变频器干扰Word文档格式.docx
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二．谐波产生的机理
变频器的主电路一般为交-直-交组成，外部输进380v/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。
在整流回路中，输进电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，其中的高次谐波将干扰输进供电系统。
在逆变输出回路中，输出电流信号是受SPWM（脉宽调制）载波信号调调制的脉冲波形，对于GTR（电力晶体管）大功率逆变元件，其SPWM的载波频率为2-3KHZ，而IGBT（尽缘栅双极型晶体管）大功率逆变元件的SPWM最高载波频率可达15KHZ。
同样，输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。
另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。
三．变频调速系统的主要电磁干扰源及途径
1.变频器能产生功率较大的谐波，由于功率较大，对系统其它设备干扰性较强，其干扰途径与一般电磁干扰途径是一致的，主要分传导（即电路耦合）、电磁辐射、感应耦合。
2.电路耦合方式即通过电源网络传播。
由于输进电流为非正弦波，容量较大时，将使网络电压产生畸变，影响其他设备工作，同时输出端产生的传导干扰使直接驱动的电机铜损、铁损大幅增加，影响了电机的运转特性。
显然，这是变频器输进电流干扰信号的主要传播方式。
3.感应耦合方式当变频器输进电路或输出电路与其他设备的电路挨得很近时，高次谐波信号将通过感应的方式耦合到其他设备中往。
感应的方式又有两种：
a）
电磁感应方式，这是电流干扰信号的主要方式；
b）
静电感应方式，这是电压干扰信号的主要方式。
空中辐射方式即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。
四．抑制谐波干扰常用的方法
谐波的传播途径是传导和辐射，解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离，解决辐射干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽，具体措施在工程上可采用抑制、隔离、滤波、屏蔽、接地等方法。
1．抑制
a）增加交流/直流电抗器
安装电抗器实际是从外部增加变频器供电电源的内阻抗。
在变频器的交流侧或变频器的直流侧安装电抗器或同时安装，可抑制谐波电流。
采用交流/直流电抗器后（见图1），进线电流的THDV（电压畸变率）降低30%～50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右。
b）多相脉冲整流
在条件具备或者要求产生的谐波限制在比较小的情况下，可以采用多相整流的方法。
12相脉冲整流THDV为10%～15%；
18相脉冲整流的THDV为3%～8%，满足EN61000-3-12和IEEE519-1992标准的要求。
缺点是需要专用变压器和整流器，不利于设备改造，价格较高。
2．隔离
所谓干扰的隔离是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系。
在变频调速传动系统中，通常是在电源和放大器电路之间的电源线上采用隔离变压器（如图2所示）以免传导干扰，电源隔离变压器可应用噪声隔离变压器。
常用的还有光电耦合器件（如图3所示）实现电→光→电的隔离，他能有效地破坏干扰源的进进，可靠地实现信号的隔离，并易构成各种功能状态。
3．滤波
a）设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电源及电动机。
