电气设备变频器的干扰成因和解决对策

张 宏

（大庆钻探工程公司钻井四公司，吉林松原 138000）

0 引言

面对电气设备集成化的整体趋势，变频器运行过程中受到电磁干扰的概率越来越高，要想保证变频器的运行可靠性，避免与电气设备互相干扰，必须准确根据变频器电磁干扰问题的实际情况，对变频器受到干扰的具体原因做出准确判断，同时采取针对性的防范策略。因此，对于变频器电磁干扰成因分析与解决策略的研究十分必要。

1 变频器工作原理

变频器作为以改变电机工作电源频率方式、实现节能控制为主要功能的交流电机控制设备，通常是由整流器、滤波器、逆变器、制动单元、驱动单元、检测单位元等部分构成[1]。从运行原理分析，逆变器可以分为逆变与U/f 控制两部分，其中逆变是指将直流电转换为交流电，根据变频器中采用的直流原件不同，可具体划分为电压型逆变与电流型逆变两种。电压型逆变通常为串联负载供电，被称为串联谐振逆变器，变频器运行过程中逆变器与电机直接相连，将电压的直流电转变为交流电，并以电容作为直流回路的滤波；电流型逆变器通常为并联负载供电，被称为并联谐振逆变器，能够将电源的直流电转变为交流电。而U/f 控制则是主要是对电源频率进行调控，并借此改变电机的输出电压，解决运行过程中可能出现的功率、效率不稳定问题。在变频器与电机运行过程中，电机输入到变频器中的电流会首先经过整流电路与平波，由整流器将交流电转换为电压平滑的直流电，之后再经过逆变电路，由逆变器将输入的直流电压转变为脉宽调制电压，并借助不同宽度的脉冲电压来驱动电机运行，使电机力矩、速度能够具有可调节性。

2 变频器电磁干扰成因

2.1 谐波干扰

变频器的电磁干扰问题与其运行原理直接相关，而谐波干扰作为电干扰问题中的一种，其成因主要集中在整流电路领域。在变频器运行过程中，整流器虽然能够将交流电转换为直流电，但整流电路却不可避免地产生谐波电流，如果不能对这种谐波电流进行有效处理，那么供电系统阻抗上就会出现电压降，使电压波形发生正弦波顶部变平等畸变，而电压波形畸变则会使同电网内电气设备的运行受到干扰，出现误动作等问题。需要注意的是，由于谐波干扰是变频器在对供电系统产生影响后，再间接影响到同电网内的电气设备，因此其对电气设备运行的干扰与设备、变频器间的距离无关，只要电气设备与变频器处于同一个电网，就都会受到不同程度的影响[2]。

2.2 射频传导干扰

在脉冲状负载电压的影响下，进入变频器中的电网电流通常呈现出脉冲状，同时含有较多的高频成分，这种高频成分的电流传输至整个电网后，与变频器处于同一电网下的各类电气设备也会受到射频干扰。

2.3 射频辐射干扰

射频辐射干扰与射频传导干扰均属于射频干扰中的一种，但其干扰原因与过程却完全不同，并非是因电网输入的含有高频成分电流所导致，而是集中在变频器的输入、输出电缆方面。在变频器运行过程中，由于其输入、输出电流本身与天线比较类似，电缆传输的脉冲调制电压同样含有很多高频成分，因此电缆传输脉冲调制电压时，通常会产生一定的电磁波辐射，并干扰周边电磁设备。不同于其他干扰问题的是，导致射频辐射干扰的电磁波源于电缆，其干扰影响往往与电气设备、变频器间的距离直接相关，设备距离变频器越近、受到的干扰越严重[3]。

3 变频器电磁干扰解决对策

3.1 正确接地

目前变频器电磁干扰问题的解决措施虽然有很多，但其中最为关键的仍然是变频器的正确接地，正确接地不仅能够降低变频器对外部电气设备干扰，同时还能有效抑制来自于电气设备的外部干扰，保证变频器可靠、稳定运行，对电磁干扰的预防效果十分突出。具体措施：变频器接地时需要与其他设备分开，选择与其他弱电设备保持一定距离的合适位置作为接地点，并单独打地极，待确定接地位置并打好地极后再按规定选择合适的接地导线。接地导线的选择标准通常是根据实际情况而定，但导线截面积与长度应分别控制在4 mm2与20 m 以上，接地PE或E、G 的接地电阻则必须控制在4 Ω 以下，并在与外壳连接后接地[4]。另外，为降低电气设备所可能受到的干扰，同样还需将其他机电设备保护接地、工作接地以及控制信号、主电路导线屏蔽分开接地，在设置单独接地极后统一汇入配电柜电气接地点。

3.2 合理布线

在对变频器电磁干扰的预防中，变频器输入、输出线的合理布设十分重要。具体措施：线路布设时首先应将变频器输入、输出线与其他设备的线路明确区分开来，并在走线设计阶段尽可能拉开变频器线路与其他电气设备线路间的距离，尽可能降低因线路交叉等情况导致的电磁干扰。例如某公司水泵节能改造项目中，安装后调试阶段发现2000 kW 功率变频器运转时，出现压力传感器信号受干扰、车间变压器装置误动作等异常现象，且时常会导致传感器测量值偏差、阀门因压力过高（误判断）而自动关闭、误动跳闸、误报警等问题。经全面检查后发现，变频器运行与关闭时，压力传感器的记录曲线变化较大，说明传感器在变频器运行过程中感应到了较强的干扰信号，同时变频器线路的布设比较混乱，判断其故障原因为变频器功率较大，且控制线与动力线距离过近。对此，决定对变频器所有控制线、动力线采用电缆架桥敷设，并套上镀锌钢管，将动力线与控制线间的距离拉开，最终将电磁干扰完全排除。另外，还要注意对变频器线路与周边其他电气设备线路走向进行调整，尽可能避免电气设备信号线、电源线与变频器线路平行，如同一区域内采用了多台变频器设备，则需要保证每台变频器单独与接地线连接，不可将多个变频器的接地端相连，对于安装过程中未发现接地线的情况，应将变频器接地端悬空，以免出现接地端与零线相连的情况，造成不必要的强干扰。

