电气系统变频器的干扰成因及解决办法
电气系统变频器的干扰成因及解决办法
引言变频器作为节能应用与无级变速控制中越来越重要的自动化控制
设备，在生产生活中的应用越来越广泛。但变频器的运行总是受到来自外部电網、晶闸管等交直流互换元件、电力补偿电容造成的畸变波形电压、电流的干扰，造成设备自身失控、失灵。同时由于在开关模式与高速运行切换的运行状态，其产生的大功率高次谐波和耦合性噪声对同一电網及变频器系统的其它电子线路产生谐波和电磁干扰；其次因它自身非正弦波电路耦合波形的传播，造成电路系统输入电压产生畸变，使电網系统及电机设备无功功率增加，直接影响电網及负载运转特性；再次它通过感应方式将电磁波耦合到对周边邻近的电子等设备中，其感应电压、电流信号直接干扰电子设备的正常运行。上述原因均局限了变频器的实际应用范围，为此本文就变频器应用系统中干扰的成因及其传播途径进行讨论，提出了抗干扰的解决办法。
1.变频调速电气系统的主要电磁干扰成因及传播路径
1.1变频器的工作原理
变频器一般由整流部分、电容部分、逆变部分和控制部分组成。系利用半导体元器件的导通特性，将工频电流变换为直流电流，再经过电容滤波整流，再被逆变器转化成不同频率、幅度的钜阵波形，最后被控制器控制输
出和叠加为近似正弦波的交流
电，并驱动交流电动机运行。
我们知道，交流电动机的同步转速表达式为：
n=60 f （1-s ）/p （1）
式中n ---- 异步电动机的转速；
f ——异步电动机的频率；
S――电动机转差率；
P——电动机极对数。
由式（1）可知，转速n 与频率f 成正比，只要改变频率f 即可改变电动机的转速，当频率f在0?50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
1.2变频器的电磁干扰成因及传播路径电磁干扰是指变频器电气系统，在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。电網中大量的包含谐波源的电气负荷如：整流设备、非线性负载、电力补偿电容等，使电網中的电压、电流产生波形畸变，造成变频器出现过压、欠压及射频干扰，其主要表现为电網系统中有许多变频器输入、输出电流包含很多高次谐波。高次谐波挤占能源造成线路及设备无功损耗，并将部分能量传播出去，就形成对电气系统和变频器自身的污染性干扰源。变频器的整流桥对电網来说是非线性负载，它所产生的谐波会对同一电網的其他电子、电气设备产生谐波干扰。另外，变频器逆变器技术的应用，由于其处于高速切换时，产生了大量耦合性噪声与谐波干扰。这些都直接对变频器电气系统内其他的电子、电气设备产生了电磁干扰源。其干扰途径与一般电磁干扰途径是一致的，主要分为空间辐射干扰即传导、电磁辐射干扰、感应耦合。
1.2.1传导性干扰。电網中大量的包含谐波源的电气负荷输入电流波
形呈现不连续＞中击波形式，有很强的高次谐波，其占工频50HZ基波的70%-80%其输出端波形为方形波形，接近正弦波，与载波频率相等，谐波分量较大。电力系统电压、电流因畸变产生干扰源，其电磁干扰通过与其相连的导线向外发射，同时也通过阻抗耦合或接地回路耦合将干扰谐波传导入其它电路。干扰谐波信号将沿着线路进入配电变压器和中压網络，并沿着其它的配电变压器最终又进入民用低压配电網络，使接自民用配电母线的电气设备成为远程的受害者。其传播的路程可以很远。
1.2.2电磁辐射性干扰。变频器的整流桥对电網来说是非线性负载，它所产生的谐波对接入同一电網的其它电子、电气设备产生谐波干扰。若变频器外部没有一个全封闭金属外壳进行屏蔽，其将通过空间向外辐射电磁波干扰。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/us 以上）所引起的辐射干扰问题相当突出。若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。
1.3.3感应耦合性干扰。感应耦合干扰可以分为导体间的电容耦合形式、电感耦合形式或电容与电感混合形式。这与干扰源的频率以及与相邻导体的距离等因素有关。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。
2.谐波干扰成因及其途径谐波引起电網中局部的串联或并联谐振，从
而使谐波放大。
使电網中的电器元件产生了附加的谐波损耗，降低了输变电及用电设备的效率。
谐波可以通过电網传导到其他的用电器，导致继电器等保护设置误动作或使电器仪表计量不准确，从而影响许多电器设备的正常运行，比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.电磁辐射干扰成因及其途径
电磁辐射干扰使经过变频器输出导线附近的控制信号、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。一般来讲，变频器对电網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，但对系统容量小的无线电和通讯系统，谐波产生的干扰就不能忽视。4. 解决干扰办法
形成电磁干扰须具备电磁干扰源、电磁干扰途径和对电磁干扰敏感的系统等要素。为防止干扰，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。具体办法为：
4.1对干扰源进行隔离。将干扰源与易受干扰的部分隔离开来，单独
布置使它们不发生电的联系。应尽量将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以减少干扰。在变频调速传动系统中，通常是在信号源和放大器电路之间的电源线上采用隔离变压器以免传导干扰，电源隔离变压器可应用噪声隔离变压器。
4.2滤波。变频器在运行中产生的高次谐波会对电網产生影响，可能造成电網压降很大、电網功率因数较低。一般的解决方法主要采用无功率补偿装置以调节功率因数，同时根据具体情况在电源进线端和接负载侧同时采取加装电抗滤波器，以尽量减少对电網的影响。增加输入输出滤波器，其主要是用电感线圈来构成，通过增大线路在高频阻抗削弱较高谐波，增加高频电容器件构成滤波器滤掉辐射能量的谐波；在输出端滤波器的电容器与电动机侧相接。
4.3屏蔽。屏蔽干扰源应尽量采取把变频器全封闭在金属壳内，并将金属外壳进行可靠接地，以减少通过空间对外辐射电磁波，降低对其他设备的干扰，特别是对电子线路和设备的干扰。另一方面，变频器采用了高性能的微处理器等集成电路，对外来的电磁干扰较敏感，会因电磁干扰的影响产生错误，对运行造成恶劣影响。外来的干扰通过从变频器控制电缆为媒介的途径侵入，所以在铺设电缆时必须采取充分的抗干扰措施。通常采取的措施为：模拟量控制线路必须使用屏蔽线，屏蔽层。靠近变频器一端应接控制电路的公共端。(COM而不应接在变频器的接地
(E)或大地，屏蔽层的另一端悬空。控制线与主设备线路分设，并不设在同一管路中，增加控制线外屏蔽层或屏蔽罩，并接地。
4.4接地。变频器金属外壳接地往往是抑制噪声和防止干扰的重要手