變頻器在伺服控制系統中的干擾問題及解決方案

劉旭龍，張志鵬，趙世平

（1.四川大學 制造科學與工程學院，四川 成都 610065；2.中國核動力研究設計院 第一研究所，四川 成都610044）

隨著電力技術和工業自動化技術的不斷發展，電子技術和液壓工業的結合也日益緊密， 變頻器技術的出現和成熟向我們提供了一種調節液壓定量泵輸出流量以達到變量泵的效果的新思路[1]。變頻器正是這種變頻調速方式的執行者。變頻器不僅能實現無極調速，而且還有控制方便、控制精度高、工作安全可靠、可以軟啟動和軟關閉，節能環保等諸多優點。所以，變頻器越來越普遍地應用于工業現場中。但是，變頻器由于其特殊的工作原理，產生了大量的電磁干擾，對同一系統內的其他設備產生不同程度的干擾。

根據某型液壓作動器的測試要求，設計研制了一套綜合測試試驗臺系統，以檢測其各項性能及耐久能力。綜合測試試驗臺系統主要由液壓泵站、液壓閥站、配電柜、變頻器柜、性能試驗臺、耐久試驗臺、控制柜組成，是一套集機械、電子電氣，液壓技術為一體的綜合測試系統。根據設計要求，試驗臺系統要能夠提供連續可調的油液流量，根據以前的設計經驗，試驗臺系統選擇使用變頻調速技術以滿足此要求。但變頻器的電磁干擾問題給試驗臺系統帶來了很多麻煩，對傳感器的信號產生了干擾，影響了系統的正常功能。文中對變頻器電磁干擾的傳播途徑進行了分析，進而提出了一系列抗干擾措施，并進行實踐測試，以解決變頻器電磁干擾問題。

1 變頻調速技術及其干擾

變頻調速技術以其優異的調速性能和節電效果成為最流行的交流調速方式[2]；變頻器結合定量泵能夠實現變量泵的功能，其原理如示意圖1所示。由系統控制柜內的工控機通過控制板卡輸出一個控制信號給變頻器，變頻器根據控制信號的大小，相應地調節變頻電機的轉速，即控制了定量泵的轉速，從而控制了定量泵輸出的流量，實現了油液流量的連續可調，Q=n×q，Q為流量，n為轉速，q為泵每轉的排量。而且變頻器的軟啟動，可以減少電機和設備的機械損耗，延長電機和設備的使用壽命；另外，變頻器還具有很多的自保護功能，如過壓、過流、過載保護等等，能夠保證變頻器安全可靠地進行工作。但是，變頻器對系統內的電子、電氣設備來說是一個強電磁干擾源。因為變頻器中的整流電路對電網系統來說是一個非線性負載，其產生的諧波會對同一電網的其他設備產生諧波干擾。另外，變頻器中的逆變器基本都使用PWM技術，當其工作于開關模式并作高速切換時，會產生大量的耦合性噪聲[3]。

圖1 示意圖Fig.1 Schematic diagram

在試驗臺系統的初始調試階段，當變頻器開始工作時，溫度、液位、流量、位移，拉壓力等傳感器的信號都會產生劇烈的抖動，但當變頻器停止工作時，各傳感器都恢復正常。從而可以斷定是變頻器帶來的電磁干擾，這種電磁干擾嚴重影響了系統的可靠性，不得不采取適當的措施對系統進行改造。更為重要的是，該試驗臺系統采用了液壓伺服控制技術[4]作為核心控制技術，而液壓伺服控制系統需要采集位移和拉壓力信號來完成閉環控制，但由于傳感器信號的抖動，使被控對象也相應的產生抖動，使其不能達到一個有效、穩定的控制狀態，嚴重影響了試驗臺系統的功能。