为减少电源噪声和损耗，在变频器输出侧可设置输出滤波器。
为减少对电源的干扰，可在变频器输进侧设置输进滤波器。
若线路中有敏感电子设备，可在电源线上设置电源噪声滤波器，以免传导干扰。
b）有源电力滤波器的基本工作原理是有源电力滤波器向电网注进一个与负载谐波电流幅值相等，相位相反的补偿电流，从而使电网电流基波分量这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪和补偿，从而抵消了电网中谐波电流，因而受到广泛重视。
1976年，LGyugyi和ECStyaula提出了用PWM逆变器构成有源电力滤波器。
这些采用PWM逆变器构成的有源电力滤波电路现已成为有源电力滤波器的基本结构。
电压型逆变器按照要求控制输出电压，向电网提供正确的电流。
电流型逆变器将直流电流（DC）调制成脉冲列（AC），该脉冲列通过交流输出侧的滤波器解调成正确的电流。
电流型逆器将直流电流必须与最大补偿电流相匹配，电流型逆变器的缺点是损耗大，需要解调节器滤波器：
因此通常不采用电流型逆变器，而采用电压型逆变器。
上述两种滤波器的原理图如图4、5所示。
上述两种有源电力滤波用具有下列优点：
①作为高次谐波电流源，不受系统阻抗的影响。
②没有共振现象，系统结构的变化不会影响补偿效果。
③原理上比LC滤波器更为优越，用一台装置就能完成各次谐波的补偿。
④即使高次谐波的频率发生变化，也能正确地补偿。
⑤由于装置本身能完成输出限制，因此即使高次谐波补偿说是一个很大的优点。
但同时，有源滤波器也存在如下缺点：
⑥控制复杂造价较高。
⑦自身消耗大。
4．屏蔽
屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。
通常变频器本身用铁壳屏蔽，不让其电磁干扰泄漏。
输出线最好用钢管屏蔽，特别是以外部信号控制变频器时，要求信号张尽可能短（一般为20m以内），且信号线采用双芯屏蔽线与双交屏蔽线，并与主电路及控制回路完全屏蔽。
为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地。
5．接地
实践证实，接地往往是抑制噪声和防止干扰的重要手段。
良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵进，进步系统的抗干扰能力。
变频器的接地方式有多点接地、一点接地及经母线接地等几种形式，要根据具体情况采用，要留意不要由于接地不良而对设备产生干扰。
单点接地指在一个电路或装置中，只有一个物理点定义为接地点。
在低频下的性能好；
多点接地是指装置中的各企接地点都有直接接到距它最近的接地点。
在高频下的性能好；
混合接地是根据信号频率和接地线长度，系统采用单点接地和多点接地共用的方式。
变频器本身有专用接地端子PE端，从安全和降低噪声的需要出发，必须接地。
即不能将地线接在电器设务的外壳，也不能接在零线上。
可用较粗的短线一端接到场接地端子PE端，另一端与接地极相连，接地电阻取值﹤100Ω，接地线长度在20m以内，并留意公道选择接地极的位置。
以上抗干扰措施可根据系统的抗干扰要求公道选择使用，具体如图6所示：
五．电气控制系统设计应留意的其他题目
1．确保控制柜中的所有设备接地良好。
另外与变频器相连的控制设备（如PLC或PID控制仪）要与其共地。
2．安装布线时将电源线和控制电缆分开，例如使用独立的线槽等。
假如控制电路连接线必须和电源电缆交叉，应成90°
交叉布线。
3．使用屏蔽导线或双绞线连接控制电路时，确保未屏蔽之处尽可能短。
4．确保控制柜中的接触器有灭弧功能，交流接触器采用R-C抑制器，也可采用压敏电阻抑制器，假如接触器是通过变频器的继电器控制的，这一点特别重要。
5．铠装电缆作为电机接线时，要将屏蔽层接地。
6．在设备排列布置时，应尽量交轻易受干扰的弱电控制设备与变频器分开，比如将动力配电柜放在变频器与控制设备之间。
