或测试设备误差增大、测量精度降低等。随着测控系统自动化程度的不断提高，计算机自动控制技术应用愈加广泛，近几年来我们试验室建成的试验测控系统大多采用计算机自动控制技术，但由于缺乏有效的抗干扰措施，对整体测试的准确性造成一定影响。另外，随着检测技术要求的不断提高，测试仪器、仪表也逐步从传统的模拟式转换为数字式仪器仪表。数字式仪器仪表虽在功能、精度上得到很大提高，但由于其输入的高阻抗特性，外部干扰信号不能被滤除，从而造成测量结果失真。在实验室中，经常用到的电测仪器包括数字多用表、示波器、谐波分析仪、数字功率计等。由于变频器工作时产生电磁干扰，在实际测试中，曾出现发电机及永磁机频率无法测量、谐波含量测量误差大、电压波形失真、功率因数测量不准确等问题。在油源车及通风车中，由于使用变频器进行流量和风量的调节，将非电量转换为电量测量，曾出现设备中的流量表和温度表工作不正常的现象，之后采用了防干扰措施才使设备恢复正常。另一方面，变频器也会对自身的控制回路产生干扰。如果变频器的干扰问题解决不好，调速系统自身将无法稳定、可靠地运行。

2 电磁干扰传播途径

变频器对其它设备的干扰主要分为电磁辐射、传导和感应耦合。

（1）对周围的电子、电气设备产生电磁辐射；

（2）对拖动电动机产生电磁噪声，使得电动机铁耗和铜耗增加，并传导干扰到电源，通过配电网络传导给系统其它设备；

（3）变频器对相邻的其它线路产生感应耦合，感应出干扰电压或电流。同样，系统内的干扰信号通过相同的途径干扰变频器的正常工作。

2.1 电磁辐射

变频器如果不是处在一个全封闭的金属外壳内，它就可以通过空间向外辐射电磁波。其辐射场强取决于干扰源的电流强度、装置的等效辐射阻抗以及干扰源的发射频率。变频器的整流桥对电网来说是非线性负载，它所产生的谐波对接入同一电网的其它电子、电气设备产生谐波干扰。变频器的逆变桥大多采用PWM技术，当根据给定频率和幅值指令产生预期的和重复的开关模式时，其输出的电压和电流的功率谱是离散的，并且带有与开关频率相应的高次谐波群。高载波频率和场控开关器件的高速切换（du/dt可达1 kV/μs以上）所引起的辐射干扰问题相当突出。当变频器的金属外壳带有缝隙或孔洞时，辐射强度与干扰信号的波长有关，当孔洞大小与电磁波的波长接近时，导致干扰辐射源向四周辐射。而辐射场中的金属物体还可能形成二次辐射。同样，变频器外部的辐射也会干扰变频器的正常工作，这一点在变频器使用密集或其它设备密集的地方尤为突出。

2.2 传导

电磁干扰除了通过与其相连的导线向外部发射，也可以通过阻抗耦合或接地回路耦合将干扰带入其它电路。与辐射干扰相比，其传播的路程可以很远。比较典型的传播途径是：变频器所产生的干扰信号将沿着配电变压器反馈进入电网，使配电母线上的其它电气设备成为远程的受害者。

2.3 感应耦合

感应耦合是介于辐射与传导之间的第三条传播途径。当干扰源的频率较低时，干扰的电磁波辐射能力相当有限，虽然该干扰源不直接与其它导体连接，但此时的电磁干扰能量可以通过变频器的输入、输出导线与其相邻的其它导线或导体产生感应耦合，在邻近导线或导体内感应出干扰电流或电压。在试验室中，比较典型的如在油源车、通风机控制方面，工频电及变频器的低频输出均能对流量、压力等信号线产生感应耦合干扰，工频干扰使测量仪表即使在零输入状态下依旧显示非零数值，变频器低频输出产生的感应干扰可使实际信号与干扰信号叠加，导致测量不准确。感应耦合可以导体间电容耦合的形式出现，也可以由电感耦合的形式或电容、电感混合的形式出现，这与干扰源的频率以及与相邻导体的距离等因素有关。

3 电磁干扰的预防和抑制

据电磁学的基本原理，形成电磁干扰（EMI）需具备电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统三个要素。为防止干扰，通常可采用硬件和软件的抗干扰措施。其中硬件抗干扰是最基本和最重要的抗干扰措施，一般应从抗和防两方面入手来抑制干扰，其总原则是抑制和消除干扰源、切断干扰对系统的耦合通道、降低系统对干扰信号的敏感性。在工程上可采用隔离、滤波、屏蔽、接地等方法。

