基于变频器控制系统的EMC分析与研究

摘要：针对现场工业控制中遇到的变频器电磁兼容性问题，本文介绍了变频器控制系统中的干扰源及其传播途径。同时分析了电磁干扰对电子设备、通讯设备、电机等电气设备的实际危害；由此提出了采用隔离、接地、滤波和屏蔽等抗干扰的实际解决方法。所阐述的抑制干扰的具体措施对变频器的使用有一定的实际意义。

关键词：变频器 电磁兼容 干扰抑制

中图分类号：TP802 文献标识码：A

0 引言

变频器内部由电子元器件、电力电子器件、计算机芯片等组成。一般运行于恶劣的电磁环境中，易受外界的电磁干扰，其输人侧和输出侧的电流、电压含有高次谐波。因此，变频器控制系统既要防止自身受外界干扰，又要防止其对外部设备产生干扰，即所谓的电磁兼容性EMC（ Electro Magnetic Compatibility）.国际电工委员会（IEC）对电磁兼容性的定义是：电磁兼容性是电子设备的一种功能，电子设备在电磁环境中能完成其功能，而不产生不能容忍的干扰。电磁兼容性有双重含义：设备或系统不仅应具有抑制外部电磁干扰的能力，而且所产生的电磁干扰应不得影响同一电磁环境中其他电子设备的正常工作[1]。

1 变频器控制系统的电磁干扰源

1.1 变频器的工作原理

要分析变频器的干扰源问题，首先要分析变频器的工作原理。如下图1所示，变频器的输人电路通常由二极管VD1～VD6全桥整流电路和直流侧电容器C1、C2、C3所组成，它将工频交流电整流为脉动直流电。再经过由C5、C6、R2、R3组成的滤波电路，将脉动直流电变为较平滑的直流电。之后再经过逆变电路，将直流电变为频率和电压可调的三相交流电。再这之前的制动单元电路用来消耗电动机制动过程中的回馈能量，加以保护变频器。

1.2 主要电磁干扰源

如下图2所示，对于变频器的输入侧，变频器的供电电源如果受到来自被污染的交流电网的干扰后，产生十分丰富的高次谐波，使电网电压发生畸变，电网噪声就会通过电源电路干扰变频器。电网对变频器的主要干扰有过压、欠压、浪涌、瞬时掉电、跌落、射频干扰、尖峰电压脉冲等。

对于变频器内部，变频器的整流桥对电网来说是非线性负载，它所产生的脉动直流电的电流波形随阻抗的不同相差很大。在电源阻抗比较小的情况下，其波形为窄而高的瘦长型波形，当电源阻抗比较大时，其波形为矮而宽的扁平型波形。它会对同一电网的电气、电子设备产生谐波干扰。另外，变频器的逆变器工作于高速切换的开关模式，产生大量藕合性噪声。因此，变频器在这个控制系统中相当于一个电磁干扰源，会对其他的电气、电子设备产生干扰；对于变频器的输出侧，输出电压是正弦脉冲调制的高频脉冲列，通过线路的分布电容“窜入”其他电气电子设备产生干扰。输出电流是高频高次谐波，产生电磁辐射对其他设备有干扰。同时，谐波电压或电流会在电动机的定子绕组、转子回路以定子和转子铁芯中引起附加损耗。由于涡流和集肤效应，定子和转子内的附加损耗要比直流电阻引起的损耗大[2]。总的谐波损耗可用下式表示：

式中：为定子谐波铜耗；为转子谐波铜耗；为谐波铁耗和谐波杂质损耗；Isk为定子第k次谐波电流有效值；Irk为转子第k次谐波电流有效值；Is为定子基波电流有效值；Rsk为k次谐波频率下考虑肌肤效应的每相转子电阻（折合到定子侧）；P为电动机的功率。

另外， 谐波电流还会增大电动机的噪声和产生脉动转矩。转子第k次谐波电流与基波旋转磁场产生的脉动转矩可由下式表示：

式中：Er为转子基波电动势（折算到定子侧）；f1为定子基波频率；p为电动机的极对数；φr为φt=0时，Irk与Er的相位差。

2 电磁干扰的传播途径

变频器控制系统中有能产生功率较大的高次谐波，对系统其他设备会产生较强的干扰。其干扰途径主要为电路耦合、空中辐射、感应藕合。对于变频器直接驱动的电动机产生电磁噪声，使得电动机内部铁耗和铜耗增加，并传导干扰到供电电源，通过配电网络传导给变频器控制系统的其他设备；同时变频器会对周围的电气、电子设备产生空中电磁辐射；变频器还会对相邻的线路产生感应藕合，感应出干扰电压或电流。同样，变频器控制系统中的其他设备产生的干扰信号还会通过相同的途径干扰变频器的正常工作。对于以上情况下面分别加以分析，如下图3所示。

2.1 电路耦合

如图3（a）所示，电子设备、通讯设备等电气设备从同一电源获得供电时，电磁干扰通过阻抗藕合或接地回路耦合将干扰带人控制系统电路。由于输入电流为非正弦波，从而在控制系统电路中产生谐波。谐波频率是基波频率的整倍数，根据傅立叶分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以区分为偶次谐波与奇次谐波。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。当变频器的容量较大时，接自工业低压网络的变频器产生的电磁干扰信号将沿着配电变压器进入民用低压配电网络，将会是整个供电网络电压发生畸变，从而影响其他设备的正常工作。

