变频调速系统电磁兼容研究

陈 灏

(武汉职业技术学院电子信息工程学院，湖北 武汉 430074)

变频调速系统电磁兼容研究

陈 灏

(武汉职业技术学院电子信息工程学院，湖北 武汉 430074)

针对变频调速系统内外部各种电磁干扰现象，从变频调速系统工作原理着手，通过对变频调速系统主电路和控制电路的分析，阐明变频调速系统产生电磁干扰的原因。根据变频调速系统的电磁干扰耦合途径，提出相应的电磁干扰抑制策略。实测结果证明，变频调速系统采用屏蔽、滤波、隔离、接地等措施，可有效抑制电磁干扰，从根本上解决了变频调速系统的电磁兼容问题。

变频调速 电磁兼容 电磁干扰 VVVF调速 变频器 脉宽调制(PWM)

Frequency converter Pulse width modulation(PWM)

0 引言

随着微电子学、电力电子技术、计算机技术、自动控制理论等的不断发展，变频技术在交通运输、石油、家用电器、军事等领域得到广泛的应用。其中变频调速技术是最常见的应用，可实际产生巨大的节能效果，大大提高自动化程度。但由于变频调速系统大多采用了微处理器、智能功率模块等电磁敏感器件，对电机易形成干扰而使其产生误动作；另外，变频调速系统的输入电源包含丰富的谐波成分，而系统输出的电流亦非标准正弦波，同样含有许多高次谐波，这些谐波将以空中辐射、线路传导等方式向外传播，对周围的电子、电气设备形成干扰。为确保变频调速系统正常工作，同时又能满足电力部门对功率因数的有关要求，必须解决好变频调速系统的电磁兼容问题。

1 主要电磁干扰源

所谓变频调速，就是通过改变电动机定子绕组电源频率来调节电机速度，为了维持电动机的最大转矩不变，在改变电源频率的同时需要调节定子的供电电压。因此，这种变频调速也称为变压变频(variable voltage and variable frequency,VVVF)调速，它是交流异步电动机调速方式中应用较为广泛的一种。典型的电压型变频调速系统原理如图1所示。

图1 电压型变频调速系统原理图

系统主要由变频装置、交流异步电动机和控制电路等组成。在实际应用中，系统主电路通常由变频器和外接配件(低压断路器、接触器、电抗器、滤波器等)构成。其中，变频器一般采用交-直-交型，其主回路由整流器、DC环节、逆变器组成，它是将工频交流电通过整流电路变成直流电，再经过逆变电路变成交流电供给电机[1]。

由于变频器中的整流电路一般由晶闸管或二极管等大功率开关器件构成，开关管从导通到关断过程会产生瞬时反向过电压，其值可达工作电压峰值的5～6倍，会给周围电子设备造成额外干扰。另外，一般变频器中的逆变电路大多采用脉宽调制(PWM)技术，其中关键的开关器件广泛选用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，当IGBT关断时会产生瞬时浪涌电压；而当电动机启动时，在 IGBT导通瞬间可能产生电压和电流抖动，引起误动作，导致逆变电路中桥臂短路、输出短路等事故。其次，交流电网中的各种谐波成分也会通过变频调速系统的电源线串入变频器，产生传导干扰[2]。

根据变频器的工作原理可知，变频器输出的是非标准正弦波，当其基波电压施加到非线性负载(如电动机)上时，负载的电流波形会发生畸变，这种畸变电流可以通过电源线流入到电网中，成为电力系统中的谐波干扰。

变频调速系统的控制电路是为主电路提供通断控制信号的电路，其主要任务是完成对逆变器开关器件的开关控制，并提供保护功能[3]。变频器的控制信号通常是微弱的电压、电流信号，因而与主电路不同，控制电路里干扰信号主要是通过传输导线的耦合传播。

2 变频调速系统的电磁干扰耦合途径

由上述VVVF调速系统原理可知：一般变频调速系统的干扰主要是由主电路产生的，即由变频器的输入电路、制动电路以及变频器的输出电路产生，其电磁干扰方式通常有辐射干扰和传导干扰等形式。

2.1 变频调速系统的辐射干扰

所谓辐射干扰就是指电磁噪声的能量以电磁场能量的形式，通过空间辐射传播，耦合至被干扰设备(电路)。它是高次谐波分量的主要传播方式。在变频调速系统中，变频器中的逆变电路可以通过空间向外辐射电磁波，产生辐射干扰。反之，变频调速系统外部的辐射能量也会耦合进系统，干扰系统的正常工作。

2.2 变频调速系统的传导干扰

所谓传导干扰是指电磁噪声的能量在电路中以电压或电流的形式，通过金属导线或其他元件(如电容器、电感器、变压器等)耦合至被干扰设备(电路)。传导干扰的连接电路包括互连导线、电源、信号线、接地导体、设备的导电构件、公共阻抗、电路元器件等。

