变频器屏蔽

引言

随着电力电子及其控制技术的发展，变频器及其变频调速已经被广泛应用到工业控制的各个领域，如变频调速在供水、空调设备、过程控制、电梯、机床等方面的应用，变频器的广泛应用也带来了不能忽视的干扰问题。这种干扰表现在现场供电和其他用电设备对变频器的干扰和变频器运行时产生的高次谐波对电网和周围设备的干扰两个方面。如果变频器的干扰问题解决不好，不仅变频器系统无法可靠运行，还会影响其周边其他电子、电气设备的正常工作。因此，变频器应用系统中的干扰问题倍受理论界和工程应用界的广泛重视。下面结合自己的工作实践，主要讨论变频器及其调速系统的干扰及其抑制方法。

2 变频器系统的主要干扰

2.1 外部对变频器的干扰

(1) 非线性用电设备对变频器的干扰

由于各种整流设备、交直流互换设备、电子电压调整设备、照明设备等非线性负载的应用，这些负载成为电网中的大量谐波源，使电网电压、电流产生波形畸变。图1示出晶闸管换相引起的畸变。

图1 晶闸管换相引起的畸变

变频器的供电电源受到来自被污染的交流电网的干扰后，若不加以处理，电网噪声就会通过电网电源电路干扰变频器。供电电源对变频器的干扰主要有过压、欠压、瞬时掉电；浪涌、跌落；尖峰电压脉冲；射频干扰。其次，共模干扰通过变频器的控制信号线也会干扰变频器的正常工作。

(2) 补偿电容器的投入和切出对变频器的干扰

许多用户都在变电所内采用集中电容补偿的方法来提高功率因数，在补偿电容器投入和切出的暂态过程中，网络电压有可能出现很高的峰值，如图2所示，其结果是可能使变频器的整流管因承受过高的反电压而击穿。

图2 补偿电容投入时的电压畸变

2.2 变频器对外部的干扰

变频器对电网来说也是非线性负载，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，逆变器采用spwm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,对共网的其他的电子、电气设备来说是一个电磁干扰源。

(1) 输入电流的波形

ac-dc-ac压型变频器的输入侧是整流和滤波电路，只有在电源的线电压ul大于电容器两端的直流电压ud时，整流桥中才有充电电流。因此充电电流总是出现在电源电压的振幅值附近，呈不连续的冲击波形式，如图3a)所示。它具有很强的高次谐波成分，其中5次谐波和7次谐波分量很大，如图3b)所示。

图3 输入电流的波形及其谐波分析

图4 输出电压与电流的波形

(2) 输出电压与电流的波形

变频器的逆变桥大多采用spwm技术，其输出电压为占空比按正弦规律分布的系列矩形波，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，如图4a)所示。其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)所引起的辐射干扰相当突出。

3 电磁干扰的传播途径

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一样，有电磁辐射、电路耦合、感应耦合等[1]，现分析如下。

3.1 电磁辐射

变频器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。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。

3.2 电路耦合

上述的电磁干扰除了通过与其相连的导线向外部发射，还可以通过阻抗耦合或接地回路耦合，将干扰信号带入其它电路。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可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。

3.3 感应耦合

当变频器输入或输出电路与其它设备的电路很近时，变频器的高次谐波信号可通过感应的方式耦合到其它设备中去。其中电流干扰信号主要以电磁感应方式传播，电压干扰信号主要以静电感应方式传播。

4 抗电磁干扰的措施及注意事项

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，总的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，可从“抗”和“防”两方面入手采取措施抑制干扰[2]。

4.1 正确安装、合理布线

变频器对安装环境要求较高。一般变频器使用手册对环境温度、通风、湿度、海拔高度都有明确规定。以下几个方面的安装工艺要求值得注意：

(1) 确保控制柜中的所有设备接地良好，应该使用短、粗的接地线(最好采用扁平导体或金属网，因其在高频时阻抗较低)连接到公共地线上。按国家标准规定，其接地电阻应小于4欧姆。另外与变频器相连的控制设备(如plc或pid控制仪)要与其共地。

(2) 安装布线时将电源线和控制电缆分开，其它设备的电源线和信号线应尽量远离变频器的输入、输出线，例如使用独立的线槽等。如果控制电路连接线必须和电源电缆交叉，应成90°交叉布线。

(3) 使用屏蔽导线或双绞线连接控制电路时，确保未屏蔽之处尽可能短，条件允许时应采用电缆套管。

(4) 确保控制柜中的接触器有灭弧功能，交流接触器采用r-c抑制器，也可采用压敏电阻抑制器，如果接触器是通过变频器的继电器控制的，这一点特别重要。

(5) 所有的电源线和信号线都应尽量屏蔽，用屏蔽和铠装电缆作为电机接线时，要将屏蔽层双端接地。

(6) 如果变频器运行在对噪声敏感的环境中，可以采用rfi滤波器减小来自变频器的传导和辐射干扰。为达到最优效果，滤波器与安装金属板之间应有良好的导电性。

4.2 加入电抗器

在变频器的输入电流中，频率较低的谐波分量(5、7、9、11、13次谐波等)所占的比重比较高，这些谐波除了可能干扰其它设备的正常运行外，还消耗大量的无功功率，使线路的功率因数降低。在输入电路中串入电抗器是抑制较低谐波电流的有效方法，如图5所示。根据接线位置不同，分以下两种：