变频器电磁干扰的产生与预防.doc

变频器电磁干扰的产生与预防（姜洪松 张朝江 希杰（聊城）生物科技有限公司 聊城市 252000） 【摘 要】本文通过对电磁干扰的主要传播途径的介绍及对电磁传导干扰的产生机理的分析提出了抑制电磁干扰的措施，最后通过分析和解决变频器电磁干扰影响自动控制系统和现场仪表正常工作的工程案例指出了变频器电磁干扰的严重性，从而提出了在变频调速系统设计、制造和施工中应充分考虑电磁兼容性的建议。【关键词】变频器、电磁干扰、滤波器 1 前言 近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。但是由于变频器中普遍使用了晶闸管、整流二极管及大功率IGBT开关等非线性元器件，在使用中会产生大量谐波，从而干扰周围电器正常运行。变频器产生的干扰主要有三种：对电子设备的干扰、对通信设备的干扰及对无线电等产生的干扰。对计算机和自动控制装置等电子设备产生的干扰主要是感应干扰；对通信设备和无线电等产生的干扰为放射干扰。如果变频器的干扰问题解决不好，不但系统无法可靠运行，还会影响其他电子、电气设备的正常工作。因此有必要对变频器应用系统中的干扰问题进行探讨 2变频调速系统的主要电磁干扰源及途径 2.1主要电磁干扰源 电磁干扰也称电磁骚扰（EMI），是以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。变频器的整流桥对电网来说是非线性负载，它所产生的谐波会对同一电网的其他电子、电气设备产生谐波干扰。另外，变频器的逆变器大多采用PWM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。因此，变频器对系统内其他的电子、电气设备来说是一个电磁干扰源。 2.2电磁干扰的途径 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是一致的，主要分电磁传导、辐射和感应耦合。具体为：对直接驱动的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他设备；对周围的电子、电气设备产生电磁辐射；变频器对相邻的其他线路产生感应耦合，感应出干扰电压或电流，从而影响电器设备正常工作。下面分别加以分析。 （1）电磁传导干扰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。电磁传导干扰与辐射干扰相比，其传播的路程可以很远。比较典型的传播途径是：接自工业低压网络的变频器所产生的干扰信号将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其他低压配电网络，使接自其它配电母线的电气设备成为远程的受害者。 （2）电磁辐射干扰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/s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，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。 （3）感应耦合干扰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，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。感应耦合可以由导体间的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。 3 电磁干扰的产生与抑制3.1电磁传导干扰的产生实践表明，电磁传导干扰、电磁辐射干扰和感应耦合干扰三者之中对现场仪表和控制系统干扰最大的是线路传导噪声，其次是电磁辐射干扰，最后才是感应耦合干扰。因此在这里仔细分析一下电磁传导干扰的机理，从而找出抑制传导干扰的方法。线路传导噪声的产生机理如图1所示：图1 变频器线路传导噪声产生示意图ttUIs图2 变频器输出电压U和噪声电流Is的波形图寄生电容Cp存在于电机电缆和电机内部，因此变频器的PWM输出电压波形通过寄生电容产生一个高频脉冲噪声电流Is，使变频器成为一个噪声源。由于噪声电流Is 的源是变频器，因此它一定要流回变频器。图中ZE 为大地阻抗，ZN 为动力电缆与地之间的阻抗，带箭头虚线表示电磁干扰的传播路径。如果变频器和电机只使用3根电机电缆连接，则高频噪声电流Is 以一个不确定的路线流回变频器，并在此回路中产生高频分量压降，影响其它设备。