变频器在强磁场运行中所产生的干扰及抑制措施

张世全 黄河鑫业有限公司

前言

随着变频技术的提高，交流电动机的应用越来越广泛，采用变频调速可以提高生产的控制精度、生产效率，有利于实现生产过程的自动化，是交流拖动系统具有优良的控制性能，而且在许多生产场合具有显著的节能效果。变频器及其附属设备的安装、调试、日常维护及维修工作量剧增，给用户造成重大直接和间接损失。本文就针对造成以上问题的原因，从应用环境、电磁干扰与抗干扰、电机绝缘等方面进行了分析，提出了一些改进的建议。

1 变频器的安装

在粉尘大、磁场大、温度高的环境中，使用变频器时，采取正确的安装、合理的防护措施是十分必要的，防尘措施得当对保证变频器正常工作非常重要。

1.1 变频器安装的基本要求

变频器应该安装在控制柜内部，最好安装在控制柜内的中部；变频器要垂直安装，正上方和正下方要避免安装可能阻挡排风、进风的大元件，变频器上、下部边缘距离控制柜顶部、底部、或者隔板、或者必须安装的大元件等的最小间距，应该大于300mm。如图1 中的H1，H2 间距所示。对变频器要进行定期维护，及时清理内部的粉尘等。

1.2 防尘控制柜的设计要求

总体要求控制柜整体应该密封，应该通过专门设计的进风口、出风口进行通风；控制柜顶部应该有防护网和防护顶盖出风口；控制柜底部应该有底板和进风口、进线孔，并且安装防尘网。

图1 柜内安装变频器的基本要求

(1) 控制柜的风道要设计合理，排风通畅，避免在柜内形成涡流，在固定的位置形成灰尘堆积。

(2) 控制柜顶部出风口上面要安装防护顶盖，防止杂物直接落入；防护顶盖高度要合理，不影响排风。防护顶盖的侧面出风口要安装防护网，防止絮状杂物直接落入。

(3) 如果采用控制柜顶部侧面排风方式，出风口必须安装防护网。

(4) 一定要确保控制柜顶部的轴流风机旋转方向正确，向外抽风。如果风机安装在控制柜顶部的外部，必须确保防护顶盖与风机之间有足够的高度；如果风机安装在控制柜顶部的内部，安装所需螺钉必须采用止逆弹件，防止风机脱落造成柜内元件和设备的损坏。建议在风机和柜体之间加装塑料或者橡胶减振垫圈，可以大大减小风机震动造成的噪音。

(5)控制柜的前、后门和其他接缝处，要采用密封垫片或者密封胶进行一定的密封处理，防止粉尘进入。

(6)控制柜底部、侧板的所有进风口、进线孔，一定要安装防尘网。阻隔絮状杂物进入。防尘网应该设计为可拆卸式，以方便清理、维护。防尘网的网格要小，能够有效阻挡细小絮状物(与一般家用防蚊蝇纱窗的网格相仿)；或者根据具体情况确定合适的网格尺寸。防尘网四周与控制柜的结合处要处理严密。

1.3 控制柜电缆要求

装有变频器的控制柜应尽量远离大容量变压器和电机。其控制电缆线路也应避开这些漏磁通大的设备。弱电压电流控制电缆不要接近易产生电弧的断路器和接触器。控制电缆建议采用1.25mm*2或2mm*2 屏蔽绞合绝缘电缆。屏蔽电缆的屏蔽要连续到电缆导体同样长。电缆在端子箱中连接时，屏蔽端子要互相连接。

1.4 布线方式

通过共用的接地线传播干扰是干扰传播的最普遍的方式。将动力线的接地与控制线的接地分开是切断这一途径的根本方法，即将动力装置的接地端子接到地线上，将控制装置的接地端子接到该装置盘的金属外壳上。

信号线靠近有干扰源电流的导线时，干扰会被诱导到信号线上，使信号线上的信号受到干扰，布线分离对消除这种干扰行之有效。实际把高压电缆、动力电缆、控制电缆常常与仪表电缆分开走线，分走不同的桥架，即使是变频器的控制线也最好与其主回路线以垂直的方式走线。

2 变频器控制回路设计

由于主回路的非线性（进行开关动作），变频器本身就是谐波干扰源，而其周边控制回路却是小能量、弱信号回路，极易遭受其它装置产生的干扰，造成变频器自身和周边设备无法正常工作。因此，变频器在安装使用时，必须对控制回路采取抗干扰措施。