在变频调速系统中，干扰信号除了通过导线发射外，还可以通过公共阻抗或公共地线耦合，是变频调速系统电磁干扰的主要传播方式。

2.3 变频调速系统的干扰耦合途径

传导干扰和辐射干扰是变频调速系统电磁干扰的主要传播方式，通常变频调速系统电磁干扰耦合途径如图2所示[4]。

图2 电磁干扰耦合途径

首先，电网与变频器之间是通过电源线连接的，变频调速系统产生的各种谐波会通过电源线的传导进入电网；而变频器输出侧的谐波则通过导线干扰电机，使电机产生附加损耗。同时变频调速系统内部相邻导线也会通过感应电压、电流的方式耦合后相互干扰。此外，变频器产生的高次谐波向外传播时，会形成辐射干扰。同理，变频调速系统外部的电磁信号，反之亦会干扰变频调速系统。

3 抑制策略

电磁干扰(EMI)是一种电子系统或分系统受非预期的电磁扰动造成的性能损害。电磁兼容(EMC)是设备或系统在某种电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成干扰的能力。根据电磁干扰机理可知，要实现产品的电磁兼容，必须从以下三方面着手：对干扰源采取抑制策略，针对干扰耦合途径常用阻止隔断法，而对电磁较敏感的设备则需提高其抗干扰能力。工程上具体可采用屏蔽、滤波、隔离、接地等措施[5]。

3.1 采用隔离措施

所谓隔离就是使两个电路在电气上无直接联系，即要求两电路间相互绝缘的同时还能维持能量传递的关系。在VVVF调速系统中，控制电路产生的PWM信号经光电隔离、放大后驱动逆变电路，避免了高频信号干扰。

例如，某变频恒压控制系统，正常运行时压力计的反馈值不准且不稳，实际压力有时还未达到设定值上限而反馈值却达到上限，结果变频器停止运行，无法实现恒压目的。显然，这是压力计受到变频器内部高次谐波干扰的结果。解决办法：一方面用独立变压器给恒压计电源供电；另一方面，用屏蔽线代替普通信号线，最好穿入钢管后再敷设，并要求屏蔽层可靠接地。经测试，系统内谐波干扰基本被抑制，恒压计工作正常，恒压得以实现[6]。

3.2 采用滤波技术

所谓滤波就是从有用信号中滤除被噪声污染的信号。在变频调速系统中，为了削弱电网中的谐波分量，可在变频器输入侧安装输入滤波器[7]。

例如，在VVVF调速系统电源的输入端采用EMI滤波电路，能有效抑制电网中的谐波成分，具体交流输入滤波电路如图3所示。

图3 交流输入滤波电路

此外，在变频器的输出端加装输出滤波器，能有效削弱输出电流中的高次谐波，使变频器输出的电流接近正弦波[7]。

3.3 采用屏蔽技术

屏蔽技术是利用屏蔽体阻挡或减小电磁能量在空间传播的一种技术，是减小电磁辐射和防止电磁骚扰的最基本、最重要的手段。屏蔽的目的是既要限制设备内部的电磁能量外泄，同时又要防止设备外部电磁辐射的侵入[8]。

变频器通常要求安装在金属壳体里，目的就是为了防止电磁泄漏。连接电缆最好穿过钢管，或使用屏蔽线缆，并要求尽可能短。为了使屏蔽有效，屏蔽体必须可靠接地。

例如，某变频控制系统由两台型号完全相同的变频器构成，且变频器装在同一控制柜内。其中任一台变频器独自运行时，系统能正常工作；但是，同时运行两台变频器时，系统原设定的频率有时发生漂移，甚至出现停机现象。这显然是由于变频器之间相互干扰引起的。解决办法：将手调式电位器连接各自变频器的引线改用屏蔽信号线且屏蔽层可靠接地；同时将变频器连接电动机的导线改成屏蔽电缆，电动机的地线与变频器的地( PE)相连。经过这样处理后，干扰基本被消除，系统能正常运行[9]。

3.4 采用接地技术

所谓接地，是指设备或者系统与“大地”相连。这里所说的大地可以看成一个理想的零电位体；广义上讲，接地并非指一定要与大地直接相连，而是将设备、系统连接到一个公共参考点或参考面上。接地一般可分安全接地、干扰控制接地以及功能接地等[5]。其中，干扰控制接地是抑制干扰的重要手段，良好的接地可大幅度抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的入侵。通常变频器接地有单点接地、多点接地及混合接地等形式，当变频器和其他设备一起接地时，应各自单独接地。

例如，一般变频空调不可避免地用到继电器、四通阀、风扇电机、压缩机等电气零部件，如果系统全部采用多点接地，则仍然存在干扰问题。但如果采用主控电路板单点接地，系统内强电器件用多点接地形式，这样处理后、经干扰实验测量，整个变频空调系统电磁干扰现象得到了明显改善[10]。

3.5 合理布线

变频器的控制电线与主回路电线或其他电力电线需分开铺设，相隔距离取决于电气设备技术标准所确定的距离。若电线不能分开铺设或者分开铺设也不会有抗干扰效果时，应进行有效屏蔽。电线的屏蔽利用已接地的金属管，或者穿在金属管内和带屏蔽的电线上[3]。

