摘 要：分析了變頻器的干擾形成的機(jī)理及其對(duì)電氣系統(tǒng)的危害，提出了抑制此類干擾的常用方法，結(jié)果表明：諧波及電磁輻射是變頻器產(chǎn)生的主要干擾因素，通過(guò)在工程上采用抑制、隔離、濾波、屏蔽、接地等方法可以有效的對(duì)這些干擾因素進(jìn)行抑制，從而保障電氣系統(tǒng)的正常使用。

關(guān)鍵詞：變頻器；干擾，諧波；抑制 

引言

      隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，供電系統(tǒng)增加了大量的非線性負(fù)載，特別是變頻器，從低壓小容量家用電氣到高壓大容量的工業(yè)變頻器廣泛使用，使得電磁干擾（EMI）日益嚴(yán)重，相應(yīng)的抗干擾設(shè)計(jì)（即電磁兼容EMC）已經(jīng)變得越來(lái)越重要。有時(shí)電磁干擾能直接造成系統(tǒng)的硬件損壞，有時(shí)雖不能損壞系統(tǒng)的硬件，便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)備的生產(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。

一．諧波和電磁輻射對(duì)電網(wǎng)及其他系統(tǒng)的危害

1. 諧波使電網(wǎng)中的電器元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低了輸變電及用電設(shè)備的效率。
2. 諧波可以通過(guò)電網(wǎng)傳導(dǎo)至其他的用電器，影響電器設(shè)備的正常運(yùn)行。如諧波會(huì)使變壓器產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，使其局部過(guò)熱，絕緣老化，壽命縮短，以至于損壞；還有傳導(dǎo)來(lái)的諧波會(huì)干擾電器設(shè)備內(nèi)部軟件或硬件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
3. 諧波會(huì)引起電網(wǎng)中局部的串聯(lián)或并聯(lián)諧振，從而使諧波放大。
4. 諧波或電磁輻射干擾會(huì)導(dǎo)致繼電器保護(hù)設(shè)置的誤動(dòng)作，使電器儀表計(jì)量不準(zhǔn)確，甚至無(wú)法正常工作。
5. 電磁輻射干擾使經(jīng)過(guò)變頻器輸出導(dǎo)線附近的控制信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)等弱電信號(hào)受干擾，嚴(yán)重時(shí)使系統(tǒng)無(wú)法得到正確的檢測(cè)信號(hào)，或使控制系統(tǒng)紊亂。一般來(lái)說(shuō)，變頻器對(duì)電網(wǎng)容量大的系統(tǒng)影響不十分明顯，這也就是諧波不被大多數(shù)用戶重視的原因。但對(duì)電網(wǎng)容量小的系統(tǒng)，諧波產(chǎn)生的干擾就不能忽視。

二．諧波產(chǎn)生的機(jī)理

變頻器的主電路一般為交-直-交組成，外部輸入380v/50H_z的工頻電源經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號(hào)。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅立葉級(jí)數(shù)分解為基波和各次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。在逆變輸出回路中，輸出電流信號(hào)是受SPWM（脈寬調(diào)制）載波信號(hào)調(diào)調(diào)制的脈沖波形，對(duì)于GTR（電力晶體管）大功率逆變?cè)?，其SPWM的載波頻率為2-3KH_Z，而IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）大功率逆變?cè)腟PWM最高載波頻率可達(dá)15 KH_Z。同樣，輸出回路電流信號(hào)也可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波，而高次諧波電流對(duì)負(fù)載直接干擾。另外高次諧波電流還通過(guò)電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設(shè)備。

三．變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要電磁干擾源及途徑

1. 變頻器能產(chǎn)生功率較大的諧波，由于功率較大，對(duì)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。
2. 電路耦合方式即通過(guò)電源網(wǎng)絡(luò)傳播。由于輸入電流為非正弦波，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。
3. 感應(yīng)耦合方式當(dāng)變頻器輸入電路或輸出電路與其他設(shè)備的電路挨得很近時(shí)，高次諧波信號(hào)將通過(guò)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。

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

四．抑制諧波干擾常用的方法

諧波的傳播途徑是傳導(dǎo)和輻射，解決傳導(dǎo)干擾主要是在電路中把傳導(dǎo)的高頻電流濾掉或者隔離，解決輻射干擾就是對(duì)輻射源或被干擾的線路進(jìn)行屏蔽，具體措施在工程上可采用抑制、隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。

