2022年通用变频器的干扰与抗干扰措施 .pdf

通用变频器的干扰与抗干扰措施摘要 : 变频器的应用越来越广泛，系统的干扰问题日益严重。本文主要介绍了变频器应用系统中干扰的产生及其传播途径，提出了抗干扰的实际解决方法，阐述了在变频器安装应用中抑制干扰的具体措施，以及部分应用实例。关键词 : 变频器高次谐波电磁干扰 中图分类号 TN973 文献标识码 B 文章编号0、引言变频器调速技术1的应用越来越广泛， 但变频系统的电磁干扰比较严重，相应的抗干扰技术变得更加重要。变频器系统的干扰有时能直接造成系统的硬件损坏，或者使微处理器的系统程序运行失控，造成设备和生产事故。变频器系统的干扰主要有两个方面：一是变频器对其他计算机和自动控制装置等电子设备、通信设备和无线电等产生的干扰。二是电网中的谐波干扰变频器的正常工作。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。下面主要探讨一下变频器的干扰及其抗干扰措施。1、主要干扰源电磁干扰（ EMI），是以外部噪声和无用信号在接收中所造成的电磁干扰，通常是通过电路传导和以场的形式传播的2。 变频器的整流电路对电网来说是非线性负载，它所产生的谐波会对同一电网的其他电子、电气设备产生谐波干扰。另外，变频器的逆变器大多采用PWM 技术，其工作于开关模式并作高速切换，产生大量耦合性噪声。变频器对系统内其他的电子、电气设备来说是一个电磁干扰源。11 变频器的输入和输出电流中， 都含有很多高次谐波成分和能构成电源无功损耗的较低次谐波。它们将以各种方式把自己的能量传播出去，形成对变频器本身和其它设备的干扰信号。 （1）变频器的输入侧是二极管整流和电容滤波电路，只有当电源的线电压大于电容器两端的直流电压时，整流桥中才有充电电流。因此，充电电流总是出现在电源电压的振幅值附近，呈不连续的脉动波形式。它具有很强的高次谐波成分。（2）绝大多数变频器的逆变桥都采用PWM 调制方式，其输出电压为占空比按正弦规律分布的系列矩形波；由于电动机定子绕组的电感性质，定子的电流十分接近于正弦波，但与载波频率相等的谐波分量仍然较大。12 电网中的谐波干扰主要通过变频器的供电电源干扰变频器。电网中存在大量谐波源，如各种整流设备、交直流互换设备、电子电压调整设备、非线性负载及照明设备等。这些负荷都使电网中的电压、电流产生波形畸变，从而对电网中其他设备产生危害的干扰。变频器的供电电源受到来自被污染的交流电网的干扰后若不加处理，电网噪声就会通过电源电路干扰变频器。供电电源的干扰对变频器主要有(1) 过压、欠压、瞬时掉电 (2) 浪涌、跌落 (3)尖峰电压脉冲 (4) 射频干扰等。（1）晶闸管换流设备对变频器的干扰：当供电网络内有容量较大的晶闸管换流设备时，由于晶闸管总是在每相半周期内的部分时间内导通，容易使网络电压出现凹口，波形严重失真。它使变频器输入侧的整流电路有可能因出现较大的反向回名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - 复电压而受到损害，从而导致输入回路击穿而烧毁。（2）电力补偿电容对变频器的干扰。电力部门对用电单位的功率因数有一定的要求，为此，许多用户都在变电所采用集中电容补偿的方法来提高功率因数。在补偿电容投入或切出的暂态过程中，网络电压有可能出现很高的峰值，其结果是可能使变频器的整流二极管因承受过高的反向电压而击穿。2、干扰的传播途径由于变频器能产生功率较大的谐波，对系统其它设备干扰性较强，其干扰途径与一般电磁干扰途径是一致的，主要可以分为电路耦合（传导）、电磁辐射、感应耦合三种传播方式。下面作一下具体分析：21 电路耦合方式即通过阻抗耦合或接地回路耦合将干扰传入其它电路电源网络传播。由于输入电流为非正弦波，当变频器的容量较大时，将使网络电压产生畸变，影响其他设备正常工作，同时输出端产生的传导干扰使直接驱动的电机铜损、铁损大幅增加，影响了电机的运转特性。这是变频器输入电流干扰信号的主要传播方式，传播的距离可以很远。比较典型的传播途径是：接自工业低压网络的变频器所产生的干扰信号将沿着配电变压器进入中压网络，并沿着其它的配电变压器最终又进入民用低压配电网络，使接自民用配电母线的电气设备成为远程的受害者。22 空中幅射方式即以电磁波方式向空中幅射，如果变频器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。这是高频谐波分量的主要传播方式。