变频调速系统中变频器的干扰及抑制
摘 要：文中对变频器在实际应用中产生的电磁干扰和干扰抑制措施进行分析研究，并对目前使用变频调速的设备或系统，在控制、测量中出现的常见的电磁干扰问题予以列举。提出相应的预防和解决措施，便于相关技术人员参阅，同时也对以后变频调速设备在安装、布线、测量等方面提供借鉴，使变频调速技术更好地服务于公司的科研生产。
关键词：变频器；变频调速；电磁干扰；干扰抑制
中图分类号：TM921.51 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）08-00-04
0 引 言
变频器调速技术主要用于对交流电机的转速实现无级调节，该技术经过数十年的不断发展，已日臻成熟，是汇集自动控制、微电子、电力电子、通信等多学科的综合技术，变频器调速技术具有调速平滑、范围大、运行平稳、节能效果显著等优点从而获得了广泛的应用。由于启动平稳，可以减少系统中对功率设备的机械冲击，延长设备使用寿命。随着工业自动化产业的高速发展，变频器以其可靠、高效率、电路简洁及低能耗等显著优点，广泛应用于工业控制的各个领域，成为电力拖动的重要组成部分。
目前，变频调速技术在航空工业领域内得到迅速推广。我单位变频调速技术主要应用在试验拖动台的转速调节、油源车的流量调节及供风车的风量调节等方面，其功率从3 kW到315 kW不等。在试验拖动方面，主要控制拖动台的转速、加减速度等指标；在油源车和供风车方面，控制冷却滑油流量、压力和产品的进风风量、压力。在变频调速技术出现的同时，变频器所带来的干扰等一系列问题也随之而来。实践证明，变频调速技术如果使用得当，则能保证系统正常运行和及调节精度，反之系统会因干扰问题而无法正常工作。根据我公司目前变频器的应用情况并考虑到今后在应用中应注意的问题，有必要对变频器在应用中的干扰问题进行研究、探讨。以试验室的变频调速拖动试验系统及变频控制技术在油源车和风机中的应用情况为例，说明变频系统干扰对设备工作的影响及干扰的抑制方法。
1 变频调速系统的电磁干扰
在变频调速系统中，变频器自身产生的电磁干扰是系统主要的干扰源。由于变频器中的逆变部分是通过大功率电力电子开关元件来产生一定宽度和极性的PWM控制信号，这种具有陡边沿的脉冲信号会产生很强的电磁干扰，通过电路传导和以场的形式传播出去，产生大量耦合性噪声，形成对其它线路及设备的干扰。在试验室中，变频器产生的干扰影响主要表现在对周围其它电子设备的稳定工作和测试设备（包括高阻抗的数字式测试仪器、测量传感器等）的准确测量造成影响，造成电子设备工作不稳定或测试设备误差增大、测量精度降低等。随着测控系统自动化程度的不断提高，计算机自动控制技术应用愈加广泛，近几年来我们试验室建成的试验测控系统大多采用计算机自动控制技术，但由于缺乏有效的抗干扰措施，对整体测试的准确性造成一定影响。另外，随着检测技术要求的不断提高，测试仪器、仪表也逐步从传统的模拟式转换为数字式仪器仪表。数字式仪器仪表虽在功能、精度上得到很大提高，但由于其输入的高阻抗特性，外部干扰信号不能被滤除，从而造成测量结果失真。在实验室中，经常用到的电测仪器包括数字多用表、示波器、谐波分析仪、数字功率计等。由于变频器工作时产生电磁干扰，在实际测试中，曾出现发电机及永磁机频率无法测量、谐波含量测量误差大、电压波形失真、功率因数测量不准确等问题。在油源车及通风车中，由于使用变频器进行流量和风量的调节，将非电量转换为电量测量，曾出现设备中的流量表和温度表工作不正常的现象，之后采用了防干扰措施才使设备恢复正常。另一方面，变频器也会对自身的控制回路产生干扰。如果变频器的干扰问题解决不好，调速系统自身将无法稳定、可靠地运行。
2 电磁干扰传播途径
变频器对其它设备的干扰主要分为电磁辐射、传导和感应耦合。
（1）对周围的电子、电气设备产生电磁辐射；
（2）对拖动电动机产生电磁噪声，使得电动机铁耗和铜耗增加，并传导干扰到电源，通过配电网络传导给系统其它设备；
（3）变频器对相邻的其它线路产生感应耦合，感应出干扰电压或电流。同样，系统内的干扰信号通过相同的途径干扰变频器的正常工作。
2.1 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（du/dt可达1 kV/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时，辐射强度与干扰信号的波长有关，当孔洞大小与电磁波的波长接近时，导致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，这一点在变频器使用密集或其它设备密集的地方尤为突出。
2.2 传导
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：变频器所产生的干扰信号将沿着配电变压器反馈进入电网，使配电母线上的其它电气设备成为远程的受害者。
2.3 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，虽然该干扰源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它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。在试验室中，比较典型的如在油源车、通风机控制方面，工频电及变频器的低频输出均能对流量、压力等信号线产生感应耦合干扰，工频干扰使测量仪表即使在零输入状态下依旧显示非零数值，变频器低频输出产生的感应干扰可使实际信号与干扰信号叠加，导致测量不准确。感应耦合可以导体间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。