系统布局时，要求变频器输出线与电源进线分开铺设，信号线要尽可能短。弱电压、电流回路所用电线、特别是长距离的控制回路电线采用绞合线，而且全长都使用带屏蔽的铠装线，绞合线的绞合间距尽可能小。

例如，某热电厂的风机采用变频器控制后，节能效果虽然明显，但在运行中风机变频器产生的谐波对附近热工仪表造成干扰，使仪表指示值偏大。如当1号炉风机变频器运行时，2号炉中蒸汽流量、水位、压力等仪表指示值出现最大值；当1号炉风机变频器停止运行时，2号炉中蒸汽流量、水位、压力值均显示为零。经分析得知，该厂风机变频器采用远程监控方式，控制线较长，并与仪表二次线在同一桥架里平行布线，长度达百米以上，且两线间距很小，因而造成辐射干扰[9]。解决措施主要有以下3种方法。① 将变频器的控制线与热工仪表的二次线换成屏蔽线，把桥架中两导线间平行部分用铁板隔开，屏蔽线的屏蔽层良好接地。② 将变频器控制柜电源进线端套上金属管，并做好金属管外壳的良好接地。 ③ 尽量缩短传感器的连接导线，不要把过长的连接线盘成圈状放在变频器控制柜里。经过一系列处理后，系统内干扰基本被消除，各种热工仪表均显示正常。

4 变频调速系统的具体抗干扰措施

综上所述，变频调速系统的抗干扰措施设计方案如图4所示，具体措施可以根据系统的抗干扰要求来合理选择。

图4 抗干扰措施设计方案

变频器一般要求安装在金属壳体里面，既能防止变频器向外界辐射电磁能量，又能屏蔽外界电磁波的入侵。

在变频器前面安装输入滤波器，可减少传导干扰，抑制谐波成分。当电源容量比变频器容量大10倍以上时，可在变频器输入端加装交流电抗器，或者在变频器直流侧加装直流电抗器。这样既可限制输入电流的变化率，又能削弱三相电源电压不平衡的影响，对整流电路还会起到保护作用，并提高整个系统的功率因数[3。 若系统内部连接电缆不能分开铺设，则应进行屏蔽处理，要求电缆屏蔽层必须可靠接地；此外，连接地线时应注意变频器单独接地。

为了切断电源与放大器等电路之间的传导干扰，可采用变压器隔离的办法。

5 结束语

综上所述，经实践证明：在变频调速系统的输入和输出电路中接入合适的滤波器、电抗器，可有效地抑制电磁干扰；在控制电路和逆变电路之间采用光电隔离措施，可避免高频信号干扰；在变频器和其他设备之间安装隔离变压器，可切断谐波电流；采用屏蔽信号线则可切断辐射干扰；此外，采取合理布线以及使用专用地线能有效抑制各种谐波的干扰。总之，在实际工程中，通过屏蔽、滤波、隔离、接地等系列措施处理，能从根本上解决变频调速系统的电磁兼容问题。

[1] 阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2] 何超.交流变频调速技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[3] 吕汀，石红梅.变频技术原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2007.

[4] 刘永喜，舒朝君，李纪三,等.变频调速传动系统的电磁兼容分析[J]．机床电器，2007(7)：12-16.

[5] 梁振光.电磁兼容原理、技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2007.

[6] 朱玉堂，许力.变频器的电磁兼容及抑制[J]．机电工程，2005，22(5)：41- 43.

[7] 兰华，艾涛.变频调速系统电磁兼容技术的研究现状和展望[J]．电机与控制应用，2008，35(8)：16-18.

[8] 王定华,赵家升.电磁兼容原理与设计[M].成都:电子科技大学出版社,1995.

[9] 张燕宾.变频调速应用实践[M].北京:机械工业出版社，2001.

[10]陈灏.交流变频空调器EMI抑制技术[J]．电子质量，2012(6)：74-75.

Study on the Electromagnetic Compatibility of Variable Frequency Speed Control System

Aiming at all kinds of electromagnetic interference (EMI) phenomenon internal or external of variable frequency speed control system, starting from the working principle of the variable frequency speed control system，by means of the analysis of the main circuit and control circuit of variable frequency speed control system, the reasons of generating EMI are expounded. In accordance with the coupling path of electromagnetic interference of variable frequency speed control system, corresponding suppression strategies are put forward. The result of practical tests shows that shielding, filtering, isolating and grounding measures can inhibit EMI for variable frequency speed control system, thus the electromagnetic compatibility of variable frequency speed control system can be solved fundamentally.

Variable frequency speed control Electromagnetic compatibility Electromagnetic interference VVVF speed control

TH81; TU83

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509014

修改稿收到日期：2015-03-09。

作者陈灏(1968-)，男，1992年毕业于电子科技大学电子精密机械专业，获学士学位，高级工程师、副教授；主要从事电工电子技术、变频技术的教学与研究。