變頻器對電氣設備的危害和防范措施

張 宏

（大慶鉆探工程公司鉆井四公司，吉林松原 138000）

0 引言

變頻器在實際工作過程中，因為電路中電壓、電流的脈沖和高頻振蕩的諧波能夠產生電磁干擾，導致變頻器成為非常強的電磁干擾源，能夠以輻射和傳導等方式對電子電氣設備造成強烈干擾，嚴重影響設備的穩定正常運行，而且極有可能導致設備出現損壞。隨著自動化程度不斷提高，相應的電子電氣設備在復雜程度和密集度方面也在不斷提升，電磁干擾的危害逐漸加劇。在這種情況下，有必要對變頻器產生的危害做出分析，并合理借助相應措施進行防范。

1 變頻器概述

1.1 概念分析

變頻器是借助變頻技術和微電子技術，有效改變電機工作過程中的電源頻率，達到合理控制交流電機的一種電力控制設備，一般由整流單元、濾波單元、逆變單元、控制單元、驅動單元、檢測單元、微處理單元等部分組成。在實際運行過程中，靠內部的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的開斷來有效調整實際輸出電源的具體電壓和頻率，結合電機的實際需求，合理有效地提供所需要的電源電壓，達到節能和調速的目的。變頻器還具備一系列保護功能，如過載保護、過壓保護和過流保護等。近幾年在工業自動化水平持續提高的背景下，變頻器得到較為廣泛的應用，逐漸成為工業領域不可或缺的一項設備[1]。

1.2 工作原理分析

現階段較為常用的變頻器一般都是“交—直—交”型變頻器，主要包括整流單元、儲能元件、逆變單元和控制單元等。實際工作原理為：借助整流單元將工作頻率固定的交流工頻電源轉變為直流電源，將電能存儲在變頻器的儲能元件中，借助逆變單元中的電子開關將相應的直流電轉變為不同頻率、寬度和幅度的方波，控制單元依照設定好的程序，對輸出方波的脈寬和幅度等進行控制，疊加成滿足需要的一種頻率比較接近正弦波的交流電，從而驅動交流電機，并且能夠對電機電流和電壓等方面做出有效的電氣保護[2]。

2 變頻器對電氣設備的危害

2.1 對電網和電站的危害

（1）變頻器產生的電磁干擾能夠從輸入端電源線有效反饋傳導出去，從而對電網產生較為嚴重的污染問題，容易使供電效率持續下降，影響供電質量，也可以導致繼電保護裝置由于受到干擾而逐漸失去作用[3]。

（2）高次諧波電流能夠在線路阻抗中逐漸形成諧波壓降，產生有功和無功損耗，情形嚴重時甚至能夠導致電力系統出現電壓諧振，同時在線路中引發過電壓問題，非常有可能擊穿電纜、導線和設備的絕緣結構，容易燒毀電氣設備的供電設施，最終引發火災。

（3）電站有時會借助電容器來補償由感性負載引發的功率因數下降，來提高發電機容量實際利用率和減少線路損耗。但是高頻電磁干擾實際上對電容器產生的影響最為明顯，因為電容對其呈現出低阻的同時對其提供了通路，所以能夠使各諧波和基波電流出現疊加問題，導致通過電容的實際總電流不斷增加。一個持續的過渡能促使電容器溫度不斷提升，從而影響其使用壽命。如果情況嚴重還能夠損壞電容器，甚至引發爆炸。電容器本身的容性阻抗和系統感性阻抗非常有可能在諧波頻率附近出現諧振問題，導致系統諧波含量快速增加，最終使系統難以運轉。

2.2 對電機的危害

電機屬于電力系統的主要負載，變頻器出現的高頻電磁干擾，能夠促使雜散電容和電感受激勵產生減幅振蕩，導致傳送到電機輸入端的實際驅動電壓出現過沖問題。因為電機繞組中也有雜散電容，過沖電壓在繞組中出現尖峰電流，一旦繞組絕緣層存在不均勻部位，便容易引起過熱問題，導致電機溫度持續上升，不但影響電機的穩定性和可靠性，還能夠燒毀電機繞組的絕緣層，縮短電機使用壽命或直接燒毀電機。高頻電壓振蕩還能夠在電機的鐵芯疊片內部有效激勵渦流引發熱損耗，也能促使電機的銅繞組產生更多的電能消耗，實際效率逐漸降低。如果高頻振蕩頻率與一些電機零部件的固有振動頻率十分接近時，可誘導其出現機械共振問題和噪聲問題。

2.3 對設備的危害

交流裝置屬于電力系統應用相對廣泛的一種設備，例如冰庫制冷和鍋爐系統中一般都含有交流裝置。如果采用直流電源，通常需要借助帶有晶閘管的交流裝置，變頻器產生的電磁干擾能夠導致上述設備的控制信號和幅頻出現畸變問題，控制角出現位移，可以引起自動檢測、控制系統中出現誤差或誤動作，電流或電壓的實際變化值過高，出現過熱效應，從而導致晶閘管故障或損壞，情形嚴重的還能夠導致交流裝置直接失靈。