7．尽量减少变频器与控制系统不必要的连线，以避免传导干扰。
除了控制系统与变频器之间必须的控制线外，其它如控制电源等应分开。
由于控制系统及变频器均需要24V直流电源，而生产厂家为了节省一个直流电源，往往用一个直流电源分成两路分别对两个系统供电，有时变频器会通过直流电源对控制系统产生传导干扰，所以在设计中或订货时要特别加以说明，要求用两个直流电源分别对两个系统供电。
8．留意防止发生共振现象。
由于定子电流中含有高次谐波成分，电机转矩中含有脉动分量，有可能造成电机的振动与机械振动产生共振，使设备出现故障。
应在预先找到负载固有的共振频率后，利用变频器频率跳跃功能设置，躲开共振频率点。
六．抑制谐波干扰实例
例1：
本厂的3线螺杆压力闭环系统，在变频器启动后，控制系统的仪表（RKC，F900F810*8—AD仪表输进4-20ma）显示压力在±
2MPa左右波动，压力探头（Dynisco0-35MP输出4—20ma）。
变频器（安川616H3）上的频率±
5H2左右波动在（±
2H2）。
由于是闭环系统，所以要有一点在波动会是整个压力系统都在波动，如图7所示：
思路：
先将仪表打手动控制，输出固定60%，压力还是上下往返波动，现仪表输出13.6ma变频36H2，这就排除变频和仪表输出，想通过调正仪表PID（d↑微分系数为小，对即时变化反应不够快，反映措施不力，I↓积分系数过大，使微分反应被沉没饨化）调正后基本无效果。
排除设制不当。
分析以为是干扰引起的，通过示波器分析在变频器的输进电流中频率较低的谐波量（5次、7次、11次、13次）所占的比重是很高的它们除了可能干扰其他设备的正常运行之处还由于它们消耗了大量的无功功率使线路的功率因数大为下降。
现针对变频干扰采取必要的措施先从以下几方面着手：
1、
加装交流电抗器
交流电抗器串联在电源与变频器的输进侧之间，其目的是通过抑制谐波电流，将功率因数进步至（0.75-0.85），削弱输进电路中的浪费电流对变频器的冲击，削弱电源电压不平衡的影响。
2、
加装直流电抗器
直流电抗器，串联在整流桥和滤波电容器之间，其目是进一步削弱输进电流的高次谐波成分但在进步功率因数方面比交流电抗器有效可达0.95。
如图（13）
3、
在输进输出侧加装滤波器
一般输进滤波器通常又分两种：
1.线路滤波器主要由电感线圈构成。
它通过增大线路在高频下的阻扰来削弱频率较高的谐波电流；
2.辐射滤波器主要由高频电容器构成，它将吸收掉频率很高的具有辐射能量的谐波成分。
一般输出滤波器也由电感线圈构成。
它可以有效地削弱输出电流中的高次谐波成分。
非但起到抗干扰的作用，且能削弱电动机中由高次谐波电流引起的附加转矩。
对于变频器输出真个抗干扰措施必须留意以下方面：
1）
变频器的输出端不答应接进电容器，以免在逆变管导透风关断）瞬间，产生峰值很在的充电（或放电）电流，损害逆变管；
2）
当输出滤波器由LC电路构成时，滤波器内接进电容器的一侧必须与电动机侧相接。
4、
检查接地系统
由于系统电源零线（电线）地线（保护接地、系统接地）不分，控制系统屏蔽地（控制信号屏蔽地和主电路导线屏蔽地）的混乱连接会大大降低系统的稳定性和可靠性。
通过处理后，压力波动在（±
0.3MPa）频率波动在（±
1H2），谐波干扰基本抑制，系统工作正常。
例2
本厂一台VC443牵伸机系统有144个温度点有一台单片机控制，同时有一台变频器控制拖动。
在变频器不工作时温度显示正常±
1℃范围，但变频工作时温度波动且在大约30秒周期±
15℃波动，通过现象分析了解，初步以为是干扰引起的。
在对现场维修职员的了解中，得知原控制板上有2个5V电源烧坏1个后适用1个开关电源，后开机出现温度异常。
分析以为可能题目出在电源上。
单片机控在接口电路中采用光电隔离，如上图
（2）。
光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲帮各种噪声干扰，使通道上的信号噪声比大为提，主要有以下几方面的原因：
