变频器能否把干扰信号抑制下去(变频器模拟干扰怎么消除)

摘 要：分析了变频器的干扰形成的机理及其对电气系统的危害，提出了抑制此类干扰的常用方法，结果表明：谐波及电磁辐射是变频器产生的主要干扰因素，通过在工程上采用抑制、隔离、滤波、屏蔽、接地等方法可以有效的对这些干扰因素进行抑制，从而保障电气系统的正常使用。

关键词：变频器；干扰，谐波；抑制 

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，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，便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。

一．谐波和电磁辐射对电网及其他系统的危害

1. 谐波使电网中的电器元件产生附加的谐波损耗，降低了输变电及用电设备的效率。
2. 谐波可以通过电网传导至其他的用电器，影响电器设备的正常运行。如谐波会使变压器产生机械振动，使其局部过热，绝缘老化，寿命缩短，以至于损坏；还有传导来的谐波会干扰电器设备内部软件或硬件的正常运转。
3. 谐波会引起电网中局部的串联或并联谐振，从而使谐波放大。
4. 谐波或电磁辐射干扰会导致继电器保护设置的误动作，使电器仪表计量不准确，甚至无法正常工作。
5. 电磁辐射干扰使经过变频器输出导线附近的控制信号和检测信号等弱电信号受干扰，严重时使系统无法得到正确的检测信号，或使控制系统紊乱。一般来说，变频器对电网容量大的系统影响不十分明显，这也就是谐波不被大多数用户重视的原因。但对电网容量小的系统，谐波产生的干扰就不能忽视。

二．谐波产生的机理

变频器的主电路一般为交-直-交组成，外部输入380v/50H_z的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。在逆变输出回路中，输出电流信号是受SPWM（脉宽调制）载波信号调调制的脉冲波形，对于GTR（电力晶体管）大功率逆变元件，其SPWM的载波频率为2-3KH_Z，而IGBT（绝缘栅双极型晶体管）大功率逆变元件的SPWM最高载波频率可达15 KH_Z。同样，输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。

三．变频调速系统的主要电磁干扰源及途径

1. 变频器能产生功率较大的谐波，由于功率较大，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，主要分传导（即电路耦合）、电磁辐射、感应耦合。
2. 电路耦合方式即通过电源网络传播。由于输入电流为非正弦波，容量较大时，将使网络电压产生畸变，影响其他设备工作，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。显然，这是变频器输入电流干扰信号的主要传播方式。
3. 感应耦合方式当变频器输入电路或输出电路与其他设备的电路挨得很近时，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：

a) 电磁感应方式，这是电流干扰信号的主要方式；

b) 静电感应方式，这是电压干扰信号的主要方式。

空中辐射方式即以电磁波方式向空中辐射，这是频率很高的谐波分量的主要传播方式。

四．抑制谐波干扰常用的方法

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或被干扰的线路进行屏蔽，具体措施在工程上可采用抑制、隔离、滤波、屏蔽、接地等方法。

1．抑制

a) 增加交流/直流电抗器

安装电抗器实际是从外部增加变频器供电电源的内阻抗。在变频器的交流侧或变频器的直流侧安装电抗器或同时安装，可抑制谐波电流。采用交流/直流电抗器后（见图1），进线电流的THDV（电压畸变率）降低30%～50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右。

b) 多相脉冲整流

在条件具备或者要求产生的谐波限制在比较小的情况下，可以采用多相整流的方法。12相脉冲整流THD_V为10%～15%；18相脉冲整流的THD_V为3%～8%，满足EN 61000-3-12和IEEE519-1992标准的要求。缺点是需要专用变压器和整流器，不利于设备改造，价格较高。

2．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。在变频调速传动系统中，通常是在电源和放大器电路之间的电源线上采用隔离变压器（如图2所示）以免传导干扰，电源隔离变压器可应用噪声隔离变压器。常用的还有光电耦合器件（如图3所示）实现电→光→电的隔离，他能有效地破坏干扰源的进入，可靠地实现信号的隔离，并易构成各种功能状态。

3．滤波

a) 设置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及电动机。为减少电源噪声和损耗，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。

b) 有源电力滤波器的基本工作原理是有源电力滤波器向电网注入一个与负载谐波电流幅值相等，相位相反的补偿电流，从而使电网电流基波分量这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪和补偿，从而抵消了电网中谐波电流，因而受到广泛重视。

1976年，LGyugyi和ECStyaula提出了用PWM逆变器构成有源电力滤波器。这些采用PWM逆变器构成的有源电力滤波电路现已成为有源电力滤波器的基本结构。电压型逆变器按照要求控制输出电压，向电网提供准确的电流。电流型逆变器将直流电流（DC）调制成脉冲列（AC），该脉冲列通过交流输出侧的滤波器解调成准确的电流。电流型逆器将直流电流必须与最大补偿电流相匹配，电流型逆变器的缺点是损耗大，需要解调节器滤波器：因此通常不采用电流型逆变器，而采用电压型逆变器。

上述两种滤波器的原理图如图4、5所示。

上述两种有源电力滤波器具有下列优点：

①作为高次谐波电流源，不受系统阻抗的影响。

②没有共振现象，系统结构的变化不会影响补偿效果。

③原理上比LC滤波器更为优越，用一台装置就能完成各次谐波的补偿。

④即使高次谐波的频率发生变化，也能准确地补偿。

⑤由于装置本身能完成输出限制，因此即使高次谐波补偿说是一个很大的优点。

但同时，有源滤波器也存在如下缺点：

⑥控制复杂造价较高。

⑦自身消耗大。

4．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。输出线最好用钢管屏蔽，特别是以外部信号控制变频器时，要求信号张尽可能短（一般为20m以内），且信号线采用双芯屏蔽线与双交屏蔽线，并与主电路及控制回路完全屏蔽。为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地。

5．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。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，要注意不要因为接地不良而对设备产生干扰。

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。在低频下的性能好；多点接地是指装置中的各企接地点都有直接接到距它最近的接地点。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。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，必须接地。即不能将地线接在电器设务的外壳，也不能接在零线上。可用较粗的短线一端接到场接地端子PE端，另一端与接地极相连，接地电阻取值﹤100Ω，接地线长度在20m以内，并注意合理选择接地极的位置。

以上抗干扰措施可根据系统的抗干扰要求合理选择使用，具体如图6所示：

五．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。

六．抑制谐波干扰实例

例1：

本厂的3线螺杆压力闭环系统，在变频器启动后，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±5H₂左右波动在（±2H₂）。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7所示：

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36H₂，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在提高功率因数方面比交流电抗器有效可达0.95。如图（13）

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；
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。非但起到抗干扰的作用，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，产生峰值很在的充电（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（±1H₂），谐波干扰基本抑制，系统工作正常。

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30秒周期±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，如上图（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。

最后经过仔细分析因为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。

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。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，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。

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]吴忠智,吴加林.变频器应用手册[Z].北京： 机械工业出版社，1995

[3]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]电磁兼容性术语（GB/T4365 1995）[S].北京：中国标准出版社，1996

[5]张宗桐.变频器及其装置的EMC要求[J.，变频器世界，2000，（9）

[6]郑旭东,关鸿权,吴赤兵.通用变频器运行过程中存在的问题及对策[J].石化技术，2001，8（4）