變頻器干擾問題分析及對策

王偉超

（漯河技師學院，河南 漯河462000）

隨著現代化工業的不斷發展，變頻器無可避免地普及在各個設備密集的廠房中，而其產生的電磁干擾已經成為了工廠供電、自動化設備運作等正常工作的阻礙。一旦在出現此類電磁干擾現象的時候沒有及時地加以防范控制，那么可能會出現設備動作失誤，生產線運行不暢等影響工廠正常運轉的嚴重后果。因此，及時對變頻器產生電磁干擾的原理進行分析，切實地解決這一安全隱患是現階段工業化生產刻不容緩的任務與責任。

1 變頻器的工作原理

1.1 變頻調速的構成。變頻器的調速需要通過交流電的方向性和周期性才可實現，但我國的國家電網只能提供頻率為50 赫茲的交流電。因此，變頻器需要使用一整套裝置來實現交流電頻率的改變的全過程。目前可以見到的變頻器的構成主要包括主電路和控制電路。主電路包括：整流器、平波回路和逆變器。整流器可將交流電變換為直流電，主要構成組件為二極管。也可以使用晶體管來構成一個使得電流可逆的轉換器。因其方向可發生改變，所以可以進行再生轉運，平波回路可吸逆變器當中產生的脈沖干擾。

1.2 變頻調速的基本要求。其基本要求是以充分利用鐵心材料為基礎，同時需要電動機在額定功率和額定電壓下工作時的氣息磁接近飽和。如果磁芯太大，電流就會迅速增加，電阻就會升溫，功率就會降低。如果繞阻發熱過于嚴重，可能會直接導致電動機發生損壞。因此，只有通過調整磁通量的方式，才能保證電動機的轉矩相對不變。保證變頻調速基本合理是使變頻器正常工作的前提之一。

1.3 變頻器的分類。變頻器的分類主要包括以下幾種：可以按照變換頻率的方法、電壓的調節方式、控制方式、主開關部件以及輸入的電壓等級進行分類。變換頻率的方法，主要分為直接變頻和間接變頻。直接變頻指可將工頻交流電直接轉換成頻率、電壓均可以控制的交流，間接變頻是指先將電網中的交流電轉化為直流電，然后再將直流電轉化為頻率可以進行調節的交流電。間接變頻器是目前主要應用于各種電器設備當中，應用領域和范圍相對廣泛。按照輸出電壓調節方式可分為：PAM輸出電壓調節方式變頻器和PWM輸出電壓調節方式變頻器。按控制方式可分為U/f控制方式和轉差率控制方式兩種。按主開關部件可分為：IGBT、GOT、BJT三種。按電壓分類，可分為低壓變頻器（220V 和380V）、中壓變頻器（660V和1140V）、高壓變頻器（3KV、6KV、6.6KV、10KV）。用于各種家用電器和工廠。

2 變頻器產生電磁干擾問題的原理

2.1 整流電路在工作時易產生諧波電流。整流器由于其自身系統當中，電壓與電流不成線性關系的特殊性，導致整流器在運行過程中易產生諧波電流。整流器產生的諧波電流會使供電系統的阻抗降低，從而降低電壓效應。當電壓降低時，電壓波形容易失真。這種扭曲的電壓會干擾許多電子設備。大部分電子元件的工作條件為正弦電壓，而電壓畸變會導致正弦電壓頂部變平，使得電子設備工作故障。在諧波電流相對固定的情況下，電源相對較弱時，電壓正弦圖的變形會更加嚴重。曾經有報告顯示，部分船只產生電壓畸變的情況高達四分之一（這是由于船只的電源相對較弱導致的）。這種在同一電路網絡中產生的電壓畸形，無法通過控制變頻器距離的方式改善電磁干擾問題[1]。

2.2 電源輸入端的逆變電流易導致射頻干擾電流的產生。逆變電路作為高效通斷的開關電路，它以脈沖的形式從直流母線中吸取電流。雖然平滑電容可以提供這種脈沖電流的絕大部分，但仍會有部分反應到交流母線上，這種模式稱為射頻干擾電流。除此之外，逆變電流本身也會產生電磁輻射，這部分能量也會耦合到變頻器的輸入端（共模電流）。射頻電流可以在電力網絡中產生射頻電壓，干擾同一電網中的其他設備。此外，RF 電流還會產生電磁輻射，這也會干擾逆變器周圍的電子設備。這些電子設備即使不在同一個電網，也會造成干擾。區別電子設備是受到脈沖電流干擾還是電磁輻射的方法是:改變電子設備的位置來判斷是否受到干擾。如果位置變化仍受干擾，則為脈沖電流干擾；若改變位置后干擾減輕，則為電磁輻射干擾[2]。

