淺談變頻器產生的干擾及解決措施

張月奎　董　杰

摘要：采用變頻器驅動的電動機系統因其節能效果明顯、調節方便、維護簡單、網絡化等優點而被越來越多的應用。但是，由于變頻器特殊的工作方式帶來的干擾越來越不容忽視。

關鍵詞：變頻器；干擾

變頻器干擾主要有：一是變頻器中普遍使用了晶閘管或者整流二極管等非線性整流器件，其產生的諧波對電網將產生傳導干擾，引起電網電壓畸變（電壓畸變率用THDv表示，變頻器產生諧波引起的THDv在10~40%左右），影響電網的供電質量；二是變頻器的輸出部分一般采用的是IGBT等開關器件，在輸出能量的同時將在輸出線上產生較強的電磁輻射干擾，影響周邊電器的正常工作。

1 諧波和電磁輻射對電網及其它系統的危害

1．1 諧波使電網中的電器元件產生了附加的諧波損耗，降低了輸變電及用電設備的效率。

1．2 諧波可以通過電網傳導到其它的用電器，影響了許多電氣設備的正常運行，比如諧波會使變壓器產生機械振動，使其局部過熱，絕緣老化，壽命縮短，以至于損壞；還有傳導來的諧波會干擾電器設備內部軟件或硬件的正常運轉。

1．3 諧波會引起電網中局部的串聯或并聯諧振，從而使諧波放大。

1．4 諧波或電磁輻射干擾會導致繼電器保護裝置的誤動作，使電氣儀表計量不準確，甚至無法正常工作。

1．5 電磁輻射干擾使經過變頻器輸出導線附近的控制信號、檢測信號等弱電信號受到干擾，嚴重時使系統無法得到正確的檢測信號，或使控制系統紊亂。

一般來講，變頻器對電網容量大的系統影響不十分明顯，這也就是諧波不被大多數用戶重視的原因。但對系統容量小的系統，諧波產生的干擾就不能忽視。

2 有關諧波的國際及國家標準

現行的有關標準主要有：國際標準IEC61000-2-2，IEC61000-2-4，歐洲標準EN61000-3-2，EN61000-3-12，國際電工學會的建議標準IEEE519-1992，中國國家標準GB/T14549-93《電能質量共用電網諧波》。下面分別做簡要介紹：

2．1 國際標準

IEC61000-2-2標準適用于公用電網，IEC61000-2-4標準適用于廠級電網，這兩個標準規定了不給電網造成損害所允許的諧波程度，它們規定了最大允許的電壓畸變率THDv。

IEC61000-2-2標準規定了電網公共接入點處的各次諧波電壓含有的THDv約為8%。

IEC61000-2-4標準分三級。第一類對諧波敏感場合（如計算機、實驗室等）THDv為5%；第二類針對電網公共接入點和一部分廠內接入點THDv為8%；第三類主要針對廠內接入點THDv為10%。

以上兩個標準還規定了電器設備所允許產生諧波電流的幅值，前者主要針對16A以下，后者主要針對16A到64A。

IEEE519-1992標準是個建議標準，目標是將單次THDv限制在3%以下，總THDv限制在5%以下。

2．2 國內標準

GB/T14549-93中規定，公用電網諧波電壓（相電壓）限值為380V（220V）電網電壓總THDv為5%，各次諧波電壓含有率奇次為4%，偶次為2%。

由以上標準看來，一般單次電壓畸變率在3~6%，總電壓畸變率在5~8%的范圍內是可以接受的。

3 減少變頻器諧波對其它設備影響的方法

3．1 增加交流/直流電抗器

采用交流/直流電抗器后，進線電流的THDv大約降低30%~50%，是不加電抗器諧波電流的一半左右。

3．2 多相脈沖整流

在條件具備，或者要求產生的諧波限制在比較小的情況下，可以采用多相整流的方法。12相脈沖整流THDv大約為10%~15%，18相脈沖整流的THDv約為3%~8%，滿足EN61000-3-12和IEEE519-1992嚴格標準的要求。缺點是需要專用變壓器和整流器，不利于設備改造，價格較高。

3．3 無源濾波器

采用無源濾波器后，滿載時進線中的THDv可降至5%~10%，滿足EN61000-3-12和IEEE519-1992的要求，技術成熟，價格適中。適用于所有負載下的THDv<30%的情況。缺點是輕載時功率因數會降低。