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（ dv/dt可达 1kV/s 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，则辐射强度与干扰信号的波长有关，当孔洞的大小与电磁波的波长接近时，会形成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。23 感应耦合方式当变频器的输入电路或输出电路与其他设备的电路挨得很近时，变频器的高次谐波信号将通过感应的方式耦合到其他设备中去。感应的方式又有两种： 一是电磁感应方式， 这是电流干扰信号的主要方式；二是静电感应方式，这是电压干扰信号的主要方式。干扰的大小取决干扰源电缆产生的磁通大小，即取决于控制电缆形成的闭环面积和干扰源电缆与控制电缆间的相对角度。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。3、抗电磁干扰的原理与措施3.1 抗电磁干扰的原理根据电磁性的基本原理3，形成电磁干扰须具备电磁干扰源、电磁干扰的传播途径、对电磁干扰敏感的系统等三个要素。为防止干扰，可采用硬件抗干扰和软件抗干扰两种方法。其中，硬件抗干扰是最基本和最重要的抗干扰措施，一般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、切断干扰对系统的藕合名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - 通道、降低应用系统对干扰信号的敏感性。谐波的传播途径是传导和辐射，解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离；解决辐射干扰就是对辐射源和被干扰的线路或系统进行屏蔽。3.2 抑制干扰的措施4抑制干扰的具体措施在工程上可采用隔离、滤波、屏蔽、接地等方法。（1）隔离所谓干扰的隔离，就是变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立，或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器，切断谐波电流，使它们不发生电的联系。在变频调速传动系统中，通常是电源和放大器电路之间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。为避免传导干扰，应尽量减少变频器与控制系统不必要的连线。除了控制系统与变频器之间必须的控制线外，其它电路、控制电源等应分开，变频器的控制电源由另外系统供电；在控制电源的输入侧装设线路滤波器；装设隔离变压器，且屏蔽接地。加大与干扰源电缆的距离。具体方法有：设备的电源线和信号线应尽量远离变频器的输入、输出线；一般将控制电缆与主回路电缆或其它动力电缆分离铺设，分离距离通常在30cm以上（一般可降低噪声 1 213） ，最低为 10cm 。分离困难时，将控制电缆穿过铁管铺设。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； 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。（2）滤波给变频器输入加装EMI 滤波器，可以有效抑制变频器对电网的传导干扰。加装输入交流和直流电抗器，可以提高功率因数，减小输入谐波。为减少电磁噪声和损耗，可在变频器输出侧设置输出滤波器。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。滤波器是削弱频率较高的谐波分量的主要手段。根据使用位置的不同， 可分为：输入滤波器通常又有两种：一是线路滤波器，主要由电感线圈构成，串联在电源与变频器的输入侧之间。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。二是辐射滤波器，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。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。不但起到抗干扰的作用，而且能削弱电动机中由高次谐波电流引起的附加转矩。在变频器的输入电流中频率较低的谐波分量所占的比重也很高，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，使线路的功率因数大为下降。输入滤波器也是削弱较低频率的谐波分量的主要手段。