2.3 變頻器的輸出電纜產生的電磁波輻射。變頻器輸出電纜上的電壓包括了豐富且復雜的高頻成分，這些高頻成分由于電纜線之間的間距問題會產生鄰近效應。鄰近效應又會導致電磁波輻射，產生輻射性感染。變頻器載波頻率的高低，電壓的高低，電纜的長短等因素均可影響電磁波輻射的強度。載波頻率越低，輻射越弱，反之，輻射越強，電壓和電纜線亦是如此。判斷電子設備是否受到輻射干擾最顯著的依據是：電子設備受到干擾的嚴重程度會隨著距離的靠近而逐步遞增[3]。

3 減少變頻器干擾的意義

3.1 減少電磁輻射的影響。變頻器如果不是處在一個用金屬封閉的空間當中，變頻器就會發射電磁輻射，電磁輻射會導致其他用電設備內部電子元件運行異常。轉換器的輻射強度取決于轉換器的電流強度、干擾源的輻射阻抗和干擾源的發射頻率。另外，假如變頻器的外部密封不嚴可能會加大電磁輻射。當孔洞和縫隙的頻率與變頻器電磁干擾頻率相近時，則會產生多次干擾。

3.2 減少變頻器干擾的傳導路徑。除電磁干擾外，混頻器還可通過電路網絡產生外部干擾，或通過電網產生外部干擾。較為常見的例子是：部分民用網絡的電器會有時受到距離很遠的工業變頻器的影響。部分位于低壓工業網絡的變頻器產生的干擾信號，可以通過電網傳輸至中級電壓網絡中。接著，經過電網傳輸，該干擾可沿電網進入其他民用電網的配電變壓器當中，最終影響位于民用低壓網絡的用電器。為了解決這個問題，我們可以通過減小外置混頻器的干擾來減小干擾。通過這種方法，可以減少混頻器對同一電網中電氣設備的影響，減少設備故障的發生。

3.3 減少噪音產生和設備損耗。變頻器的輸入端由于電磁干擾和變頻器自身運轉時功能的影響，會有電磁噪聲放出。諧波會使變壓器內部的機械電子元件產生有規律且頻率較高的震動，同時會導致電子元件過熱、使用時間大幅縮短甚至損壞。諧波還會滋擾電子裝備內部軟件和硬件的運行，增添裝備的消耗。另外，諧波的產生也可能使得部分電子儀表出現失靈的現象。

4 抗電磁干擾的相應對策

4.1 隔離干擾。電磁擾亂的產生主要包括干擾源和易受干擾的部分，因此斷絕干擾途徑主要通過阻斷這兩部分來達到屏蔽效果。屏蔽干擾源是隔離干擾的有效方法。通常變頻器外周是由鐵殼覆蓋，可以很好的阻斷電磁干擾的外傳。鐵殼的要求盡量是以密封較好的鐵殼為主，留有縫隙和孔洞的鐵殼可能會導致電磁干擾被放大。

4.2 合理布局電線的排布。通過實際的調研發現，部分屏蔽器周圍的電線排布和電線連接并不理想。首先，可以改進混頻器地線的連接。合理安裝接地線可以改善外界環境對轉爐的干擾，減少轉爐產生的電磁干擾。應該做兩件事：轉換器主電路的終端需要接地。電線的合理排布可包括：設備的電源線應當適當遠離產品線的輸入線；其他設備的電源線與輸入線應當盡量避免與屏蔽器的線路平行排布（否則易導致產生電流場互相影響）。合理的排線布局可以有效地減少干擾的發生。

4.3 安裝電磁干擾濾波器。過濾器主要是通過集成電磁輻射來減少混頻器對其他電子設備產生的電磁干擾。變頻器如果要滿足相應生產安裝要求，必須要安裝相關的電磁干擾濾波器對干擾進行屏蔽，因此在安裝不同變頻器的濾波器時需要進行配對。更常用的濾波器包括數字濾波器，可編程濾波器，無源濾波器和有源濾波器。數字濾波器主要是通過將從外部進行信號輸出，對變頻器的干擾進行整合從而降低干擾的產生。

5 結論

隨著自動化工業的蓬勃發展，變頻器的使用自然也日漸普及，繼而出現的一系列電磁干擾問題自然也需要通過各種手段去及時處理、解決。通過充分了解到的變頻器工作原理，便能夠準確地掌握解決變頻器對于工業生產的嚴重影響的方式方法。于是，隔離干擾、合理布局電線的排布以及安裝電磁干擾濾波器便成為了能夠解決電磁干擾問題應當首要抓住的角度，這是更從改變變頻器自身以及補救措施兩個角度延伸出來的技術。