变频器研制中的抗干扰设计及措施

李海燕

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）



变频器研制中的抗干扰设计及措施

李海燕

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

摘 要：本文介绍了所研制变频器的组成及干扰来源、干扰途径，在设计、生产和运行现场有针对性地采取了各种措施，实际应用效果良好，变频器运行稳定可靠。

关键词：变频器 功率模块 电磁干扰

0 引言

随着科技的发展，变频器的应用领域越来越广。我所针对市场需求，研制了几种电压等级、功率等级的系列化变频器。由于变频器在进行能量变换的同时也使得输入和输出侧的电压、电流含有丰富的高次谐波，这些高频的噪声信号会干扰变频器自身及其他敏感设备的正常工作，因此，在变频器的研制过程中必须解决电磁干扰的问题，方能保证其可靠稳定运行。

1 变频器的组成

变频器主要由控制单元、逆变单元和整流单元及水冷装置组成。如图1所示。

其主电路采用交－直－交两电平电压型拓扑结构，外部输入工频交流电压经整流单元整成直流电压，再将直流电压经逆变单元转换为频率可变的交流信号。整流单元和逆变单元的主电路、结构型式完全相同，均采用三相全桥型式的功率模块组成，如图2所示，功率模块由IGBT、散热器、母排、驱动、直流电容组成，三个桥臂分别进行驱动但共用一组直流电容和母线，采用电压传感器、电流传感器检测母线电压和相电流。整流单元和逆变单元仅在对外主电路连接、控制方式上有所区别。

图1 变频器的组成

图2 功率模块原理图

图3为功率模块的结构示意图。功率模块的驱动信号由控制器产生光纤信号到驱动板。驱动板安装在模块内部，驱动板与电阻适配板通过导线连接实现IGBT的驱动和驱动故障检测，每个IGBT器件与一块电阻适配板通过紧固螺钉进行电气连接。驱动板除了驱动IGBT的同时还采样相电流、母线电压并进行调理输出。电流、电压的传感器也安装在模块内部，由驱动板供电。

图3 功率模块的结构示意图

采用该结构的优点是功能紧凑，模块化强，便于扩展，同时针对核心器件IGBT采取了快速全面的保护措施，安全可靠。

2 变频器的抗干扰设计及措施

从变频器的组成和功率模块的结构可以看出，变频器是有复杂的机械、电气、电子结构的混合系统，内部电磁环境恶劣，而且基本在工业环境应用，周围无数电气设备共存，外部的干扰会影响变频器的运行稳定性，尤其是功率模块内驱动信号易受干扰而误报故障。在设计中要重视电磁干扰的危害，采取必要的抗干扰措施，提高变频器在各种恶劣环境下的适应性。

电磁干扰的3个必备条件为：电磁干扰源、干扰途径、干扰接受器。提高变频器的抗干扰能力，必须了解其干扰来源，分析干扰途径和敏感设备，才能采取相应的设计。

2.1变频器的干扰来源

首先，变频器本身会产生大量谐波。整流单元对外部电网来说是非线性负载，它所产生的谐波会对本身控制单元和同一电网的其他电子、电气设备产生谐波干扰；逆变单元大多采用PWM技术．当其工作于开关模式并作高速切换时，会产生大量耦合性噪声 因此，对其他的电子、电气设备来说是一个电磁干扰源，也同样会干扰自身控制单元的电子设备。

其次，外部电网的谐波干扰也会对变频器造成影响。外部电网中有各种整流设备、交直流互换设备、电子电压调整设备、非线性负载及照明设备等，这些设备都能使电网中的电压，电流产生波形畸变，从而对供电的变频器产生危害性的干扰。

2.2变频器的干扰途径

电磁干扰主要的传播途径是传导、感应和辐射。其传导干扰是变频器内部和外部供电电源产生的谐波通过导体进行传播，对本身及周边设备产生干扰；感应干扰是当变频器的输入线路或输出线路与其他设备的线路挨得很近时，变频器对相邻的其它线路产生感应耦合，感应出干扰电压或电流，影响自身和其他设备。感应的方式又分为电磁感应方式和静电感应方式两种，其中电磁感应是电流干扰信号的主要方式，静电感应是电压干扰信号的主要方式。辐射干扰是以电磁波方式向空中辐射，这是频率很高的谐波分量的主要传播方式。

2.3变频器的抗干扰设计

变频器的抗干扰设计，就是从抗和防两方面来抑制干扰，其总原则是抑制和消除干扰源，切断干扰对变频器的耦合通道。在设计中采用隔离、滤波、屏蔽、接地等方法，降低变频器干扰信号的敏感性。变频器在研制中，采用了如下几种抗干扰设计：

