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

關鍵詞：變頻器；干擾，諧波；抑制 

引言

      隨著電力電子技術的發(fā)展，供電系統(tǒng)增加了大量的非線性負載，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）日益嚴重，相應的抗干擾設計（即電磁兼容EMC）已經變得越來越重要。有時電磁干擾能直接造成系統(tǒng)的硬件損壞，有時雖不能損壞系統(tǒng)的硬件，便常使微處理器的系統(tǒng)程序運行失控，導致控制失靈，從而造成設備的生產事故。因此，如何提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性是自動化裝置研制和應用中不可忽視的重要內容，也是計算機控制技術應用和推廣的關鍵之一。

一．諧波和電磁輻射對電網及其他系統(tǒng)的危害

1. 諧波使電網中的電器元件產生附加的諧波損耗，降低了輸變電及用電設備的效率。
2. 諧波可以通過電網傳導至其他的用電器，影響電器設備的正常運行。如諧波會使變壓器產生機械振動，使其局部過熱，絕緣老化，壽命縮短，以至于損壞；還有傳導來的諧波會干擾電器設備內部軟件或硬件的正常運轉。
3. 諧波會引起電網中局部的串聯(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導致繼電器保護設置的誤動作，使電器儀表計量不準確，甚至無法正常工作。
5. 電磁輻射干擾使經過變頻器輸出導線附近的控制信號和檢測信號等弱電信號受干擾，嚴重時使系統(tǒng)無法得到正確的檢測信號，或使控制系統(tǒng)紊亂。一般來說，變頻器對電網容量大的系統(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。但對電網容量小的系統(tǒng)，諧波產生的干擾就不能忽視。

二．諧波產生的機理

變頻器的主電路一般為交-直-交組成，外部輸入380v/50H_z的工頻電源經三相橋路不可控整流成直流電壓，經濾波電容濾波及大功率晶體管開關元件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號。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，輸出電流信號是受SPWM（脈寬調制）載波信號調調制的脈沖波形，對于GTR（電力晶體管）大功率逆變元件，其SPWM的載波頻率為2-3KH_Z，而IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）大功率逆變元件的SPWM最高載波頻率可達15 KH_Z。同樣，輸出回路電流信號也可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波，而高次諧波電流對負載直接干擾。另外高次諧波電流還通過電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設備。

三．變頻調速系統(tǒng)的主要電磁干擾源及途徑

1. 變頻器能產生功率較大的諧波，由于功率較大，對系統(tǒng)其它設備干擾性較強，其干擾途徑與一般電磁干擾途徑是一致的，主要分傳導（即電路耦合）、電磁輻射、感應耦合。
2. 電路耦合方式即通過電源網絡傳播。由于輸入電流為非正弦波，容量較大時，將使網絡電壓產生畸變，影響其他設備工作，同時輸出端產生的傳導干擾使直接驅動的電機銅損、鐵損大幅增加，影響了電機的運轉特性。顯然，這是變頻器輸入電流干擾信號的主要傳播方式。
3. 感應耦合方式當變頻器輸入電路或輸出電路與其他設備的電路挨得很近時，高次諧波信號將通過感應的方式耦合到其他設備中去。感應的方式又有兩種：

a) 電磁感應方式，這是電流干擾信號的主要方式；

b) 靜電感應方式，這是電壓干擾信號的主要方式。

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和輻射，解決傳導干擾主要是在電路中把傳導的高頻電流濾掉或者隔離，解決輻射干擾就是對輻射源或被干擾的線路進行屏蔽，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

安裝電抗器實際是從外部增加變頻器供電電源的內阻抗。在變頻器的交流側或變頻器的直流側安裝電抗器或同時安裝，可抑制諧波電流。采用交流/直流電抗器后（見圖1），進線電流的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標準的要求。缺點是需要專用變壓器和整流器，不利于設備改造，價格較高。

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，使它們不發(fā)生電的聯(lián)系。在變頻調速傳動系統(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）以免傳導干擾，電源隔離變壓器可應用噪聲隔離變壓器。常用的還有光電耦合器件（如圖3所示）實現(xiàn)電→光→電的隔離，他能有效地破壞干擾源的進入，可靠地實現(xiàn)信號的隔離，并易構成各種功能狀態(tài)。

3．濾波

a) 設置濾波器的作用是為了抑制干擾信號從變頻器通過電源線傳導干擾到電源及電動機。為減少電源噪聲和損耗，在變頻器輸出側可設置輸出濾波器。為減少對電源的干擾，可在變頻器輸入側設置輸入濾波器。若線路中有敏感電子設備，可在電源線上設置電源噪聲濾波器，以免傳導干擾。

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注入一個與負載諧波電流幅值相等，相位相反的補償電流，從而使電網電流基波分量這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤和補償，從而抵消了電網中諧波電流，因而受到廣泛重視。

1976年，LGyugyi和ECStyaula提出了用PWM逆變器構成有源電力濾波器。這些采用PWM逆變器構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構。電壓型逆變器按照要求控制輸出電壓，向電網提供準確的電流。電流型逆變器將直流電流（DC）調制成脈沖列（AC），該脈沖列通過交流輸出側的濾波器解調成準確的電流。電流型逆器將直流電流必須與最大補償電流相匹配，電流型逆變器的缺點是損耗大，需要解調節(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：