2 變頻器干擾的傳播途徑

從變頻器的電磁干擾途徑入手，對干擾進行分析。變頻器的電磁干擾途徑主要可以分為電路耦合 （傳導）、電磁輻射、感應耦合三種傳播方式[3]。下面進行具體分析：

2.1 電路耦合（傳導）

電磁干擾可以通過與其相連接的導線向外發射，也可通過接地回路耦合或阻抗耦合將電磁干擾信號引入其它電路[3]，對其驅動的電動機造成電磁噪聲，使得電動機銅耗和鐵耗增加，并影響電機的運轉特性；并使電磁干擾傳導到電源，通過電源網絡傳導給系統內的其他設備，影響其他設備的正常運行。例如，變頻器通過電源網絡把電磁干擾傳導給同一電網的其他設備，影響其正常工作；由于接地線的混亂，變頻器的電磁干擾通過地線傳導到其他儀表或設備，影響其精度和可靠性。

2.2 電磁輻射

如果變頻器不是處于一個全封閉的金屬外殼內，它就能通過空間向外輻射電磁波。其輻射場強由干擾源的電流強度、干擾源的發射頻率以及裝置的等效輻射阻抗。如果變頻器的金屬外殼有孔洞或縫隙，則其輻射強度與干擾信號的波長有關：當孔洞的大小與電磁波的波長接近時，會形成干擾輻射源向四周輻射[3]。

2.3 感應耦合

當變頻器的輸入線路或輸出線路與其他設備的電路距離比較近時，變頻器所產生的高次諧波干擾信號會通過感應耦合的方式干擾其他設備；干擾的大小由干擾源電纜產生的磁通所決定，即取決于控制電纜所形成的閉環面積和干擾源電纜與控制電纜之間的相對角度[3]。舉例說明，如果變頻器的控制線接近其電源線布置，則有可能會受到電磁干擾，從而導致變頻器的誤操作。

3 抗干擾措施與對策

在工業測控系統中，必須采用適當的措施來降低電磁干擾，把電磁干擾抑制在允許的范圍內。電磁干擾的形成需具備三要素：電磁干擾源、電磁干擾途徑以及對電磁干擾敏感的系統。相應地抗干擾的基本原則有3個：1)從源頭入手，抑制干擾源；2)切斷干擾對系統的傳播途徑；3)降低系統對干擾信號的敏感性[5]。根據抗干擾的基本原則，采取了以下抗干擾對策：

3.1 從源頭入手，削弱干擾源

安裝輸入交流電抗器，其作用原理是增加了電源阻抗，可以抑制變頻器產生的諧波向電網傳播，減小變頻器產生的諧波對其他設備的干擾，同時限制電網上的沖擊電流和電網電壓的異常波動，減小其對變頻器的影響。

給變頻器做一個單獨的放置柜，使放置柜發揮一個屏蔽罩的作用。推薦使用0.75～1.5mm的無銹蝕剛性鋼板作為放置柜外殼的材料[3]。應保證表面板與板，柜體與門之間的良好電氣接觸，并可靠接地。

3.2 從傳播途徑入手

1)接地。設備接地的主要目的是為了安全，但對于具有高頻干擾信號的設備來說，能夠把高頻干擾信號引入大地。正確的接地方法既可以使系統有效地抑制外部干擾，又能減小設備本身對外界的干擾。在實際應用中，由于電源零線、地線不分，控制系統屏蔽線的混亂連接，大大降低了系統的可靠性和穩定性。對于變頻器，良好的接地是提高變頻器抑制干擾能力和減小變頻器的干擾的重要手段。在接地時，應該注意以下幾點：