1．抑制

a) 增加交流/直流電抗器

安裝電抗器實(shí)際是從外部增加變頻器供電電源的內(nèi)阻抗。在變頻器的交流側(cè)或變頻器的直流側(cè)安裝電抗器或同時(shí)安裝，可抑制諧波電流。采用交流/直流電抗器后（見圖1），進(jìn)線電流的THDV（電壓畸變率）降低30%～50%，是不加電抗器諧波電流的一半左右。

b) 多相脈沖整流

在條件具備或者要求產(chǎn)生的諧波限制在比較小的情況下，可以采用多相整流的方法。12相脈沖整流THD_V為10%～15%；18相脈沖整流的THD_V為3%～8%，滿足EN 61000-3-12和IEEE519-1992標(biāo)準(zhǔn)的要求。缺點(diǎn)是需要專用變壓器和整流器，不利于設(shè)備改造，價(jià)格較高。

2．隔離

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(lái)，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，通常是在電源和放大器電路之間的電源線上采用隔離變壓器（如圖2所示）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。常用的還有光電耦合器件（如圖3所示）實(shí)現(xiàn)電→光→電的隔離，他能有效地破壞干擾源的進(jìn)入，可靠地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離，并易構(gòu)成各種功能狀態(tài)。

3．濾波

a) 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(guò)電源線傳導(dǎo)干擾到電源及電動(dòng)機(jī)。為減少電源噪聲和損耗，在變頻器輸出側(cè)可設(shè)置輸出濾波器。為減少對(duì)電源的干擾，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。

b) 有源電力濾波器的基本工作原理是有源電力濾波器向電網(wǎng)注入一個(gè)與負(fù)載諧波電流幅值相等，相位相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流基波分量這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤和補(bǔ)償，從而抵消了電網(wǎng)中諧波電流，因而受到廣泛重視。

1976年，LGyugyi和ECStyaula提出了用PWM逆變器構(gòu)成有源電力濾波器。這些采用PWM逆變器構(gòu)成的有源電力濾波電路現(xiàn)已成為有源電力濾波器的基本結(jié)構(gòu)。電壓型逆變器按照要求控制輸出電壓，向電網(wǎng)提供準(zhǔn)確的電流。電流型逆變器將直流電流（DC）調(diào)制成脈沖列（AC），該脈沖列通過(guò)交流輸出側(cè)的濾波器解調(diào)成準(zhǔn)確的電流。電流型逆器將直流電流必須與最大補(bǔ)償電流相匹配，電流型逆變器的缺點(diǎn)是損耗大，需要解調(diào)節(jié)器濾波器：因此通常不采用電流型逆變器，而采用電壓型逆變器。

上述兩種濾波器的原理圖如圖4、5所示。

上述兩種有源電力濾波器具有下列優(yōu)點(diǎn)：

①作為高次諧波電流源，不受系統(tǒng)阻抗的影響。

②沒有共振現(xiàn)象，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化不會(huì)影響補(bǔ)償效果。

③原理上比LC濾波器更為優(yōu)越，用一臺(tái)裝置就能完成各次諧波的補(bǔ)償。

④即使高次諧波的頻率發(fā)生變化，也能準(zhǔn)確地補(bǔ)償。

⑤由于裝置本身能完成輸出限制，因此即使高次諧波補(bǔ)償說(shuō)是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。

但同時(shí)，有源濾波器也存在如下缺點(diǎn)：

⑥控制復(fù)雜造價(jià)較高。

⑦自身消耗大。

4．屏蔽

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)張盡可能短（一般為20m以內(nèi)），且信號(hào)線采用雙芯屏蔽線與雙交屏蔽線，并與主電路及控制回路完全屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。

5．接地

實(shí)踐證明，接地往往是抑制噪聲和防止干擾的重要手段。良好的接地方式可在很大程度上抑制內(nèi)部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。變頻器的接地方式有多點(diǎn)接地、一點(diǎn)接地及經(jīng)母線接地等幾種形式，要根據(jù)具體情況采用，要注意不要因?yàn)榻拥夭涣级鴮?duì)設(shè)備產(chǎn)生干擾。

單點(diǎn)接地指在一個(gè)電路或裝置中，只有一個(gè)物理點(diǎn)定義為接地點(diǎn)。在低頻下的性能好；多點(diǎn)接地是指裝置中的各企接地點(diǎn)都有直接接到距它最近的接地點(diǎn)。在高頻下的性能好；混合接地是根據(jù)信號(hào)頻率和接地線長(zhǎng)度，系統(tǒng)采用單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地共用的方式。變頻器本身有專用接地端子PE端，從安全和降低噪聲的需要出發(fā)，必須接地。即不能將地線接在電器設(shè)務(wù)的外殼，也不能接在零線上?？捎幂^粗的短線一端接到場(chǎng)接地端子PE端，另一端與接地極相連，接地電阻取值﹤100Ω，接地線長(zhǎng)度在20m以內(nèi)，并注意合理選擇接地極的位置。