1）在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离。具体方法为：a、变频器的供电电源与其他设备的供电电源相互独立，在变频器的输入侧安装隔离变压器，切断谐波电流。b、在变频器输入侧与输出侧安装滤波器，滤波器为LC型，可以吸收谐波和增大电源或负载的阻抗。c、控制单元的电路板在设计时，24 V电源输入端设置对地高频高压共模电容和共模电感。

2）其他设备的电源线和信号线应尽量远离变频器的输入输出线，且布线时与变频器主回路电缆错开一定距离，不要平行走线，避免感应耦合。如光电编码器的信号线、控制单元的通讯线要远离变频器的输入输出主电缆。

3）对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽。具体方法为：a、变频器和其他设备之间电缆穿钢管敷设或用铠装电缆，并与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设；b、控制单元的信号线最好用屏蔽电缆，屏蔽层接地良好。

4）变频器使用专用接地线，且用粗短线接地，邻近其他设备的地线必须与变频器的地线分开。这样能有效抑制电流谐波在变频器和邻近设备之间的辐射干扰。

除了上述措施，控制单元的电路板在PCB设计时，严格遵循高速电路PCB设计的准则，避免因PCB布局布线的不合理而导致电路上的互相影响。

在完成变频器的设计、样机生产后，为了保证变频器的抗干扰性能，将功率模块、控制单元这些部件的初样分别进行EMC测试，对有问题的地方进行整改直到通过EMC测试。经过上述措施后，变频器在实验室运行稳定。

2.4变频器在现场的抗干扰解决措施

虽然变频器在设计中采取了上述这些抗干扰的措施，但是到实际运行现场，还是出现了由于各种干扰而不能正常运行的问题。如：

1）变频器在现场空载低压运行正常，在电压升高时或带负载稍大时，就故障停机而且总是逆变单元的功率模块报驱动故障。拆开功率模块，发现模块内部由于空间狭窄，传感器信号线紧贴输出母排，而且与驱动信号线捆扎在一起，随着电压电流的升高，信号间耦合感应增大，导致驱动信号被干扰，引起IGBT驱动故障。重新走线，把传感器信号线尽量远离母排，而且与驱动信号线分开绑扎，故障消失，变频器满载运行正常。后续在生产中制定变频器的走线工艺和规范，并严格执行，该类故障不再出现。

2）变频器带电机运行不平稳，转速波动大。经排查，发现光电编码器信号不正常。原因是光电编码器的信号线用了屏蔽电缆，但屏蔽层没有接地，而且该线与电机的电缆平行走线，导致编码器的输出脉冲被干扰，变频器收到的电机位置信号不准确。将光电编码器的电缆屏蔽层独立接地，与电机的电缆分开走线后，码盘信号正常，变频器运行平稳。

还有很多故障是由于变频器安装现场外部供电电源的问题，如现场的系统电源零线(中线)、地线(保护接地、系统接地)不分、控制系统屏蔽地(控制信号电缆屏蔽地和主电路电缆屏蔽地)的混乱连接，接线工人不按要求接地线，这些都易导致变频器运行出现故障。首先细致分析故障原因，排除变频器本身的问题，再了解现场的电源系统，检查接线和接地状况，从而采取相应的对策。从现场解决故障的措施可以看出，现场的接线不规范是影响变频器运行的主要原因。

3 结论

变频器自身结构和运行环境的恶劣状况，对其运行的稳定性、可靠性提出了严峻的考验，对系列化变频器的研制带来了挑战。在变频器研制过程中，首先在设计中采取滤波、隔离、接地等手段抑制电磁干扰，其次在生产中制定接线布线规范避免线间互相耦合干扰，最后在运行现场解决因外部电源或接线引起的干扰，采取上述措施后，变频器在各种环境下均运行正常。目前，系列化变频器已应用在多个领域，运行稳定可靠，用户反应良好。

参考文献：

[1]钱振宇,史建华.电气、电子产品的电磁兼容技术及设计实例[M].北京:电子工业出版社,2008.

[2]何钦,张志山.变频器谐波的危害及防治[J].电机与控制应用,2012.

[3]戴腾清,许建民.工业变频器电磁干扰现象分析及其抑制[J].机电工程,2009.

The Electromagnetic Interference and Solution of A Converter

Li Haiyan
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,CSIC,Wuhan 430064,China )

Abstract：This paper introduces the composition and the EMI of the inverter.Various measures are taken in the design,production and operation.Practical application effect is good,and the inverter operates stable and reliably.

Keywords：inverter; power module; EMI

作者简介：李海燕（1973-），女，高级工程师。研究方向：电力电子与自动控制。

收稿日期：2015-12-16

中图分类号：TM921

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）02-0066-03