2.1 变频器的基本控制回路

同外部进行信号交流的基本回路有模拟和数字两种：（1）4～20MA电流信号回路（模拟）；1～5v/0 ～5v 电压信号回路（模拟）。（2）开关信号回路，变频器的开停指令、正反转指令等（数字）。外部控制指令信号通过上述基本回路导入变频器，同时干扰源也在其回路上产生干扰电势，以控制电缆为媒体入侵变频器。

2.2 变频器对微机控制板的干扰

电解多功能天车大小、车采用PLC 控制，在系统设计或者改造过程中，一定要注意变频器对微机控制板的干扰问题。在采用变频器后，产生的传导和辐射干扰，往往导致控制系统工作异常，因此需要采取必要措施。

(1) 良好的接地。电机等强电控制系统的接地线必须通过接地汇流排可靠接地，微机控制板的屏蔽地，最好单独接地。对于某些干扰严重的场合，建议将传感器、I/O 接口屏蔽层与控制板的控制地相连。

(2) 给微机控制板输入电源加装EMI 滤波器、共模电感、高频磁环等，成本低。如图3 所示，可以有效抑制传导干扰。

图2 微机控制板的电源抗干扰措施

(3) 给变频器输入加装EMI 滤波器，可以有效抑制变频器对电网的传导干扰，加装输入交流和直流电抗器L1、L2，可以提高功率因数，减小谐波污染，综合效果好。在某些电机与变频器之间距离超过100m 的场合，需要在变频器侧添加交流输出电抗器L3，解决因为输出导线对地分布参数造成的漏电流保护和减少对外部的辐射干扰。一个行之有效的方法就是采用钢管穿线或者屏蔽电缆的方法，并将钢管外壳或者电缆屏蔽层与大地可靠连接。请注意，在不添加交流输出电抗器L3 时，如果采用钢管穿线或者屏蔽电缆的方法，增大了输出对地的分布电容，容易出现过流。如图4 所示，当然在实际中一般只采取其中的一种或者几种方法。

(4)对模拟传感器检测输入和模拟控制信号进行电气屏蔽和隔离。在变频器组成的控制系统设计过程中，尽量不要采用模拟控制，特别是控制距离大于1M，跨控制柜安装的情况下。因为变频器一般都有多段速设定、开关频率量输入输出，可以满足要求。如果非要用模拟量控制时，建议一定采用屏蔽电缆，并在传感器侧或者变频器侧实现远端一点接地。

图3 减小变频器对外部控制设备的干扰措施

2.3 变频器本身抗干扰问题

当变频器的供电系统附近，存在高频冲击负载如电焊机、电镀电源、电解电源或者采用滑环供电的场合，变频器本身容易因为干扰而出现保护。建议采用如下措施：

(1)在变频器输入侧添加电感和电容，构成LC 滤波网络。

(2)变频器的电源线直接从变压器侧供电。

(3)在条件许可的情况下，可以采用单独的变压器。

(4)在采用外部开关量控制端子控制时，连接线路较长时，建议采用屏蔽电缆。当控制线路与主回路电源均在地沟中埋设时，除控制线必须采用屏蔽电缆外，主电路线路必须采用钢管屏蔽穿线，减小彼此干扰，防止变频器的误动作。

(5)在采用外部模拟量控制端子控制时，如果连接线路在1M 以内，采用屏蔽电缆连接，并实施变频器侧一点接地即可；如果线路较长，现场干扰严重的场合，建议在变频器侧加装DC/DC 隔离模块或者采用经过V/F 转换，采用频率指令给定模式进行控制。

在采用外部通信控制端子控制时，建议采用屏蔽双绞线，并将变频器侧的屏蔽层接地(PE)，如果干扰非常严重，建议将屏蔽层接控制电源地(GND)。对于RS232 通信方式，注意控制线路尽量不要超过15m，如果要加长，必须随之降低通信波特率，在100m 左右时，能够正常通信的波特率小于600bps。对于RS485 通信，还必须考虑终端匹配电阻等。对于采用现场总线的高速控制系统，通信电缆必须采用专用电缆，并采用多点接地的方式，才能够提高可靠性。