以上抗干擾措施可根據(jù)系統(tǒng)的抗干擾要求合理選擇使用，具體如圖6所示：

五．電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的其他問(wèn)題

 1．確?？刂乒裰械乃性O(shè)備接地良好。另外與變頻器相連的控制設(shè)備（如PLC或PID控制儀）要與其共地。

2．安裝布線時(shí)將電源線和控制電纜分開，例如使用獨(dú)立的線槽等。如果控制電路連接線必須和電源電纜交叉，應(yīng)成90°交叉布線。

3．使用屏蔽導(dǎo)線或雙絞線連接控制電路時(shí)，確保未屏蔽之處盡可能短。

4．確保控制柜中的接觸器有滅弧功能，交流接觸器采用R_-C抑制器，也可采用壓敏電阻抑制器，如果接觸器是通過(guò)變頻器的繼電器控制的，這一點(diǎn)特別重要。

5．鎧裝電纜作為電機(jī)接線時(shí)，要將屏蔽層接地。

6．在設(shè)備排列布置時(shí)，應(yīng)盡量交容易受干擾的弱電控制設(shè)備與變頻器分開，比如將動(dòng)力配電柜放在變頻器與控制設(shè)備之間。

7．盡量減少變頻器與控制系統(tǒng)不必要的連線，以避免傳導(dǎo)干擾。除了控制系統(tǒng)與變頻器之間必須的控制線外，其它如控制電源等應(yīng)分開。由于控制系統(tǒng)及變頻器均需要24V直流電源，而生產(chǎn)廠家為了節(jié)省一個(gè)直流電源，往往用一個(gè)直流電源分成兩路分別對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)供電，有時(shí)變頻器會(huì)通過(guò)直流電源對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，所以在設(shè)計(jì)中或訂貨時(shí)要特別加以說(shuō)明，要求用兩個(gè)直流電源分別對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)供電。

8．注意防止發(fā)生共振現(xiàn)象。由于定子電流中含有高次諧波成分，電機(jī)轉(zhuǎn)矩中含有脈動(dòng)分量，有可能造成電機(jī)的振動(dòng)與機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生共振，使設(shè)備出現(xiàn)故障。應(yīng)在預(yù)先找到負(fù)載固有的共振頻率后，利用變頻器頻率跳躍功能設(shè)置，躲開共振頻率點(diǎn)。

六．抑制諧波干擾實(shí)例

例1：

本廠的3線螺桿壓力閉環(huán)系統(tǒng)，在變頻器啟動(dòng)后，控制系統(tǒng)的儀表（RKC，F(xiàn)900F810*8—AD儀表輸入4-20ma）顯示壓力在±2MPa左右波動(dòng)，壓力探頭（Dynisco 0-35MP輸出4—20ma）。變頻器（安川616H3）上的頻率±5H₂左右波動(dòng)在（±2H₂）。因?yàn)槭情]環(huán)系統(tǒng)，所以要有一點(diǎn)在波動(dòng)會(huì)是整個(gè)壓力系統(tǒng)都在波動(dòng)，如圖7所示：

思路：先將儀表打手動(dòng)控制，輸出固定60%，壓力還是上下來(lái)回波動(dòng)，現(xiàn)儀表輸出13.6ma變頻36H₂，這就排除變頻和儀表輸出，想通過(guò)調(diào)正儀表PID（d↑微分系數(shù)為小，對(duì)即時(shí)變化反應(yīng)不夠快，反映措施不力，I↓積分系數(shù)過(guò)大，使微分反應(yīng)被淹沒飩化）調(diào)正后基本無(wú)效果。排除設(shè)制不當(dāng)。分析認(rèn)為是干擾引起的，通過(guò)示波器分析在變頻器的輸入電流中頻率較低的諧波量（5次、7次、11次、13次）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)行之處還因?yàn)樗鼈兿牧舜罅康臒o(wú)功功率使線路的功率因數(shù)大為下降。