1．光电耦合器的输进阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，；
常为105－106Ω。
由于没有足够的能量而不能使二极管发光，从而被抑制掉了。
2．光电耦合器的输进回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；
之间的分布电容极小，而尽缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一边往，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。
最后经过仔细分析由于在光电耦合器的输进部分和输出部分必须分别使用独立的电源，若两端共用一个电源，则光电耦合器的隔离作用将失往意义。
当用光电耦合器来隔离输进输出通道时，必须对所有信号（包括数字量信号、控制量信号、状态信号）全部隔离，使得被隔离的两边没有任何电气上的联系，否则这种隔离是没有意义的。
电源分开后温控工作正常。
结论
通过应用过程中干扰的来源和传播途径的分析，提出了解决这些题目的实际对策。
大量的电磁干扰产生，如不加以抑制，将影响整个控制系统的正常工作。
但完全消除电磁干扰是不现实的。
电磁干扰的抑制应根据不同元器件，不同的电磁环境采取适当的抑制措施，以系统可以正常工作为衡量标准，没有必要单纯为了追求电磁干扰抑制指标而采取复杂的措施。
通常电磁干扰抑制能力的强弱与投资成正比。
变频调速电气系统的电磁兼容性是一项十分复杂的系统工程，有很多实际的工作经验需要总结，还有很多的理论需要探讨。
随着新技术和新理论不断应用，我们相信EMC题目一定会得到有效解决。
文献
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变频空调单片机测控系统的抗干扰设计
1引言
随着科学技术的发展，单片机在各种家电产品中得到了越来越广泛的应用，它的稳定性工作是衡量其质量好坏的重要指标。
因此，有效地抑制单片机系统内部和外部的电磁噪声干扰，使单片机系统在实际运行环境中长期可靠地工作，是一个亟待解决的电磁兼容问题。
在我们设计的变频空调电控系统中，由于其所处环境比较恶劣，特别是在冬季与夏季强功率运行时，由压缩机、风机高速运转所引起的机械振动，电器设备（如斩波器、电动机等）所产生的干扰，室内外环境的温差（－20℃～40℃），都会影响单片机系统的正常工作。
这就要求在设计单片机系统时必须考虑到各种影响其正常工作的因素，并采取相应的有效措施。
当然，单片机系统的可靠性是由多种因素决定的，但系统的抗干扰性能是系统可靠性的重要指标。
因此，抗干扰设计是整体设计工作中的一个重要内容。
2硬件的抗干扰设计
实际单片机应用系统中，干扰一般都是以脉冲的形式进入系统的。
其主要形式有三种。
（1）空间场辐射干扰干扰以电磁辐射的形式耦合进入系统；
（2）电源系统干扰干扰通过地线和电源线进入系统。
地线和电源线是传导电磁干扰的一个主要通道，这是由于地线和电源线是数字集成电路所有电流的通路。
（3）过程通道干扰干扰通过与主机的前向通道、后向通道以及与其他主机的相互通道进入系统。
针对这种情况，在控制方法设计上，除了采用众所周知的抑制干扰传播的技术，如屏蔽、接地、搭接、合理布线等方法外，还采取了回避和疏导的技术处理，如空间方位分离，以及电气隔离等措施。
21空间场辐射抗干扰措施
空间场辐射干扰主要由数字信号源产生，一般是由高频脉冲信号的高次谐波造成的，通常以差模和共模两种噪声模式产生辐射。
差模噪声的辐射是高频噪声电流在信号电路中流动时产生的，共模噪声的辐射则是因为电路中的线阻抗或感抗产生的电位差引起的。
针对这一情况，采用合理的布线、良好的屏蔽与正确的接地，增加高频滤波，尽量减小系统中各工作环节的阻抗等一系列措施；
对于功率模块和单片机系统的结合部位，采用空间分离的措施，把强电和弱电的结合部位分离开来。