3.1 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。在我公司试验室早期的变频调速系统中，由于缺乏对电磁干扰本质的认识，拖动设备与其它试验设备共用同一变压器，结果使得其它试验设备工作不稳定，经常出现设备保护及误动作等故障，严重影响科研生产的顺利进行。经过多方查找原因，终于发现由于多台设备共用一台变压器，使干扰信号通过变压器传导至其它用电设备所致。经改正后，设备恢复正常。其它形式的共用电源也曾使试验系统出现故障，200 kW变频拖动系统是我公司近年来投入的一台较新设备。在某交流电源系统试验中，由于该电源控制器试验台中直流电源与变频调速控制台中的直流电源共用。而该直流电源又直接提供给发电机控制器，干扰信号由该电源进入控制器形成传导干扰，使发电机控制器无法正常工作。后经分析，若单独为发电机控制器试验台内加装直流电源，系统工作正常。高档仪器仪表内部电源均有隔离变压器，可有效防止电磁干扰，但普通仪表内部大多数没有隔离变压器。例如油源车、通风车控制台上的仪表及自制试验台上的仪表等。这些仪表内一些敏感元器件易受外界干扰，导致许多通过这些仪表供电的有源传感器损坏。所以在设计控制系统时，应考虑在电源端加装隔离变压器。综上所述，试验室应在常规用电设备和变频调速系统的用电上采取单独配电或隔离措施。通常情况下，电源隔离变压器可应用噪声隔离变压器；另一种是指物理意义上的隔离，将干扰源与易受干扰的线路分离，或尽量增大干扰源与被干扰对象之间的距离，以降低线路间的感应耦合。

3.2 滤波

实践证明，滤波对于消除系统干扰信号而言不失为一种好方法，且已得到广泛应用。对于测试系统，在电信号测量上，很有必要加装滤波环节，滤波器的选择应根据被测用信号及干扰信号的频率、幅值选定。这一点在频率、流量、压力等信号测量上十分重要。即使在隔离、屏蔽、接地等防干扰措施到位的情况下，有时滤波也是防止干扰不可缺少的一环。例如在某型电源系统转至110 kW变频调速系统试验后，曾出现发电机永磁机频率无法正常测量的问题，虽选用不同屏蔽电缆或不同接地方式，但抑制效果均不明显，在试验台内部靠近测试仪表端加装滤波环节后效果显著。同样为该电源发电机配套的油源车流量测量系统，起初也因受干扰显示不正常，加装了滤波环节后，系统恢复正常。由于工频电网中存在各种整流设备、交直流互换设备及非线性负载等谐波源，这些负荷会使电网中的电压、电流产生波形畸变，若这些干扰不加以抑制，则会通过电源电路干扰变频器工作。供电电源对变频器的干扰主要有过压、欠压、瞬时掉电、浪涌、跌落、尖峰电压脉冲、射频干扰。为了减少变频器与电网之间的干扰，可在变频器输入侧设置输入滤波器。若线路中有敏感电子设备，可在电源线上设置电源噪声滤波器，以免传导干扰。对拖动电机而言，在变频器输出侧设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号，防止干扰从变频器侧通过电源线传导至电动机，从而减少电动机的电磁噪声和损耗。

3.3 屏蔽

屏蔽是抑制干扰最有效的方法之一。对于变频器而言，通常采用铁壳屏蔽，不让其电磁干扰泄漏。变频器的输出线一般用钢管屏蔽，以防止产生辐射干扰。当以外部信号控制变频器时，信号线应尽可能短（一般在20 m内），信号线应采用双芯屏蔽，并与主电路及控制回路完全分离，不能放于同一线管或线槽内。为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地，对干扰源周围的电子设备及测量线路也应予以屏蔽。许多造价低廉的小型仪表内部屏蔽措施较差，当有干扰信号时，便不能正常工作。在某油源车调试时，设备中尽管采取了隔离、测量线屏蔽等措施，但只要变频器开始工作，该控制台上的流量表就会受到干扰而无法正常工作，更换几块同型号的仪表后仍存在相同现象。由于仪表不能正常工作，不得不将此类仪表退货，更换其他厂家带屏蔽的仪表后设备方可正常工作。

3.4 接地

实践证明，接地往往是抑制噪声和防止干扰的重要手段。良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。接地方式分为多种，要根据具体情况采用，但应注意不要因为接地不良而对设备产生干扰。