2.4 发热问题及对策

变频器发热是由于内部的损耗而产生的，以主电路为主，约占98%，控制电路占2%。变频器的故障率随温度升高而成指数的上升。环境温度升高10 度，变频器使用寿命减半。在变频器工作时，流过变频器的电流是很大的, 变频器产生的热量也是非常大的，因此，我们要重视散热问题。为保证变频器正常可靠运行，必须对变频器散热。主要方法有：

1)变频器安装在控制柜中。我们要了解一台变频器的发热量大概是多少. 可以用以下公式估算： 发热量的近似值＝ 变频器容量（KW）×55 [W] ，如果变频器容量是以恒转矩负载为准的 (过流能力150% * 60s)，如果变频器带有直流电抗器或交流电抗器, 并且也在柜子里面,这时发热量会更大一些。电抗器安装在变频器侧面或侧上方比较好。或者适当地增加机柜的尺寸，使机柜中产生的热量值尽可能地减少；如果把变频器的散热器部分放到控制机柜的外面，将会使变频器有70%的发热量释放到控制机柜的外面。用隔离板把本体和散热器隔开,使散热器的散热不影响到变频器本体，这样效果很好。

2)采用风扇散热

一般功率稍微大一点的变频器，都带有冷却风扇。同时，也建议在控制柜上出风口安装冷却风扇。进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。注意控制柜和变频器上的风扇都是要的，不能谁替代谁。

3)开关频率：变频器的发热主要来自于IGBT，IGBT 的发热有集中在开和关的瞬间。因此开关频率高时自然变频器的发热量就变大了。有的厂家宣称降低开关频率可以扩容，就是这个道理。

3 其它干扰注意事项

1)静电耦合干扰

若控制电缆与周围电气回路的静电容耦合，在电缆中产生电势时，应加大与干扰源电缆的距离，达到导体直径40 倍以上时，干扰程度就不明显，并在两电缆间设置屏蔽导体接地。

1)静电感应干扰

周围电气回路产生的磁通变化在电缆中感应出的电势，一般将控制电缆与主回路电线或其它动力电线分离铺设，分离距离通常在30cm 以上（最低为10cm），分离困难时，将控制电缆穿过铁管铺设。干扰的大小取决于干扰源电缆与控制电缆间的相对角度，将控制导体绞合，绞合间距越小，铺设的路线越短，抗干扰效果越好。

2)接触不良干扰

变频器控制电缆的电接点及继电器触电接触不良，电阻发生变化在电缆中产生的干扰。应采用并联触点或选用密封式继电器，并对电缆连接点应定期做拧紧加固处理。

3)电源线传导干扰

指各种电气设备从同一电源系统获得供电时，由其它设备在电源系统直接产生电势。措施：变频器的控制电源由另外系统供电；在控制电源的输入侧装设线路滤器；装设绝缘变压器，且屏蔽接地。

4)接地干扰

指机体接地和信号接地。对于弱电压电流回路及任何不合理的接地均可诱发的各种意想不到的干扰，比如设置2 个以上接地点，接地处会产生电位差，产生干扰。措施：速度给定的控制电缆取1点接地，接地线不作为信号的通路使用。电缆的接地在变频器侧进行，使用专设的接地端子，不与其它接地端子共用。并尽量减少接地端子引接点的电阻，一般不大于100d。

4 变频器选型

驱动和电气环境是变频器选型的决定性因素。就电解车而言，经常工作在电解厂房温度高，烟气大，粉尘多、强磁场环境中，因此在选择变频器时，提高变频器柜的密封等级，使密封等级达到IP55 级，并对变频器柜加装散热装置。除了具备基本的驱动能力外，还必须考虑变频器同电网之间的相互影响。①车体本身即是良好的导体，磁场对磁场中运动的导体产生与运动方向相反的作用力；车体自身具有大的惯性，因此需要变频器具备良好的起动转距。②解决谐波电流和高频干扰带来的问题。因此，在变频器选型时，应使用智能模块，全中文故障运行显示，还具有运行状况记录功能等性能；具有双风扇冷却，其抗热能力强，抗干扰能力也强；变频器的检测应非常齐全，由此带来的故障报警、模型计算和自身保护多，使用户使用起来非常的方便。如电机过热、控制电源短路、通讯故障、三相检测等。

5 结束语

变频器控制是一种有效的节能控制，采用正确的安装方式，合理的散热要求，合适的方法来消除变频器控制回路的噪声和干扰，保持最佳的设置参数，可以延长变频器的使用寿命。