使得这一问题得到了良好的解决。
22电源系统抗干扰措施
电源系统干扰包括电源干扰和地线干扰。
本系统采用220V市电供电，故电网上及其它电器所产生的干扰都会通过电源进入系统。
主要采用了以下几种解决办法：
（1）采用隔离电源消除各功能模块间的相互影响，提高抗干扰的能力；
（2）使用低通滤波器电源系统的干扰源大部分是高次谐波，因此利用低通滤波器滤掉高次谐波，以改善电源波形；
（3）采用分散独立的功能块供电在每块系统功能模块上用三端稳压集成芯片，如7805等集成稳压电源。
每个功能块单独对电源进行过载保护，不会因某块稳压电源故障而使整个系统遭到破坏，且减少了公共阻抗的相互耦合和公共电源的相互耦合，大大提高了供电可靠性，也有利于电源散热。
地线干扰通常表现为外部干扰通过公共地线进入主机系统，数字地线的干扰还表现为逻辑地的不等电位。
因此，单片机系统的地线布置相当重要。
解决地线干扰的办法是正确处理好地线隔离问题，同时为了避免模拟电路引入的噪声通过地阻抗对数字电路产生影响，数字地与模拟地应分开布线，单点连接。
将以上原则应用于实际系统的设计中，本系统采用了电源、地线抗干扰设计。
23过程通道抗干扰措施
过程通道主要是单片机系统本身和外围器件所产生的联系。
前向接口、后向接口与主机以及主机之间相互进行信息传输的路径，它的干扰主要是长线传输的干扰。
系统中解决的办法是采取光电耦合的措施。
光电耦合是采用半导体光电耦合器件进行隔离。
它的主要优点是能有效地抑制尖峰脉冲及各种干扰，使输入电路中的干扰信号不能直接从电路上进入输出电路，从而使过程通道上信噪比大大提高。
光电耦合有很强的抗干扰能力，原因如下：
（1）光电耦合的输入阻抗很小，一般只有100Ω～1kΩ之间，而干扰源内阻很大，通常为100kΩ～100MΩ之间，因此分压到光电耦合器输入端的噪声很小；
（2）干扰噪声虽有较大的电压幅度，但能量小，只能形成微弱电流，而光电耦合器输入部分的发光二极管是在电流状态下工作的，即使有很高电压幅值的干扰由于不能提供足够的电流而被吸收；
（3）光电耦合是在密封条件下实现输入电路和输出电路的光耦合，不会受到外界光线的干扰；
（4）输入电路和输出电路之间分布电容极小，一般为0.5～2pF之间，而且绝缘电阻极大。
因此，电路一边的干扰很难通过光电耦合器馈送到另一边去。
系统主要在三种情况下应用了光电耦合器。
其一是室内机信号由CPU的P21脚经过光耦输入到通信线上去，如图3所示。
为了使光耦两端的输入和输出电平与各自的电路匹配，将光耦两边的电源分别置为各自电路的电源。
电路中的＋12V电源通过一个1kΩ的电阻接光耦的输入端，这个电阻作为光耦通路中的限流电阻，通过光耦输入端的电流大小为I=12mA。
因为电流传输率接近100％，故在输出一侧使220V电源通过一个22kΩ的电阻，I′=220/22k=10mA，略小于输入端电流。
第二个应用光电耦合的地方是室内机接收室外机的信号处。
第三个应用光电耦合的场合是单片机输出驱动PG电机处。
其原理分析完全同上，不再赘述。
从以上的分析看出，通过AC/AC隔离电源和光电耦合电路，使以单片机为核心的中央处理控制系统与外界完全隔离开来，极大地提高了系统运行的抗干扰能力。
3软件的抗干扰设计
单片机在恶劣的环境中工作时，干扰源不仅会影响到硬件系统的正常工作，也常常会使系统的软件运行发生混乱。
因此系统的抗干扰问题不能完全靠硬件去解决，软件的抗干扰设计也是一项重要措施。
当系统受到干扰时，可能使单片机的程序跑飞，改变程序指针PC值，从而使程序进入死循环而不能正常工作；
也可能改变单片机内部特殊功能寄存器（SFR）的值使程序状态混乱，甚至发生故障，损坏器件；
如果被测量信号受到干扰，则会造成测量值失真。
对于这种情况的对策是及时发现，及时引导程序走向正确位置，或者使系统
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