（1）单点接地指在一个电路或装置中，只有一个物理点定义为接地点。该接地方式低频性能好。

（2）多点接地是指装置或系统中设有多个接地点，接地信号就近接地。此接地方式高频性能好。

（3）混合接地根据信号频率和接地线长度采用单点接地和多点接地共用的方式。

在一般情况下，试验用电源、仪器、仪表均有专用接地端子（示波器等其它不允许接地的仪器除外），信号传输屏蔽导线的接地方法一般采用单点接地。例如在许多试验中，经常出现发电机及永磁机频率信号测量仪表显示不稳的现象，但在测量相同频率的中频电源信号时则显示正常。检查发现传输导线的屏蔽层接地良好，只存在两点或多点接地现象，逐次从仪表端脱开接地点，仪表测量仍然不正常。反过来再从发电机端依次脱开接地点，在剩余最靠近测量仪表的一个接地点时，仪表显示正常。其原因在于采用多点接地时，由于各接地点的电位不同，会在屏蔽层上产生电位差，使屏蔽层上产生电流，进而形成干扰磁场。而如果单点接地端远离测量仪表，则由于测量导线过长会在接地端后形成新的干扰。所以测量导线屏蔽层接地端应选择靠近测量仪表的一端。根据上述方法，我们对所有采用变频器的油源车重新进行了接地处理，并对不合理的布线进行了整改，基本解决了干扰问题。从安全和降低噪声的需要出发，变频器安装时必须接地。其接地端不能与其它设备接地端共用。变频器的接地方式有多点接地、一点接地及经母线接地等。变频器本身有专用接地端子PE端，既不能将地线接在电器设备的外壳上，也不能接在零线上，只能通过较粗的短线将接地端子PE端与接地极相连，接地电阻应小于1Ω，接地线长度在20 m以内，并注意合理选择接地极的位置。

上述抗干扰措施可根据系统的要求来合理选择与使用。任何一种方法都不是万能的，例如在油源车流量测量仪表防干扰问题上，可远离变频器及变频器的输入输出线。若条件不允许，应对数字式仪器、仪表本身、测量线进行屏蔽。屏蔽线的外套金属网不能两端接地，只能一端接地，或使用双绞线作为仪表的输入线，仪表输入端加装滤波措施等。在干扰严重的地方可以综合考虑采用多种措施：双绞线+屏蔽套、屏蔽箱、运距离、变频器输入输出线加磁环、电抗器等。对于采用微机控制的系统，还须在软件上采取抗干扰措施。另外，为抑制变频器输入侧的谐波电流，改善功率因数，可在变频器输入端加装交流电抗器，由选用电源变压器与变频器容量的匹配情况及电网允许的畸变程度而定，一般情况下采用。为改善变频器输出电流，减少电动机噪声，可在变频器输出端加装交流电抗器。

4 变频调速系统安装过程中的抗干扰措施

对于采用变频器的调速控制系统，合理的安装布置也是预防电磁干扰的重要环节。

4.1 变频控制系统安装中应注意的问题

在变频控制系统安装中应注意以下问题：

（1）在设备安装布置时，应该注意将变频器单独布置，尽量减少可能产生的电磁辐射干扰。在实际工程中，由于受到房屋面积的限制往往不可能有单独布置的位置，应尽量将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；

（2）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，其它信号电缆应尽可能与之分开。在变频控制系统中，变频器和控制系统一般都需要24 V直流电源，由于变频器可能会通过直流电源对控制系统产生传导干扰，所以要求用两个独立的直流电源分别对两个系统供电；

（3）注意变频器对电网的干扰。变频器在运行时产生的高次谐波会对电网产生影响，使电网波型严重畸变，可能造成电网电压降很大，电网功率因数降低，大功率变频器应特别注意。解决方法主要有采用无功自动补偿装置以调节功率因数，同时根据具体情况在变频器电源进线侧加电抗器以减少对电网产生的影响，进线电抗器可以要求由变频器供应商配套提供，但在订货时要加以说明；

（4）在变频器柜内除本机专用的空气开关外，不宜安置其它操作性开关电器，以免开关噪声入侵变频器，造成误动作。

4.2 变频器的安装

由于变频器属于精密的功率电力电子产品，其现场安装工艺的好坏直接影响着变频器的正常工作。正确的安装可以确保变频器的安全和无故障运行，结合实际经验，将安装工艺总结如下：

（1）确保控制柜中的所有设备接地良好，应使用短、粗的接地线（最好采用扁平导体或金属网）连接到公共地线上。按国家标准规定，其接地电阻应小于1Ω。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，条件允许时应采用电缆套管；

（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）用屏蔽和铠装电缆作为电机接线时，要将屏蔽层双端接地。

5 结 语

以上通过对变频器运行过程中存在的干扰问题的分析，提出了解决这些问题的实际方法，且在实际应用中得以验证。随着我公司大功率、高转速航空电源系统的研发，许多为试验室配套的大功率变频电源也陆续进入我公司。这些电源均采用脉宽调制技术，由于生产厂家技术水平不同，电源在干扰及抗干扰能力方面也存在很大差异。本文对变频器干扰的抑制方法亦可在变频电源使用中借鉴。目前我公司许多建设项目中涉及到多套变频调速拖动系统及油源车、通风车等变频调速设备。这些设备现已加工完成，准备进行安装调试。我们对变频调速系统的电磁干扰问题十分关心，在此结合自身经验及相关技术人员的集体智慧提出以上分析及解决方法，希望能在今后的工作中对变频调速拖动系统及相关设备的安装调试提供参考及帮助。当然，随着新技术和新理论不断在变频器上的应用，变频器应用存在的这些问题有望通过变频器本身的功能和补偿来解决。

参考文献

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