由以上分析可知，如果给高频噪声电流一个确定的通道，使其不流向其他设备，则可以解决变频器的线路传导噪声干扰问题。3.2电磁传导干扰的抑制图3 变频器线路传导噪声抑制方法示意图如图3所示，对EMC没有严格要求的工控现场，可以将电机外壳和变频器外壳用导线连接然后接地，这样即完成了电机的保护接地，又使电机产生的高频噪声电流Ism 能沿保护接地线流到变频器外壳，然后在变频器的输入端安装高频噪声滤波器，高频滤波器的外壳也接地。这样高频噪声电流Ism就能沿着保护接地线和高频噪声滤波器顺利的流回变频器内部，流入其他控制系统的噪声电流就会大大减少。此外在要求EMC严格的场合，为使电缆产生的高频噪声电流Isw 也能沿确定路线流回变频器，需要采用屏蔽电机电缆。电缆屏蔽层必须连接到变频器外壳和电机外壳上，而且必须在变频器的输入端安装高频噪声滤波器。这样高频噪声电流Is就会沿着电机电缆屏蔽层流回变频器，流入其他控制系统的噪声电流就会大大减少。还有当变频器与电机的距离超过50M时，为了限制连接电机电缆的容性充电电流和电机绕组的电压上升率和减少变频器功率元件动作时产生的干扰和冲击，可以在变频器输出端安装输出电抗器。3.3电磁辐射干扰与感应耦合干扰的抑制3.3.1屏蔽屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。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（一般为20m以内），且信号线采用屏蔽双绞线，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。3.3.2接地实践证明，接地往往是抑制噪声和防止干扰的重要手段。良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。变频器的接地方式有多点接地、一点接地及经母线接地等几种形式，要根据具体情况采用，要注意不要因为接地不良而对设备产生干扰。3.3.3隔离所谓干扰的隔离是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系。在变频调速传动系统中，通常是在强电电路与弱电电路之间安装隔离变压器来抑制电磁干扰。此外在电源干扰比较严重的场合，为了提高控制系统的抗干扰能力，通常在控制电源端安装带稳压作用的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰，提高系统的可靠性。电源隔离变压器可应用噪声隔离变压器。此外在强电和弱电线路没有直接联系的地方，为了减小电磁辐射干扰和电磁耦合干扰，在线路施工时应将强电和弱电线路分离开，不要敷设在同一线槽内，两者之间的距离应在20cm以上；如果强电和弱电线路有交叉的地方，可使其按90交叉施工。4工程案例在2008年8月进行风机、水泵节能改善时，我公司安装了8台ABB ACS系列变频器，其中7台变频器是ACS-510系列，功率范围从30kw110kw，另外一台变频器是ACS-800系列，功率为160kw。变频器的420mA调速信号均来自PLC控制系统。在调试中ACS-510系列变频器运转正常，但ACS-800-160kw变频器出现了两个问题：（1）ACS-800变频器显示接收到的420mA调速信号值比给定值大，如PLC给定12mA（4mA对应0Hz，20mA对应50 Hz；12mA换算成百分比为50%，对应25Hz），变频器显示接收到信号为66%，在33Hz 运行。（2）两线制仪表信号受到干扰，测量值出现波动，波动严重时，控制系统发出压力高或者压力低的信号；干扰非常严重时，控制系统误认为是压力过低，而自动关闭一些阀门。如图4，曲线前半部分为变频器运行时，仪表记录曲线，记录值波动很大；曲线后半部分为变频器停止运行后记录曲线，曲线比较平缓，幅值波动很小。从记录曲线可以明显地看出变频器运行对仪表信号干扰非常强烈。但是，除了两线制以外的仪表，均正常工作，没有受到干扰。图4 受变频器电磁干扰的仪表曲线 当时系统原理图如图5，420mA调速信号电缆采用的是屏蔽双绞线，穿镀锌钢管后沿电缆桥架辐射，钢管与电缆桥架的距离约为5cm 。根据以上两种现象，初步判断是因为变频器功率比较大，产生的电磁干扰也比较强烈，并且控制线与动力线距离比较近造成电磁噪声沿控制线路引入了PLC控制系统，从而造成仪表信号受到了干扰；于是将控制电缆和动力电缆之间的距离调整到30cm以上再次试验，发现干扰现象仍然存在；为了再次确认是否是电磁干扰沿控制线路引入的PLC控制系统，将控制电缆从PLC控制柜去除，改为从图5 变频控制系统单线图 图5中VCB1、2为真空断路器，ACB1、2为400V总断路器， NFB1、2为各控制柜进线断路器，KM为变频器的接触器。