它可以提高功率因数；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。对于变频器输出端的抗干扰措施，必须注意以下方面：变频器的输出端不允许接入电容器， 以免在逆变管通断瞬间， 产生峰值很大的充放电电流， 损害逆变管；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。如果变频器运行在对噪声敏感的环境中，可以采用RFI 滤波器减小来自变频器的传导和辐射干扰。滤波器散热器与安装金属板之间应有良好的导电连接。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，可名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - 能造成电网电压降很大、电网功率因数很低，大功率变频器应特别注意。解决的方法主要有采用无功自动补偿装置以调节功率因数，同时可以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。（3）屏蔽屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽，不让其电磁干扰泄漏。在电动机和变频器之间的电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆。特别是以外部信号控制变频器时，要求信号线采用双芯屏蔽，尽可能短（一般为 20m以内），并与主电路及控制回路完全分离，不能放于同一配管或线槽内，周围电子敏感设备线路也要求屏蔽，避免辐射干扰。为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地。这样能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰。（4）正确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，提高系统的抗干扰能力。在实际应用系统中，有时由于系统电源零线 (中线 ) 、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，大大降低了系统的稳定性和可靠性。对于变频器，主回路端子 PE(E、G)的正确接地是提高变频器抑制噪声能力和减小变频器干扰的重要手段，因此在实际应用中一定要非常重视。变频器接地导线的截面积一般应不小于 2.5mm2，长度控制在 20m以内。建议变频器的接地与其它动力设备接地点分开。变频器的接地方式有多点接地、一点接地及经母线接地等几种形式，要根据具体情况采用，否则会因为接地不良而对设备产生干扰。单点接地在低频下的性能好；多点接地在高频下的性能好；混合接地是根据信号频率和接地线长度，系统采用单点接地和多点接地共用的方式。速度给定的控制电缆取一点接地，接地线不作为信号的通路使用。变频器本身有专用接地端子PE端，从安全和降低噪声的需要出发，必须用较粗的短线单独与接地极连接，接地线长度在 20m以内，注意合理选择接地极的位置。电缆的接地在变频器侧进行，使用专设的接地端子。并尽量减少接地端子引接点的电阻。要确保控制柜中的所有设备接地良好，应该使用短、粗的接地线（最好采用扁平导体或金属网，因其在高频时阻抗较低）连接到公共地线上。按国家标准规定，其接地电阻应小于4 欧姆。另外与变频器相连的控制设备要与其共地。（5）防止接触不良干扰接触不良干扰是指变频器控制电缆的电接点及继电器触电接触不良，电阻发生变化在电缆中产生的干扰。对继电器触点接触不良，采用并联触点或镀金触点继电器或选用密封式继电器。对电缆连接点应定期做拧紧加固处理。（6）防止接地干扰接地干扰是指机体接地点和信号接地点产生电位差的干扰。对于弱电压电流回路及任何不合理的接地均可诱发各种意想不到的干扰，比如设置两个以上接地点，接地处会产生电位差，产生干扰。速度给定的控制电缆取一点接地，接地线不作为信号的通路使用。电缆的接地在变频器侧进行，使用专设的接地端子，不与其它接地端子共用。并尽量减少接地端子引接点的电阻。以上抗干扰措施可根据系统的抗干扰要求来合理选择使用。若系统中含控制单元如微机等，还须在软件上采取抗干扰措施。4、解决干扰实例4.1 某变频控制系统，由在同一柜体内的两台变频器组成，变频器调频方式均名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - 为电位器手调方式，运行某一台变频器时，工作正常，两台同时运行时，频率互相干扰，即调节一台变频器的电位器对另一台变频器的频率有影响，反过来也一样。