現(xiàn)針對(duì)變頻干擾采取必要的措施先從以下幾方面著手：

1、   加裝交流電抗器

交流電抗器串聯(lián)在電源與變頻器的輸入側(cè)之間，其目的是通過(guò)抑制諧波電流，將功率因數(shù)提高至（0.75-0.85），削弱輸入電路中的浪費(fèi)電流對(duì)變頻器的沖擊，削弱電源電壓不平衡的影響。

2、   加裝直流電抗器

直流電抗器，串聯(lián)在整流橋和濾波電容器之間，其目是進(jìn)一步削弱輸入電流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。如圖（13）

3、   在輸入輸出側(cè)加裝濾波器

 一般輸入濾波器通常又分兩種：

1. 線路濾波器主要由電感線圈構(gòu)成。它通過(guò)增大線路在高頻下的阻擾來(lái)削弱頻率較高的諧波電流；
2. 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。

一般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)中由高次諧波電流引起的附加轉(zhuǎn)矩。對(duì)于變頻器輸出端的抗干擾措施必須注意以下方面：

1）   變頻器的輸出端不允許接入電容器，以免在逆變管導(dǎo)通風(fēng)關(guān)斷）瞬間，產(chǎn)生峰值很在的充電（或放電）電流，損害逆變管；

2）   當(dāng)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。

4、   檢查接地系統(tǒng)

由于系統(tǒng)電源零線（電線）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）的混亂連接會(huì)大大降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

通過(guò)處理后，壓力波動(dòng)在（±0.3MPa）頻率波動(dòng)在（±1H₂），諧波干擾基本抑制，系統(tǒng)工作正常。

例2

本廠一臺(tái)VC443牽伸機(jī)系統(tǒng)有144個(gè)溫度點(diǎn)有一臺(tái)單片機(jī)控制，同時(shí)有一臺(tái)變頻器控制拖動(dòng)。在變頻器不工作時(shí)溫度顯示正?！?℃范圍，但變頻工作時(shí)溫度波動(dòng)且在大約30秒周期±15℃波動(dòng)，通過(guò)現(xiàn)象分析了解，初步認(rèn)為是干擾引起的。在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)維修人員的了解中，得知原控制板上有2個(gè)5V電源燒壞1個(gè)后合用1個(gè)開關(guān)電源，后開機(jī)出現(xiàn)溫度異常。分析認(rèn)為可能問(wèn)題出在電源上。

單片機(jī)控在接口電路中采用光電隔離，如上圖（2）。光電耦合器之所以在傳輸信號(hào)的同時(shí)能有效地抑制尖脈沖幫各種噪聲干擾，使通道上的信號(hào)噪聲比大為提，主要有以下幾方面的原因：

1．光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，；常為10⁵－10⁶Ω。由于沒有足夠的能量而不能使二極管發(fā)光，從而被抑制掉了。

2．光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有共地；之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾噪聲都很難通過(guò)光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號(hào)的產(chǎn)生。

最后經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析因?yàn)樵诠怆婑詈掀鞯妮斎氩糠趾洼敵霾糠直仨毞謩e使用獨(dú)立的電源，若兩端共用一個(gè)電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義。當(dāng)用光電耦合器來(lái)隔離輸入輸出通道時(shí)，必須對(duì)所有信號(hào)（包括數(shù)字量信號(hào)、控制量信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)）全部隔離，使得被隔離的兩邊沒有任何電氣上的聯(lián)系，否則這種隔離是沒有意義的。電源分開后溫控工作正常。

結(jié)論

通過(guò)應(yīng)用過(guò)程中干擾的來(lái)源和傳播途徑的分析，提出了解決這些問(wèn)題的實(shí)際對(duì)策。大量的電磁干擾產(chǎn)生，如不加以抑制，將影響整個(gè)控制系統(tǒng)的正常工作。但完全消除電磁干擾是不現(xiàn)實(shí)的。電磁干擾的抑制應(yīng)根據(jù)不同元器件，不同的電磁環(huán)境采取適當(dāng)?shù)囊种拼胧?，以系統(tǒng)可以正常工作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，沒有必要單純?yōu)榱俗非箅姶鸥蓴_抑制指標(biāo)而采取復(fù)雜的措施。通常電磁干擾抑制能力的強(qiáng)弱與投資成正比。變頻調(diào)速電氣系統(tǒng)的電磁兼容性是一項(xiàng)十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，有許多實(shí)際的工作經(jīng)驗(yàn)需要總結(jié)，還有許多的理論需要探討。隨著新技術(shù)和新理論不斷應(yīng)用，我們相信EMC問(wèn)題一定會(huì)得到有效解決。

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