3.3 载波频率调节

在变频器全部安装完毕并投入运行后，由于变频器电磁干扰问题与其载波频率有一定的关系，如发现电磁干扰问题，可以先利用变频器载波频率可调节的性能特点，在人机交互界面上将设备载波频率调至相对较低的范围，之后观察电气设备与变频器的运行情况。这种方法有时能够解决电磁干扰问题，但应用效果并不稳定，如调低载波频率后电磁干扰问题仍未得到缓解，还需应用其他方法。

3.4 干扰源屏蔽

在预防变频器电磁干扰时，由于部分电磁干扰的强度与变频器、电气设备间的距离相关，因此为避免此类电磁干扰问题的发生，采取干扰源屏蔽措施，将干扰源与外界隔离，以降低或消除其干扰影响。例如某工厂电机有时会出现无法正常关停的情况，且故障检查时确定屏蔽层接地正确、良好，调节载波频率后异常情况并未得到改善，后经全面检查发现，异常情况是由安装变频器的配电柜与配电室距离过近导致，配电室有大电流流过后，形成较强的磁场，使变频器有时无法有效接收关停信号。由于配电柜缺少合适的转移位置，很难将配电室与配电柜间的距离拉开，为此，决定在变频器外部安装专门的铁壳作为干扰屏蔽装置，同时用钢管将变频器线路与外界隔绝，并加装DFC 抗干扰磁环，用以屏蔽配电室内磁场形成的干扰源，最终使变频器恢复至可以正常启闭、运行状态[5]。

3.5 电源线隔离

除设备与线路外部的干扰源屏蔽外，还可以通过电源线隔离的方式，将干扰源与易受干扰电气设备的线路分割开来，避免其发生电的联系，从而实现对传导干扰的有效预防。例如对电源、控制器、变送器等放大器电路之间的电源线，可以安装专用的噪声隔离变压器，将几个装置的电源线有效隔离。

3.6 滤波器设置

在变频器设备运行过程中，由于变频器通常以电源线为通道，将干扰信号传输至电源、电机，使运行受到干扰，因此为实现对变频器电磁干扰的有效预防，通常将不同类型的滤波器分别安装变频器的输入与输出侧，以抑制干扰信号从电源线的传输。例如在变频器输入侧，如输入线路与变送器、控制器等敏感电子设备相连接，应选择合适的位置安装线路滤波器或辐射滤波器（具体位置根据滤波器类型而定），通过增大线路高频下阻抗、吸收高频率谐波等方式来抑制干扰信号。而在变频器的输出侧，则可以安装专门的输出滤波器，以削弱电流中的高谐波成分、降低电机附加转矩。以某车间的变频器安装施工为例：该车间共安装了8 台较低功率变频器以及1 台较高功率变频器，且将高功率变频器与另一台低功率变频器共同安装在1 台1000 kV·A 车间变压器供电的380 V 母线上，变频器调速由PLC 控制，安装调试阶段发现所有低功率变频器均可正常运行，但高功率变频器运行时，周边电气设备却频繁出现误动作等情况，受电磁干扰较为严重。经过全面检查与故障分析后发现，高功率变频器与低功率变频器的结构设计存在一定差异，低功率变频器输入端有内置的RFI 滤波器，高功率变频器输入端没有内置滤波器，因此电磁干扰问题仅出现在高功率变频器运行时。对此，在2000 kW变频器输入端增设1 台变频器专用FT330-400 型输入滤波器后，周边电气设备恢复正常运行。

3.7 电抗器运用

在变频器运行过程中，由于其输入电流中的很大一部分均为5 次、7 次谐波等低频谐波成分，不仅会消耗大量无功功率，降低输入线路功率，同时还会使电气设备的运行受到干扰，因此保证电气设备与变频器的有效运行，解决电磁干扰问题，还需要将电抗器串入变频器输入电路，抑制输入电流中的低谐波电流。具体措施：可以根据电抗器接线位置的不同，将其分为交流电抗器与直流电抗器两种。一般来说，如变频器对于功率方面要求较高，或存在周围空间相对狭小等问题，可选择在整流桥与滤波电容器之间安装体积较小的直流电抗器，以实现对功率的最大化提升（直流电抗器通常可将功率提升至0.95）。如需解决浪涌电流问题或整流器的电源、电压问题，则可以在电源与变频器输入侧之间，以发挥其削弱浪涌电流冲击、抑制谐波电流、提升电流、电压平衡性等功能。

4 结束语

变频器与电气设备互相干扰的问题虽然比较复杂，但在变频器的实际应用中，只要了解变频器运行原理及各类型干扰的成因，并根据实际情况正确运用正确接地、合理布线、干扰源屏蔽、电抗器运用等抗干扰措施，干扰问题仍然能够得到有效解决，使变频器与电气设备的正常运行得到保障。