2.2 空中辐射

如图3（b）所示，由于变频器的外壳不是封闭的，电磁波就可以通过空间向外辐射。对于变频器来说，输入电流和输出电流中都具有频率较高的高次谐波，高次谐波电流产生的电磁场具有辐射功能。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。谐波电流频率较高，辐射能力越强，但传播距离较短；谐波电流频率越低，辐射能力越强，但传播距离越远。同时辐射场强还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。变频器的整流桥对供电电网来说是非线性负载，从而产生的谐波对接人供电电网的其他电子设备、通讯设备产生谐波干扰。同时，变频器的逆变单元处于高速切换的开关模式时，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所引起的辐射干扰问题是相当突出的。

2.3 感应耦合

如图3（c）所示，当变频器控制系统中存在低频干扰源时，该干扰源不能直接与其他导体连接，并且它的电磁波辐射能力是有限的，此时就会出现第三种传播途径—感应耦合。这时干扰电流到变频器的输入和输出的导线上，该导线如与周围电子设备的导线或通讯信号线靠的太近时，就会通过电磁感应和静电感应，在周围电子设备的导线或通讯信号里感应出干扰电势。这属于感应耦合。感应耦合可以以三种形式出现，一是以导体间电容耦合的形式出现，二是以电感藕合的形式出现，三是以电容、电感混合的形式出现。对于具体是那种方式取决于干扰源的频率和干扰源与相邻导体的距离等因素。

3 抗电磁干扰的措施

要研究变频器控制系统抗干扰的具体措施，就必须首先分析形成电磁干扰的要素。根据电磁性原理，电磁干扰源、电磁干扰传播途径以及对电磁干扰敏感的系统是形成电磁干扰的三个要素。由此我们可以采用软件和硬件两个方面的抗干扰措施加以解决电磁干扰问题。由于变频器多采用DSP作为控制芯片，如果软件出现问题将会造成系统工作不稳定、数据不可靠、程序“跑飞”等，严重时会导致DSP的控制失灵。但是软件问题可以通过陷阱技术、冗余技术、容错技术和数字滤波技术等加以解决。所以，现在我们讨论的重点是硬件抗干扰技术。硬件抗干扰是最基本和最重要的抗干扰措施，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、接地、滤波、屏蔽等方法。对于以上的方法下面分别加以分析，如下图4所示。

3.1 隔离

如图4（a）所示，所谓电磁干扰的隔离是指从电路上把电磁干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电和磁的联系。在变频器控制系统中，通常是在电源和通讯设备及电子仪器设备电路之间的电源线上采用隔离变压器以免电路耦合电磁干扰，同时还可以在电子仪器设备间增加光耦隔离，以防止电磁干扰。

3.2 接地

如图4（b）所示，接地是抑制内部噪声耦合和防止外部干扰侵人的重要手段。变频器的接地方式有单点接地、多点接地等几种形式。在低频情况下，在电路或装置中，只有一个物理点为接地点，即单点接地。在高频情况下，在电路或装置中的各个接地点都直接接到离它最近的接地点，即多点接地。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。即混合接地。变频器从安全和降低噪声的需要出发，必须接地。它本身有专用接地端子PE端。用较粗的导线一端接到接地端子PE端上，另一端与接地极相连，并注意合理选择接地极的位置。

3.3 滤波

如图4（c）所示，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。当系统的抗干扰能力要求较高时，为减少对电源的干扰，在电源输人侧可加装电源滤波器。为减少电磁噪声和损耗，在变频器输出侧可设置输出滤波器。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。为抑制变频器输人侧的谐波电流，改善功率因数，可在变频器输人端加装交流电抗器，为改善变频器输出电流，减少电动机噪声，可在变频器输出端加装交流电抗器。

3.4 屏蔽

如图4（d）所示，屏蔽干扰源是抑制干扰最有效的方法。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，要求信号线尽可能短，且信号线采用双芯屏蔽，并与主电路及控制回路完全分离，不能放于同一配管或线槽内，周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地。

对于实际的工业现场情况，可根据变频器控制系统的抗干扰要求来合理选择使用抗干扰措施。对于线路传播引起的干扰，大容量电子设备可采用接入输入交流电抗器和输出交流电抗器的方法，对于小容量电子设备可采用加入滤波器，隔离变压器。以及要对每个电子设备单独接地。对于电磁辐射引起的干扰，可采用变频器屏蔽、主电路屏蔽、电子设备屏蔽。以及降低载波频率、屏蔽层良好接地、接滤波器等措施。

4 结束语

以上通过对变频器控制系统中的EMC分析与研究，提出了解决这些问题的具体实际方法。随着现代工业新技术、新理论在变频器上的应用，EMC问题有望通过变频器本身的功能和补偿来解决。根据工业现场的具体情况，合理灵活地选择使用抗干扰措施。将进一步提高变频器控制系统的安全性和可靠性。

参考文献

[1] 满永奎，韩安荣主编.通用变频器及其应用[M].第3版.北京：机械工业出版社，，2012.

[2] 李国厚.变频器应用中的可靠性设计[J].自动化仪表，2006，（12）：5-9.

[3] 罗雪莲.分布式控制系统抗干扰设计[J].低压电器，2006，（8）：53-57.

[4] 王惟.提高PLC系统抗干扰和接地系统可靠性探讨[J].自动化仪表，2010，（8）：55-57.

[5] 西门子（ 中国）有限公司自动化与驱动集团. 深入浅出西门子S7-200PLC（第三版）[M ]. 北京： 北京航空航天出版社， 2007.

作者简介

王宗刚（1979-），男，甘肃张掖人，电气工程硕士，讲师，研究方向为嵌入式系统开发、计算机控制、过程控制等方面的研究和应用。

项目：河西学院青年骨干教师资助项目； 河西学院青年基金项目项目号：QN2012-15