变频器信号的干扰和解决方案

变频器信号的干扰和解决方案

沈国华

上海实达精密不锈钢有限公司201209

摘要：基于我国工频50Hz的独特性，很多工业控制系统都需要安装变频器，变频器由于其功能的特殊性通过信号的接收和发出来控制，若变频器的收发信号收到干扰将对严重影响工业系统的正常工作，结合行业经验，对变频器信号的干扰源进行分类并分析，给出几种实际可行的解决方案。

关键词变频器信号干扰解决方案

1．引言

变频器由于具有较好的调速、节能等技术优势，再现代工业控制系统中具有不可或缺的作用。尤其电力电子技术的飞速发展进一步促进了变频器技术的进步，但因此由于变频器系统的电磁干扰（EMI）发生频次日益提高，抗干扰设计技术(EMC)的发展和提高已经刻不容缓。变频器系统的信号干扰所导致的恶劣影响主要有以下几个方面：

（1）直接损坏系统的硬件；

（2）导致微处理器的系统程序中断进而失控，从而造成设备和生产事故。

基于这两方面的损害，要找到变频器信号干扰源并抑制该现象，首先得分析信号干扰得成因以及干扰信号自身的物理规律，针对其物理成因找出解决措施。

2．变频调速系统干扰的主要来源和传播方式

2.1变频器干扰的主要来源

第一，外部电网作为一个大系统，对变频器的冲击较大。由于电力电子设备的大量应用，电网中存在大量的的谐波，且频次分布较广，谐波又是可以沿着输电线路进行传播，进而通过变频器电源干扰变频器信号。随着智能电网建设的稳步推进，电力系统中接入了大量的整流设备、逆变设备、补偿装置和等非线性负载。而这些设备的存在会使电力系统网压、网流产生畸变，因此对电力系统中的各种电气设备产生损害。带有畸变的网压、网流对变频器的供电电源进行干扰，产生较大的噪音对变频器供电电源信号具有较强的干扰。结合实际工程经验，可将供电电源对变频器的干扰分为过压、欠压、瞬时掉电、浪涌、电压跌落、尖峰电压脉冲以及射频干扰。

第二，变频器对电力系统本身的干扰。变频器中存在整流桥，整流桥因存在整流环节为非线性器件，故是一个谐波源，对电力系统中的电子、电气设备有谐波干扰。此外，变频器系统中的逆变环节大都采用技术较为成熟的PWM技术，为保证较好的逆变性能需要高速切换电平，造成大量耦合性噪声。基于此，变频器系统对电力系统中的电子、电气设备而言为电磁干扰源。

排除以上分析，共模干扰经由变频器的控制信号线对变频器也是一个较强的干扰因素。共模干扰实质为信号对地的电位差，其成因是通过电网渗透、地电位差和空间电磁辐射在信号线上感应的同一方向共态电压迭加而形成。

2.2电磁干扰的传播形式

变频器由于其工作功率较大，产生较强的谐波，作为谐波源具有较强的传播性以及对系统中的设备干扰性，其干扰途径具有普遍性，主要由传导(即电路耦合)、电磁辐射、感应耦合三种方式构成。详细表述如下：第一，对附近的电子、电气设备具有较强的电磁辐射;第二，就直驱的电动机而言，会造成较强的电磁噪声，加剧电机铁耗和铜耗;因干扰的传播，波及到电源部分，进而经由配电网络波及电力系统中的大量电气、电子设备，危害进一步扩大;第三，变频器同相邻线路发生较强的电磁感应耦合，感应出较强的电压、电流。同理，电力系统内部干扰信号经由相同的途径影响变频器的工作，具体分析如下：

2.2.1传导

通过基于电路耦合方式在电源网络传播的传导。基于线路中非线性阻抗的存在，输入电流并非标准的正弦波，若变频器的容量较大，配电网络中电压发生较为严重的畸变，对其它设备工的正常工作造成较为严重的影响，而在输出端由于传导导致的干扰对直驱电机铜损、铁损进一步加剧，严重影响电机的运转性能。以上分析是变频器输入电流干扰信号的主流传播规律。

2.2.2电磁辐射

电磁波的传播过程中夹带着电磁辐射，高次谐波主要以电磁波的形式传播，传播过程中导致较为严重的电磁辐射。

变频器由于其功能的独特性，不可能处在一个封闭的系统中，它只能是工业控制系统中的一个环节，由于其具有的上下游传播途径，可以向整个传播空间发射电磁波进而引发电磁波辐射。其辐射的范围和强度跟干扰源的电流强度、电力电子装置的等效辐射阻抗以及干扰源信号的发射频率高度相关。若变频器的表面金属壳出现了裂缝或小孔，此时辐射强度则同干扰信号的波长具有较强的相关性，其中若孔洞的直径和电磁波的波长越吻合，则产生的辐射共振性越强，同时散向四周。处在辐射范围内的的金属物体形成二次辐射的概率较大。同理，变频器的外部辐射对变频器的正常运转产生较大的影响。整流桥是变频器的核心器件，作为非线性器件来说存在于电力系统中，会产生大量的谐波，它所产生的谐波对电力系统中的其它电子、电气设备发生较强的谐波干扰。变频器的另一核心器件逆变桥普遍选择技术较为成熟的PWM技术，当其工作在开关模式时，即根据给定频率和设定值发出预期和重复指令，要保证较好的电能质量，需要加快开关频率。高载波频率同开关器件的高速切换所引起的辐射干扰问题异常严重。

2.2.3感应耦合

干扰源的频率的高低对其辐射范围有着较大的影响，干扰源同其它导体没有线路的接触，但由于工业控制系统中为了节约空间，变频器的输入电路或输出电路同其它各种设备挨的很近，给发生电磁感应创造了物理条件，在相近的电路里感应出干扰电流、电压。此外，变频器的高次谐波信号经由感应的方式耦合而出现在别的设备中去。感应耦合主要通过以下三种方式，电感耦合、电容耦合以及电感电容混合耦合，这和干扰源的频率以及相邻导体的距离等条件相关。

3．抗电磁干扰的措施

结合上述电磁干扰的成因分析有以下结论，形成电磁干扰（EMI）的条件如下：电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统。为避免干扰，硬件和软件相结合的抗干扰措施值得考虑。其中，硬件抗干扰为最基本和最重要的抗干扰措施之一，就干扰抑制措施而言，防治措施具有较好的效果，其基本思路和准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。在工程操作上表现为隔离、滤波、屏蔽、接地等方法。

3.1隔离

考虑对易干扰的线路和屏蔽较好的线路物理上进行隔开处理，避免其发生联系。比较常见的变频调速传动系统中，普遍采用隔离变压器把电源和放大器电路之间的电源线隔开来免传导干扰，电源隔离变压器选择噪声隔离变压器。

3.2滤波

变频器控制系统线路中常见的一个电气设备是滤波器，其主要功能是抑制干扰信号经由变频器和电源线的传导干扰电源和电动机。此外为减少电磁噪声和损耗，输出滤波器也是必不可少的，一般设置在变频器输出侧;变频器输入侧安装输入滤波器时为了避免对电源的干扰。现代工业系统具有较高的灵敏度，当中接有不少精密的电子设备，容易受到电磁干扰，因此考虑在电源线上安装电源噪声滤波器以可以切断干扰传播。变频器的输入、输出谐波成分和频次分布较为分散，不太容易滤波滤除的干净，容易形成对其他设备的干扰信号。滤波器的功能是消除高次谐波的主要手段。

但结合工程实践经验，变频器输出端的抗干扰措施有以下几方面需要关注：

变频器的输出端禁止接电容或者容性负载，防止在逆变管导通（关断）瞬间，产生峰值很大的充电（或放电）电流，破坏逆变管；若输出滤波器由LC电路构成，滤波器内电容器所在的一侧须与电动机侧连接。

3.3屏蔽

屏蔽干扰源是最有效的方法，从源头上切断干扰信号的传播。普遍变频器自身安装金属外壳，免除电磁干扰泄漏。输出线路大多采用钢管屏蔽，尤其若用外部信号控制变频器，则信号线需要保证在20m以内，而且信号线用双芯屏蔽较好，为了保证较好的屏蔽效果，同主电路及控制回路尽可能完全隔开。为保证屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地。

3.4接地

有效接地使变频器系统对外来干扰具有较好的抑制效果，又能衰减设备本身对外界的干扰。变频器接线中，由于系统电源零线(中线)、地线(保护接地、系统接地)不分、控制系统的屏蔽地(控制信号屏蔽地和主电路导线屏蔽地)接线的无序性对系统的稳定性和可靠性有着较大的影响。

就变频器而言，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必要手段之一，实际操作中需格外注意。变频器接地导线的截面积普遍大于2.5平方毫米，长度控制在20m以内并注意合理选择接地极的位置。

3.5设计安装中应注意的问题

设备的安装布置要有严格的讨论和周密的部署，变频器尽量考虑单独布置，以降低外界对其产生的电磁干扰，同时也降低其对系统产生的电磁干扰和电磁辐射；设备的电源线和信号线应尽量远离变频器的输入、输出线以避免发生电磁耦合干扰；各种电气设备的电源线和信号线应尽量免除同变频器的输入、输出线平行安装，防止创造发生较强电磁感应的物理条件。

4．结论

基于以上分析，对变频器信号干扰的成因做了详细的论述，基于其产生的物理规律，采用合理的措施基本可消除干扰或大大减弱电磁辐射和干扰。但对于精密仪器，由于谐波频次较为分散，很难滤除干净，彻底抑制干扰非常困难，需要进一步研究。

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