①接地線應盡量地粗一些，以減小電阻，一般應不小于2.5 mm2，長度應在20 m以內。變頻器的接地點應盡量靠近變頻器，而接地線應盡量遠離電源線。

②弱電系統的接地線必須有單獨的接地點。

③變頻器的接地線和其他設備的接地線應分開接地，不能共地。

④接地端子不能和電源的零線相接。

2)凈化弱電系統的電源。電源線是電磁干擾傳入和傳出設備的主要途徑，通過電源線，電網的電磁干擾可以傳入設備，干擾設備的正常工作，所以凈化電源也是一項必要的措施。

試驗臺系統選擇使用EMI（電磁干擾）濾波器進行濾波抗干擾。EMI濾波器通常置于開關電源與電網相連的前端，是一種低通濾波器[6]，可以把電源功率無衰減地傳輸到設備，削弱經電源傳入的EMI信號，保護設備免受電磁干擾；同時，又能有效地抑制設備本身產生的EMI信號，防止其進入電網，污染電磁環境，危害其他設備[7]。安裝EMI濾波器時要注意，不能把濾波器的電源端和負載端的線纜捆扎在一起，這會造成濾波器輸入輸出端之間的電磁耦合；其次，要確保濾波器接地端的良好接地。經實驗證明，EMI濾波器對變頻器的電磁干擾有良好的抑制作用。

3)屏蔽。在配線時，信號線應該選用雙芯屏蔽絞合絕緣電纜，并且屏蔽層要單端接地。應注意，如果電纜的屏蔽層在電纜的兩端同時接地，則會在電纜的兩端存在電位差，其產生的電流將會流過屏蔽層，從而導致干擾信號的產生。其次，電纜須穿入金屬管內，作用是吸收和削弱干擾源的電磁輻射，注意應把電源線、控制線和信號線分離開，不能在同一配管內。為了使屏蔽有效可靠，金屬管應可靠單端接地。

4)合理布線。合理布線能夠在相當大程度上削弱干擾信號的強度。布線時，控制線和信號線應遠離強電線，如變頻器的輸入、輸出線或電源線；若不能避免遠離強電線，應在空間上避免與強電線平行，最好是垂直交叉。

5)安裝的注意事項。控制柜與變頻電機柜不要相鄰放置，應盡量增加二者之間的距離，如果條件受限，不能增加二者之間的距離，則應在二者之間加設擋板隔離[6]。

4 實驗結果

試驗臺系統在采取了上述一系列抗干擾措施后，各傳感器的信號基本恢復正常，能夠供系統正常使用，排除了變頻器的電磁干擾對伺服控制系統的影響，使系統抗干擾性能得到大幅提高。由下面的兩張數據圖，可以明顯地看出抗干擾措施的效果。圖2是在現場調試初始階段，采集到的位移傳感器的信號值，可以看出信號值有明顯且劇烈的抖動，大概在-62±3 mm這個范圍內，還有個別尖刺，其值為-57 mm和-66.5 mm，這樣的信號值是不能用于伺服控制的；圖3是在采取了抗干擾措施后，采集到的位移傳感器的信號值，可以看出信號值的震蕩幅值相比圖2大幅度減小，信號值大概在-45±0.5 mm這個范圍內，個別尖刺的值為-45.8 mm和-44.8 mm。通過對比可以發現，位移傳感器的信號值得到明顯改善，這樣就能夠供給伺服控制系統使用，試驗臺系統恢復正常。

圖2 采取抗干擾措施之前的位移傳感器信號值Fig.2 The signal value of displacement sensor before taking antiinterference measures

圖3 采取抗干擾措施之后的位移傳感器信號值Fig.3 The signal value of displacement sensor after taking antiinterference measures

5 結論

通過對試驗臺系統調試過程中遇到的電磁干擾問題進行分析，確定是變頻器產生的電磁干擾。然后，對變頻器干擾的傳播途徑進行分析，并分別從電磁干擾源和傳播途徑方面提出了一系列抗干擾措施，經實踐證明，實施效果良好。對于變頻器在工業測控系統的工程應用中的電磁干擾問題，有一定的參考價值；如果遭遇了變頻器的電磁干擾問題，可以通過測試，來判斷電磁干擾是主要是通過什么途徑進行傳播的，如：使用示波器來測試通過電磁輻射途徑傳播的電磁干擾，然后從不同的途徑入手，采取相應的措施解決干擾問題。同時，完成了該綜合測試試驗臺系統，各項指標均達到規定設計要求，使用效果良好。

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