可以断定是谐波干扰引起。解决方法：把其中一只电位器用屏蔽信号线移到其他柜体固定，干扰减弱。为了彻底抑制干扰，重新加工一个电控柜，并与原柜体一定距离放置，把其中的一台变频器移到该电控柜，相应的接线及引线作必要的改动，这样处理后，干扰基本消除，故障排除。4.2 某变频控制系统，切换两套机泵，变频器的输入输出在同一电缆沟内。变频器输出端到电动机间的输出线严重发热，电动机外壳温升加重，经常出现保护跳闸。这是由于变频器电流信号中包含PWM 高次谐波，而谐波电流在输出导线和电动机绕组线上形成附加功率损耗。解决方法：把变频器输入线与输出线分开，分别走各自的电缆沟，选用截面大一个等级的电缆，输出端与电动机之间的电缆长度尽可能短。这样处理后，发热故障排除。4.3 一台数控车床，主轴电动机采用变频器控制，手脉数字经常自动变化。解决方法：可以断定是变频器电磁干扰，将手脉引线更换为屏蔽电缆，并将屏蔽线接地，远离变频器，故障消除。4.4 一棉纺车间，一台用变频器控制的梳棉机，经常出现速度不稳，有时可能快，有时可能慢，甚至有些时候电机转速变得很快。分析原因，可能是系统干扰、发生振荡。现场检查发现，变频器的电源输入侧与输出侧导线放置在同一个电缆沟里，控制信号线过长，且与变频器动力输入、输出线放置在一起。另外，本车间还有其他变频器，但容量不大。解决方法：将电源线、变频器输出线分别串钢管，且钢管接地。变频器控制线尽量缩短，且换屏蔽线接地。处理至今，此类故障再没发生。4.5 新装一台数控车床， PLC （模拟量电压）控制变频器调速，在调试时，启停正常，当输入很小的电压(约 2V) 时，（正常时，正转控制电压010V），变频器频率就达到上限值（设定50Hz），再增加控制电压，转速也不再上升。按照使用说明书，将变频器恢复出厂值，重新设置各参数，变频器能正常工作，但上述故障有时还会出现，需要再次恢复出厂值，再次设定参数。分析原因：这可能是变频器的高次谐波干扰，干扰传播途径是控制部分的电源回路或信号线。解决办法：将控制回路的供电电源取自另一供电变压器，谐波干扰减弱，再将信号线采用屏蔽线，屏蔽层接地，并与变频器主回路线隔开一定距离，经这样处理后，谐波干扰基本可以抑制，将变频器恢复出厂值，重新设置各参数，变频器工作正常，再没出现上述故障。4.6 一智能仪表和变频器协调控制一管道压力保持恒定的闭环系统，调试运行正常一段时间后突然发生自动停机故障，从变频器查不到相关信息。经检查发现由智能仪表反馈给变频器的模拟信号电流与仪表检测到的压力不呈线性关系。分析原因：该仪表是采用微处理器控制的，很显然该仪表的工作不正常。估计是变频器产生的高次谐波使得智能仪表的微处理器运行出错。因此对仪表的接地及变频器、电柜的接地重新进行了紧固。重启设备故障消除。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - 4.7 一台用变频器改造后的注塑机，采用热电偶检测加热单元的温度，温度显示和控制不准确，注塑机不能正常运行。分析原因，热电偶检测元件容易受到谐波干扰，可能是热电偶被谐波干扰所致。解决方法：缩短变频器与注塑机电动机之间的连线，动力线用金属软管套装，并远离温度检测线；在变频器近端主回路线缆加装电抗器或磁环；重新紧固变频器接地；给注塑机内部温控电偶供电电源加阻容滤波电路，如图1 所示。图 1 温度干扰滤波电路图其中 A+为热电偶端； B+接温度控制板， 在温度检测 (热电偶 ) 线路中对称地加入以上阻、容元器件以消除干扰。5 结束语通过对变频器应用过程中干扰的来源和传播途径的分析，提出了抗干扰的实际对策，列举了抗干扰应用的一些具体实例。随着新技术和新理论不断在变频器上的应用，重视变频器电磁兼容性的要求已成为变频调速传动系统设计、应用必须面对的问题。变频器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1 韩安荣 . 通用变频器及其应用（第2 版） M. 北京：机械工业出版社，2000 2 湖北省电磁兼容学会. 电磁兼容性原理及应用M ，国防工业出版社，1996.43 王定华等 . 电磁兼容性原理与设计M. 四川：电子科技大学出版社，1995 4 张林昌 . 吕英华 . 马信山 . 电磁兼容 M, 电工高新科技丛书. 第 5 分册 . 机械工业出版社,2000.4 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -