浅谈变频器在应用中的干扰及抗干扰措施

【摘 要】随着高频高速技术的发展与应用，变频器被广泛应用到工业生产中，几乎各个行业都要应用到变频器，在变频器的使用中，系统的干扰问题日益突出。这里系统的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，阐述了在变频器应用系统中抑制干扰的具体技术措施。

【关键词】变频器；干扰；措施

1 变频器谐波产生机理

通用变频器的主电路一般为交—直—交转换电路，当变频器工作时它从电源引入了非正弦的电流。这是由于变频器的输入整流器在把电源的交流电压和电流转换为直流电压和电流时产生的。

（1）输入整流器：从三相电源的每一相中一次引入电流。引入的电流是非正弦的，并不像标准的交流正弦波那样，而是在整流器转换过程中产生了畸变。畸变意味着电源电流波形包含了谐波，因为畸变的波形可以分解为一组正弦分量，既人们所说的谐波分量。由于电源是一个对称的标准三相电源，而整流部分又是一个开环不可控的，所以谐波的“次”数是一定的，所以整流部分产生的谐波分量很少。

（2）输出逆变器：直流电流经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件IGBT逆变为频率电压可变的交流。在逆变输出回路中，输出电流是受PWM载波信号调制的脉冲波形，对于GTR大功率逆变元件，其PWM的载波频率为2～3kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHz。同样，输出回路电流也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波，其主要谐波次数为第一次（基波，50Hz），第五次谐波（250Hz）第七次谐波（350Hz），第11次谐波（550Hz），第13次谐波（650Hz）。我们从逆变器的工作机理可以看出变频器中的大部分谐波和干扰都是在逆变器中产生的，高次谐波电流对负载有着直接干扰（当作用在电机上时电机表现为发热，声音难听。当作用在模拟仪表上时，仪表的指针和读数乱跳，这些现象都是受到干扰的现象），另外高次谐波电流还能通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。

2 变频调速系统的主要电磁干扰源及途径

2.1 主要电磁干扰源

电磁干扰也称电磁骚扰（EMI），是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。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，当其工作于开关模式并作高速切换时，产生大量耦合性噪声。因此，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。

2.2 电磁干扰的途径

变频器能产生功率较大的谐波，对系统其他设备干扰性较强。其干扰途径与一般电磁干扰途径是一致的，主要分空间辐射干扰即电磁辐射干扰、传导、感应耦合。

（1）电磁辐射

变频器如果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。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/μs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。

（2）传导

上述的电磁干扰除了通过与其相连的导线向外部发射，也可以通过阻抗耦合或接地回路耦合将干扰带入其它电路。与辐射干扰相比，其传播的路程可以很远。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。

（3）感应耦合

感应耦合是介于辐射与传导之间的第三条传播途径。当干扰源的频率较低时，干扰的电磁波辐射能力相当有限，而该干扰源又不直接与其它导体连接，但此时的电磁干扰能量可以通过变频器的输入、输出导线与其相邻的其他导线或导体产生感应耦合，在邻近导线或导体内感应出干扰电流或电压。感应耦合可以由导体间的电容耦合的形式出现，也可以由电感耦合的形式或电容、电感混合的形式出现，这与干扰源的频率以及与相邻导体的距离等因素有关。

3 抗干扰的措施

根据电磁性的基本原理，形成电磁干扰（EMI）须具备电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统等三个要素。为防止干扰，可采用硬件和软件的抗干扰措施。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、切断干扰对系统的耦合通道、降低系统对干扰信号的敏感性。具体措施在工程上可采用隔离、滤波、屏蔽、接地等方法。

（1）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。

（2）电动机和变频器之间电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆，并与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设，避免辐射干扰。

（3）信号线采用屏蔽线，且布线时与变频器主回路控制线错开一定距离（至少20cm以上），切断辐射干扰。

（4）变频器使用专用接地线，且用粗短线接地，邻近其他电气设备的地线必须与变频器配线分开，使用短线。这样能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰。使用变频器时，因接地不正确而引起的干拢间题时有发生，为此首先要在概念上分清什么是“安全接地”和“电磁干扰接地”，尤其是在高频区域，由于“趋肤效应”在接头处将呈现高阻状态，造成接地不良，使系统对外干扰信号增强，对外影响变得敏感。因此，在防止电磁干扰接地时，需要实现低阻抗连接。

（5）增加输入电抗器，一般应采用无源电抗器，目的在于只允许特定的频率信号通过，阻止干扰信号源。并帮助吸收重载设备投入时产生的浪涌电压和主电源的电压尖峰。2%阻抗进线电抗器通常已足以能够吸收电压峰值并在多数应用情况下能避免变频器有害的停机。还能保护变频器内部直流回路电容器不至于过热和由于吸收浪涌漏电压，而减少寿命，并且增加电源阻抗。4%阻抗进线电抗器最适宜降低由变频器产生的谐波频率电流，还能使干拢信号不能通过地线传播而被反射回干扰源。安装输入电抗器时应尽量靠近变频器，并与其共基板。若两者距离超过变频器使用说明书规定的标准，应用扁平线连接。

（6）输出电抗器装于变频器的输出端（U﹑V & W），以允许电机在长电缆的情况下运行。

在变频器输出端串接电抗器，可以解决电机过热和噪声污染。采用了输出电抗器，可省去在变频器与电机之问的屏蔽电缆。这样做不仅降低了成本，而且能很好的抑制变频器对外产生的干扰，这是使用电抗器的主耍优点。

输出电抗器的电感补偿可使电机电缆相-对-相和相-对-地的分布电容。由于电机电缆长度增加，电机电缆的总分布电容也随时增加，该分布电容与变频器输出端的残余电压峰值（由于变频器输出器件IGBT切换），导致电流峰值流回变频器。这些电流峰值会引起变频器有害的跳闸，安装了输出电抗器都可以避免。电抗器被装于变频器的输出端，以允许带长电缆运行，电抗器补偿了电缆中的分布电容。

4 结语

通过对变频器应用过程中干扰的来源和传播途径的分析，提出了解决这些问题的实际对策。随着工业生产的加速发展，对变频器的要求也会越来越高，变频器的发展也将会越来越完善，变频器的抗干扰问题一定会得到有效解决。