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)結構的變化不會影響補償效果。

③原理上比LC濾波器更為優(yōu)越，用一臺裝置就能完成各次諧波的補償。

④即使高次諧波的頻率發(fā)生變化，也能準確地補償。

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

但同時，有源濾波器也存在如下缺點：

⑥控制復雜造價較高。

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，特別是以外部信號控制變頻器時，要求信號張盡可能短（一般為20m以內），且信號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接地、一點接地及經母線接地等幾種形式，要根據(jù)具體情況采用，要注意不要因為接地不良而對設備產生干擾。

單點接地指在一個電路或裝置中，只有一個物理點定義為接地點。在低頻下的性能好；多點接地是指裝置中的各企接地點都有直接接到距它最近的接地點。在高頻下的性能好；混合接地是根據(jù)信號頻率和接地線長度，系統(tǒng)采用單點接地和多點接地共用的方式。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務的外殼，也不能接在零線上?？捎幂^粗的短線一端接到場接地端子PE端，另一端與接地極相連，接地電阻取值﹤100Ω，接地線長度在20m以內，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)設計應注意的其他問題

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

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

3．使用屏蔽導線或雙絞線連接控制電路時，確保未屏蔽之處盡可能短。

4．確?？刂乒裰械慕佑|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，如果接觸器是通過變頻器的繼電器控制的，這一點特別重要。

5．鎧裝電纜作為電機接線時，要將屏蔽層接地。

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

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分開。由于控制系統(tǒng)及變頻器均需要24V直流電源，而生產廠家為了節(jié)省一個直流電源，往往用一個直流電源分成兩路分別對兩個系統(tǒng)供電，有時變頻器會通過直流電源對控制系統(tǒng)產生傳導干擾，所以在設計中或訂貨時要特別加以說明，要求用兩個直流電源分別對兩個系統(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，電機轉矩中含有脈動分量，有可能造成電機的振動與機械振動產生共振，使設備出現(xiàn)故障。應在預先找到負載固有的共振頻率后，利用變頻器頻率跳躍功能設置，躲開共振頻率點。

六．抑制諧波干擾實例

例1：

本廠的3線螺桿壓力閉環(huán)系統(tǒng)，在變頻器啟動后，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，壓力探頭（Dynisco 0-35MP輸出4—20ma）。變頻器（安川616H3）上的頻率±5H₂左右波動在（±2H₂）。因為是閉環(huán)系統(tǒng)，所以要有一點在波動會是整個壓力系統(tǒng)都在波動，如圖7所示：

思路：先將儀表打手動控制，輸出固定60%，壓力還是上下來回波動，現(xiàn)儀表輸出13.6ma變頻36H₂，這就排除變頻和儀表輸出，想通過調正儀表PID（d↑微分系數(shù)為小，對即時變化反應不夠快，反映措施不力，I↓積分系數(shù)過大，使微分反應被淹沒飩化）調正后基本無效果。排除設制不當。分析認為是干擾引起的，通過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備的正常運行之處還因為它們消耗了大量的無功功率使線路的功率因數(shù)大為下降。

現(xiàn)針對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之間，其目的是通過抑制諧波電流，將功率因數(shù)提高至（0.75-0.85），削弱輸入電路中的浪費電流對變頻器的沖擊，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0.95。如圖（13）

3、   在輸入輸出側加裝濾波器

 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成。它通過增大線路在高頻下的阻擾來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，且能削弱電動機中由高次諧波電流引起的附加轉矩。對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，以免在逆變管導通風關斷）瞬間，產生峰值很在的充電（或放電）電流，損害逆變管；

2）   當輸出濾波器由LC電路構成時，濾波器內接入電容器的一側必須與電動機側相接。

4、   檢查接地系統(tǒng)

由于系統(tǒng)電源零線（電線）地線（保護接地、系統(tǒng)接地）不分，控制系統(tǒng)屏蔽地（控制信號屏蔽地和主電路導線屏蔽地）的混亂連接會大大降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

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

例2

本廠一臺VC443牽伸機系統(tǒng)有144個溫度點有一臺單片機控制，同時有一臺變頻器控制拖動。在變頻器不工作時溫度顯示正?！?℃范圍，但變頻工作時溫度波動且在大約30秒周期±15℃波動，通過現(xiàn)象分析了解，初步認為是干擾引起的。在對現(xiàn)場維修人員的了解中，得知原控制板上有2個5V電源燒壞1個后合用1個開關電源，后開機出現(xiàn)溫度異常。分析認為可能問題出在電源上。

單片機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的同時能有效地抑制尖脈沖幫各種噪聲干擾，使通道上的信號噪聲比大為提，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的產生。

最后經過仔細分析因為在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別使用獨立的電源，若兩端共用一個電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義。當用光電耦合器來隔離輸入輸出通道時，必須對所有信號（包括數(shù)字量信號、控制量信號、狀態(tài)信號）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。

結論

通過應用過程中干擾的來源和傳播途徑的分析，提出了解決這些問題的實際對策。大量的電磁干擾產生，如不加以抑制，將影響整個控制系統(tǒng)的正常工作。但完全消除電磁干擾是不現(xiàn)實的。電磁干擾的抑制應根據(jù)不同元器件，不同的電磁環(huán)境采取適當?shù)囊种拼胧韵到y(tǒng)可以正常工作為衡量標準，沒有必要單純?yōu)榱俗非箅姶鸥蓴_抑制指標而采取復雜的措施。通常電磁干擾抑制能力的強弱與投資成正比。變頻調速電氣系統(tǒng)的電磁兼容性是一項十分復雜的系統(tǒng)工程，有許多實際的工作經驗需要總結，還有許多的理論需要探討。隨著新技術和新理論不斷應用，我們相信EMC問題一定會得到有效解決。

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