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在各種工業控制系統中，随著(zhe)變頻器等電力電子裝置的廣泛使用，系統的電磁幹擾（EMI）日益嚴重，相應的抗幹擾設計技術(即電磁兼容EMC)已經變得越來越重要。變頻器系統的幹擾有時能直接造成系統的硬件損壞，有時雖不能損壞系統的硬件 ，但常使微處理器的系統程序運行失控，導緻控制失靈，從而造成設備和生産事故。因此 ，如何提高系統的抗幹擾能力和可靠性是自動化裝置研制和應用中不可忽視的重要内容，也是計算機控制技術應用和推廣的關鍵之一 。談到變頻器的抗幹擾問題，首先要瞭(le)解幹擾的來源 、傳播方式，然後再針對這些幹擾採取不同的措施 。
一、 變頻器幹擾的來源
首先是來自外部電網的幹擾 。電網中的諧波幹擾主要通過變(biàn)頻器的供電電源幹擾變(biàn)頻器。電網中存在大量諧波源如各種整流設備(bèi)、交直流互換設備(bèi) 、電子電壓調整設備(bèi)，非線性負載及照明設備(bèi)等。這些負荷都使電網中的電壓、電流産生波形畸變(biàn) ，從而對電網中其它設備(bèi)産生危害的幹擾。變(biàn)頻器的供電電源受到來自被污染的交流電網的幹擾後若不加處理 ，電網噪聲就會通過電網電源電路幹擾變(biàn)頻器 。供電電源的幹擾對變(biàn)頻器主要有(1)過壓、欠壓、瞬時掉電(2)浪湧、跌落 (3)尖峰電壓脈沖 (4)射頻幹擾 。
1、 晶閘管換流設備(bèi)對變(biàn)頻器的幹擾
當供電網絡内有容量較大的晶閘管換流設備(bèi)時，由於(yú)晶閘管總是在每相半周期内的部分時間内導通 ，容易使網絡電壓出現凹口，波形嚴重失真。它使變頻器輸入側的整流電路有可能因出現較大的反向回複電壓而受到損害，從而導緻輸入回路擊穿而燒毀。
2、電力補(bǔ)償電容對變(biàn)頻器的幹擾
電力部門對用電單位的功率因數有一定的要求，爲此，許多用戶都在變(biàn)電所採(cǎi)用集中電容補償的方法來提高功率因數。在補償電容投入或切出的暫态過程中，網絡電壓有可能出現很高的峰值，其結果是可能使變(biàn)頻器的整流二極管因承受過高的反向電壓而擊穿。
其次是變頻器自身對外部的幹擾 。變頻器的整流橋對電網來說是非線性負載 ，它所産生的諧波對同一電網的其它電子、電氣設備産生諧波幹擾。另外變頻器的逆變器大多採(cǎi)用PWM技術，當工作於(yú)開關模式且作高速切換時 ，産生大量耦合性噪聲。因此變頻器對系統内其它的電子、電氣設備來說是一電磁幹擾源 。
變頻器的輸入和輸出電流中 ，都含有很多高次諧波成分。除瞭(le)能構成電源無功損耗的較低次諧波外，還有許多頻率很高的諧波成分。它們将以各種方式把自己的能量傳播出去 ，形成對變頻器本身和其它設備(bèi)的幹擾信号。
（1）輸入電流的波形 變(biàn)頻器的輸入側是二極管整流和電容濾波電路。顯然隻有電源的線電壓UL大於(yú)電容器兩端的直流電壓UD時 ，整流橋中才有充電電流。因此，充電電流總是出現在電源電壓的振幅值附近 ，呈不連續的沖擊波形式。它具有很強的高次諧波成分。有關資料表明，輸入電流中的5次諧波和7次諧波的諧波分量是最大的，分别是50HZ基波的80％和70％。
（2）輸出電壓與電流的波形 絕大多數變頻器的逆變橋都採(cǎi)用SPWM調制方式 ，其輸出電壓爲占空比按正弦規律分布的系列矩形式形波；由於(yú)電動機定子繞組的電感性質，定子的電流十分接近於(yú)正弦波 。但其中與載波頻率相等的諧波分量仍是較大的。
二 、 幹(gàn)擾信号的傳(chuán)播方式