3 變頻器電磁干擾防范策略

變頻器能夠對各種電氣設備造成不同程度的危害，所以在實際應用過程中，需要充分明確電磁干擾的實質采取針對性的技術措施，來降低甚至消除這些危害，確保變頻器自身的價值和作用充分發揮出來。電磁干擾實質上屬于噪聲干擾，是電路中除了必要信號之外的任何一種或多種電氣信號和能量。而想要形成干擾，需要具備噪聲源、噪聲傳導路徑和感受體3 個條件。這3 個條件缺一不可，所以對于電磁干擾的防范可以從這3 點入手。

3.1 合理運用減少或抑制噪聲的措施

（1）做好變頻器的屏蔽工作。屏蔽設備能夠有效防止系統不斷地向外輻射電磁波，對變頻器實施合理有效的屏蔽屬于至關重要的措施。為確保取得良好屏蔽效果，所用的屏蔽機箱一般采用良導體，如純鋁和紫銅等。借助整版或一次鑄造成型的整體機箱，盡可能減少接縫，并保證連續光滑，這樣可以避免有縫隙不斷地向外輻射電磁波[4]。

（2）注重從輸入端和輸出端來減少或抑制噪聲。如果電網電壓不對稱問題較為嚴重，或變頻器連接的某個電源存在功率較大的晶閘管變流器負載時，工作人員可以在電源和變頻器之間加接電抗器。電抗器的作用主要是阻遏浪涌電壓，削弱三相電壓不平衡時對變頻器造成的不良影響，并且能夠削弱輸入電流的高次諧波分量，顯著提高功率因數，減輕變頻器對電網的污染。也可以在變頻器和電機之間加接電抗器，削弱變頻器輸出的高次諧波，減少電機的轉矩脈動，防止電機由于長期承受PWM（脈沖寬度調制）斬波浪涌沖擊而出現絕緣等級下降的問題。

3.2 在傳導路徑上對噪聲信號進行抑制

通常情況下，變頻器最嚴重的干擾一般屬于沿導線傳輸的傳導性干擾，最典型也是危害最大的便是噪聲沿電源端竄入，對電路產生直接影響。為了抑制PWM 調制引發的干擾信號的傳導性傳播，應該在變頻器的輸入和輸出端開展濾波工作。一般可以借助電源濾波器來阻止干擾信號沿電源線傳播，使干擾被反射回干擾源。合理安裝電源濾波器，可以有效切斷電磁干擾通過電源線傳導的途徑。為了提升濾波效果，濾波器與變頻器安裝在同一塊底板中，保證兩者的連接對高頻信號呈現出一定的低阻特性。必要情況下，盡可能讓濾波器與變頻器的電機驅動器保持最近的連接距離[5]。

以浙江桐鄉某紡織廠的POY 直紡設備為例，由于熔體壓力信號遭受干擾，測量值產生波動引發控制系統時常發出壓力高和壓力低報警。在干擾過于嚴重的情況下，控制系統會誤認為壓力過低，從而出現自動停機問題，導致原料和電能都產生了較大的損失。通過檢查發現，是變頻器產生的電磁噪聲順著動力電路進入到了供電系統，借助儀表的供電電源再次進入到了閉環控制系統，從而干擾了壓力信號。為解決這一問題，先選用一臺專用電源濾波器，發現雖然可以減小干擾但無法完全消除；最后選用加裝了變頻器輸入濾波器，從源頭控制傳播，該問題徹底消失。

3.3 盡可能降低電氣設備的感受能力

科學合理地布局各類設備可以降低設備對噪聲的感受力，在電路中將電氣特性相同或是相近的電路和信號盡可能地集中，特性存在差異的需要相對隔開。做分開布局的包括：輸入信號和輸出信號，強電信號和弱電信號，模擬信號和數字信號，高速元件和低速元件。還可以依照電路性質的差異，如高噪聲電路和低能量信號電路等，先分別單點接地，后再將各個接地點有效地連接到同一個接地點，便可以顯著提高各類電氣設備的實際抗干擾能力。

以杭州蕭山某紡織廠FDY 設備實際調試過程為例，溫控表的升溫顯示非常慢，但實測加熱器溫度早已超出了設定值，險些導致設備損壞。檢查發現溫度傳感器的信號線，在布線橋架中與變頻器輸出線的距離較近，變頻器停止工作時溫度信號可以接近實測值，表明溫控表受到了變頻器電磁干擾。排查發現信號線屏蔽層未能可靠接地，導致屏蔽失效，重新布線后解決了該問題。

4 結語

受到科學技術發展的推動，現階段電氣自動化程度正在不斷提高，電磁干擾問題也在不斷加劇。為了避免變頻器對電氣設備的危害，需要對變頻器電磁干擾有足夠的了解和認知。本文對變頻器做出簡要分析，探討變頻器對電氣設備產生的危害，研究防范策略，以確保變頻器可以充分發揮其價值和作用，保證各類電氣設備穩定高效運行。