变频器控制柜现场手动调速，发现现象二仍然存在，此时基本排除了是电磁干扰信号沿控制线路引入PLC控制系统的，而应该是变频器引起的电磁噪声沿动力电路引入到供电系统，通过PLC的供电电源引入到PLC控制系统，从而影响到由24V DC电源供电的两线制仪表。为了确认是否是如上原因引起仪表信号受到电磁传导干扰，我们仔细分析了ACS-510系列变频器和ACS-800变频器的结构区别，从ABB变频器使用手册和其他技术资料中发现，两种变频器在其附件配置上稍微有点区别： 1）ACS-510系列变频器输入端内置了一台变感式交流输入电抗器和RFI滤波器。交流电抗器和RFI滤波器是标准配置，在实际使用中不需要额外的滤波器。2）ACS-800变频器在输入端只内置了一台交流输入电抗器。EMC滤波器是可选元器件，如果在设备订货时没有要求强调安装EMC滤波器，ABB厂家只在输入端内置一台交流输入电抗器。 经核实，这台变频器订货时确实没有要求配置EMC滤波器，于是我们在变频器输入端增加了一台变频器专用FT330-400型输入滤波器，然后再开机试验，仪表信号受干扰现象消除，但是变频器显示接收到的信号值比给定值大的现象依然存在。为了确认是什么原因引起变频器显示接收到的信号值比给定值大，在PLC控制柜内用420mA信号发生器模拟PLC向变频器发送信号，变频器显示收到的给定值与实际给定值相吻合；同时将给ACS-800变频器的调速信号线接入与之相邻的一台ACS-510变频器，而该变频器也显示收到的给定值与实际给定值相吻合。这排除了是变频存和PLC控制系统在故障的可能。那会不会是变频器处的地电位与PLC控制柜内的模拟地电位不相等造成的？于是在420mA调速信号电缆一端增加了一个光电隔离的420mA变420mA的信号隔离器。再开机试验，变频器显示的给定值与实际给定值相等了，到此全部问题得以解决。5 结论通过以上叙述，提高对电磁干扰的认识，了解电磁干扰的危害性。为了确保变频调速系统的安全运行及减小变频器电磁噪声对周边设备的干扰，通常采用安装电抗器、滤波器等元件来抑制电磁干扰的产生，同时通过采用屏蔽电缆、可靠接地、信号隔离及合理布线等技术措施来减少电磁干扰的传播，此外提高容易受到电磁干扰系统的抗干扰能力，也是确保系统正常运行的必要方法。因此对变频调速系统在设计、制造、安装过程中的电磁兼容性、抗电磁干扰能力及降低电磁干扰的过程控制，应作为变频调速系统设计、制作、施工中综合考虑的一部分，使变频调速系统符合相关电磁兼容性标准和规范要求，是确保后期变频器调速系统安全运行及减小变频器电磁干扰的有效办法。参考文献：1、变频原理及应用-王廷才-机械工业出版社-20052、工业变频器原理与应用-魏召刚-电子工业出版社-20063、变频器工程应用、电磁兼容及故障诊断周志敏等-电子工业出版社-20054、电磁兼容原理与设计技术-杨克俊-人民邮电出版社-2004The inverter EMI generation and prevention （Jiang Hong Song Zhang Chao Jiang CJ (Lao Cheng) Biotech CO.LTD. 252000）【Abstract】 Based on the electromagnetic interference the main route of transmission and the introduction of electromagnetic interference with the conduction mechanism analysis of the proposed measures to suppress electromagnetic interference, and by analyzing the final settlement of electromagnetic interference effects of frequency converter control system and instrumentation work on-site engineering case Pointed out the seriousness of the converter EMI, which put forward the Frequency Control System in the design, manufacture and c