變頻器能産生功率較大的諧波，由於(yú)功率較大，對系統其它設備幹擾性較強 ，其幹擾途徑與一般電磁幹擾途徑是一緻的 ，主要分傳導(即電路耦合)、電磁輻射 、感應耦合。具體爲:首先對周圍的電子、電氣設備産生電磁輻射;其次對直接驅動的電動機産生電磁噪聲，使得電機鐵耗和銅耗增加;並(bìng)傳導幹擾到電源，通過配電網絡傳導給系統其它設備;最後變頻器對相鄰的其它線路産生感應耦合，感應出幹擾電壓或電流。同樣 ，系統内的幹擾信号通過相同的途徑幹擾變頻器的正常工作。
（1）電路耦合方式 即通過電源網絡傳播。由於(yú)輸入電流爲非正弦波，當變頻器的容量較大時，将使網絡電壓産生畸變 ，影響其他設備工工作，同時輸出端産生的傳導幹擾使直接驅動的電機銅損 、鐵損大幅增加，影響瞭(le)電機的運轉特性。顯然，這是變頻器輸入電流幹擾信号的主要傳播方式 。
（2）感應耦合方式 當變(biàn)頻器的輸入電路或輸出電路與其他設備(bèi)的電路挨得很近時，變(biàn)頻器的高次諧波信号将通過感應的方式耦合到其他設備(bèi)中去。感應的方式又有兩種：
a、電(diàn)磁感應方式 ，這是電(diàn)流幹(gàn)擾信号的主要方式；
b、靜電(diàn)感應方式 ，這是電(diàn)壓幹(gàn)擾信号的主要方式。
（3）空中幅射方式 即以電(diàn)磁波方式向空中幅射，這是頻率很高的諧波分量的主要傳(chuán)播方式 。
三 、 變(biàn)頻調(diào)速系統的抗幹擾對策
據電磁性的基本原理 ，形成電磁幹擾(EMI)須具備(bèi)三要素:電磁幹擾源、電磁幹擾途徑、對電磁幹擾敏感的系統。爲防止幹擾，可採(cǎi)用硬件抗幹擾和軟件抗幹擾。其中，硬件抗幹擾是應用措施系統最基本和最重要的抗幹擾措施 ，一般從抗和防兩方面入手來抑制幹擾，其總原則是抑制和消除幹擾源 、切斷幹擾對系統的藕合通道、降低系統幹擾信号的敏感性。具體措施在工程上可採(cǎi)用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。
1、 所謂幹擾的隔離，是指從電路上把幹擾源和易受幹擾的部分隔離開來，使它們不發生電的聯系。在變(biàn)頻調速傳動系統中 ，通常是電源和放大器電路之間電源線上採(cǎi)用隔離變(biàn)壓器以免傳導幹擾，電源隔離變(biàn)壓器可應用噪聲隔離變(biàn)壓器 。
2、 在系統線路中設置濾波器的作用是爲瞭(le)抑制幹擾信号從變頻器通過電源線傳導幹擾到電源從電動機。爲減少電磁噪聲和損耗 ，在變頻器輸出側可設置輸出濾波器;爲減少對電源幹擾 ，可在變頻器輸入側設置輸入濾波器。若線路中有敏感電子設備，可在電源線上設置電源噪聲濾波器以免傳導幹擾 。在變頻器的輸入和輸出電路中，除瞭(le)上述較低的諧波成分外，還有許多頻率很高的諧波電流，它們将以各種方式把自己的能量傳播出去，形成對其他設備的幹擾信号。濾波器就是用於(yú)削弱頻率較高的諧波分量的主要手段。根據使用位置的不同 ，可分爲:
(1)輸入濾(lǜ)波器 通常又有兩(liǎng)種 ：
a、線路濾波器 主要由電(diàn)感線圈構(gòu)成。它通過增大線路在高頻下的阻抗來削弱頻率較高的諧波電(diàn)流。
b、輻(fú)射濾波器 主要由高頻電(diàn)容器構成。它将吸收掉頻率很高的、具有輻(fú)射能量的諧波成分。
（2） 輸出濾波器 也由電感線圈構成。它可以有效地削弱輸出電流中的高次諧波成分。非但起到抗幹擾的作用 ，且能削弱電動機中由高次諧波諧波電流引起的附加轉矩。對於(yú)變(biàn)頻器輸出端的抗幹擾措施，必須注意以下方面：