3．4 輸出電抗器

也可以采用在變頻器到電動機之間增加交流電抗器的方法，主要目的是減少變頻器的輸出在能量傳輸過程中，線路產生的電磁輻射。該電抗器必須安裝在距離變頻器最近的地方，盡量縮短與變頻器的引線距離。如果使用鎧裝電纜作為變頻器與電動機的連線時，可不使用這方法，但要做到電纜的鎧在變頻器和電動機端可靠接地，而且接地的鎧要原樣不動接地，不能扭成繩或辨，不能用其它導線延長，變頻器側要接在變頻器的地線端子上，再將變頻器接地。

4 減少或削弱變頻器諧波及電磁輻射對設備干擾的方法

上面介紹的方法是減少變頻器工作時對外設備的影響，但并不是消除了變頻器的對外干擾，如果想進一步提高其它設備對變頻器諧波和電磁輻射的免疫能力，尤其是在變頻器（品牌不同，產生的干擾程度可能不一樣）干擾較嚴重的場合中常用的方法通常有以下幾種：

4．1 使用隔離變壓器

使用隔離變壓器主要是應對來自于電源的傳導干擾。使用具有隔離層的隔離變壓器，可以將絕大部分的傳導干擾阻隔在隔離變壓器之前。同時還可以兼有電源電壓變換的作用。隔離變壓器常用于控制系統中的儀表、PLC，以及其它低壓小功率用電設備的抗傳導干擾。

4．2 使用濾波模塊或組件

目前市場中有很多專門用于抗傳導干擾的濾波器模塊或組件，這些濾波器具有較強的抗干擾能力，同時還具有防止用電器本身的干擾傳導給電源，有些還兼有尖峰電壓吸收功能，對各類用電設備有很多好處。

常用的為雙孔磁芯濾波器的結構。還有單孔磁芯的濾波器，其濾波能力較雙孔的弱些，但成本較低。

4．3 選用具有開關電源的儀表等低壓設備

一般開關電源的抗電源傳導干擾的能力都比較強，因為在開關電源的內部也都采用了有關的濾波器。因此在選用控制系統的電源設備，或者選用控制用電器的時候，盡量采用具有開關電源類型的。

4．4 作好信號線的抗干擾

信號線承擔著檢測信號和控制信號的傳輸任務，毋庸置疑，信號傳輸的質量直接影響到整個控制系統的準確性、穩定性和可靠性，因此做好信號線的抗干擾是十分必要的。

對于信號線上的干擾主要是來自空間的電磁輻射，有常態干擾和共模干擾兩種。

常態干擾的抑制。常態干擾是指疊加在測量信號線上的干擾信號，這種干擾大多是頻率較高的交變信號，其來源一般是耦合干擾。抑制常態干擾的方法有：

在輸入回路接RC濾波器或雙T濾波器。盡量采用雙積分式A/D轉換器，由于這種積分器工作的特點，具有一定的消除高頻干擾的作用。將電壓信號轉換成電流信號再傳輸的方式，對于常態的干擾有非常強的抑制作用。

共模干擾的抑制。共模干擾是指信號線上共有的干擾信號，一般是由于被測信號的接地端與控制系統的接地端存在一定的電位差所制，這種干擾在兩條信號線上的周期、幅值基本相等，所以采用上面的方法無法消除或抑制。對共模干擾的抑制方法如下：采用雙差分輸入的差動放大器，這種放大器具有很高的共模抑制比。把輸入線絞合，絞合的雙絞線能降低共模干擾，由于改變了導線電磁感應e的方向，從而使其感應互相抵消。采用光電隔離的方法，可以消除共模干擾。使用屏蔽線時，屏蔽層只一端接地。因為若兩端接地，由于接地電位差在屏蔽層內會流過電流而產生干擾，因此只要一端接地即可防止干擾。

無論是為了抑制常態干擾還是抑制共模干擾，都還應該做到以下幾點：

輸入線路要盡量短。配線時避免和動力線接近，信號線與動力線分開配線，把信號線放在有屏蔽的金屬管內，或者動力線和信號線分開距離要在40cm以上。為了避免信號失真，對于較長距離傳輸的信號要注意阻抗匹配。

5 在使用以單片機、PLC、計算機等為核心的控制系統中，編制軟件的時候，可以適當增加對檢測信號和輸出控制部分的軟件濾波，以增強系統自身的抗干擾能力。

總結

干擾的分布參數是很復雜的，因此在抗干擾時，應當采用適當的措施，既要考慮效果，又要考慮價格因素，還要因現場情況而定。采用的措施只要能解決問題即可，往往過多的抗干擾措施有可能會產生額外的干擾，具體情況具體解決。