a、 變(biàn)頻器的輸出端不允許接入電容器，以免在逆變(biàn)管導通（關斷）瞬間 ，産(chǎn)生峰值很大的充電（或放電）電流，損害逆變(biàn)管；
b、 當(dāng)輸出濾波器由LC電路構成時，濾波器内接入電容器的一側(cè)，必須與電動機側(cè)相接。
3、 屏蔽幹擾源是抑制幹擾的最有效的方法。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽，不讓其電磁幹擾洩漏;輸出線最好用鋼管屏蔽，特别是以外部信号控制變頻器時，要求信号線盡可能短(一般爲20m以内)，且信号線採用雙芯屏蔽，並(bìng)與主電路線(AC380V)及控制線(AC220V)完全分離，決不能放於(yú)同一配管或線槽内，周圍電子敏感設備線路也要求屏蔽。爲使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。
4、 正確的接地既可以使系統有效地抑制外來幹擾，又能降低設備本身對外界的幹擾。在實際應用系統中，由於(yú)系統電源零線(中線)、地線(保護接地、系統接地)不分 、控制系統屏蔽地(控制信号屏蔽地和主電路導線屏蔽地)的混亂連接，大大降低瞭(le)系統的穩定性和可靠性。
對於(yú)變頻器，主回路端子PE(E、G)的正確(què)接地是提高變頻器抑制噪聲能力和減小變頻器幹擾的重要手段，因此在實際應用中一定要非常重視。變頻器接地導線的截面積一般應不小於(yú)2.5mm2，長度控制在20m以内。建議變頻器的接地與其它動力設備接地點分開，不能共地。
5、 採用電抗器
在變頻器的輸入電流中頻率較低的諧波分量（5次諧波、7次諧波、11次諧波、13次諧波等所）所占的比重是很高的，它們除瞭(le)可能幹擾其他設備(bèi)的正常運行之外，還因爲它們消耗瞭(le)大量的無功功率，使線路的功率因數大爲下降。在輸入電路内串入電抗器是抑制較低諧波電流的有效方法。根據接線位置的不同，主要有以下兩種 ：
（1）交流電抗器 串聯在電源與變(biàn)頻器的輸入側(cè)之間。其主要功能有 ：
a、 通過(guò)抑制諧波電(diàn)流，将功率因數提高至（0.75-0.85）；
b、 削弱輸入電路中的浪湧電流對變(biàn)頻器的沖(chōng)擊；
c、 削弱電(diàn)源電(diàn)壓不平衡的影響(xiǎng)。
（2）直流電抗器 串聯在整流橋和濾波電容器之間。它的功能比較單一，就是削弱輸入電流中的高次諧波成分。但在提高功率因數方面比交流電抗器有效，可達(dá)0.95，並(bìng)具有結構簡單、體積小等優點。
6、合理布線
對於(yú)通過感應方式傳(chuán)播的幹擾信号，可以通過合理布線的方式來削弱。具體方法有：
（1） 設備(bèi)的電源線和信号線應量遠離變(biàn)頻器的輸入 、輸出線；
（2） 其他設備(bèi)的電源線和信号線應避免和變(biàn)頻器的輸入、輸出線平行；
四、 結論
通過對變頻器應用過程中幹擾的來源和傳播途徑的分析，提出瞭(le)解決這些問題的實際對策，随著(zhe)新技術和新理論不斷在變頻器上的應用，重視變頻器的EMC要求，已成爲變頻調速傳動系統設計、應用必須面對的問題，也是變頻器應用和推廣的關鍵之一。變頻器存在的這些問題有望通過變頻器本身的功能和補償來解決。工業現場和社會環境對變頻器的要求不斷提高，滿足實際需要的真正“綠色”變頻器也會不久面世。我們相信變頻器的EMC問題一定會得到有效解決。 |
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