变频器干扰信号是如何产生.docx

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变频器干扰信号是如何产生

变频器干扰信号是如何产生？

传播方式有哪些？

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。

具体为：

首先对周围的电子、电气设备产生电磁辐射；其次对直接驱动的电动机产生电磁噪声，使得电机铁耗和铜耗增加；并传导干扰到电源，通过配电网络传导给系统其它设备；最后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。

同样，系统内的干扰信号通过相同的途径干扰变频器的正常工作。

1电路耦合方式即通过电源网络传播。

由于输人电流为非正弦波，当变频器的容量较大时，将使网络电压产生畸变，影响其他设备工工作，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，这是变频输入电流干扰信号的主要传播方式。

2感应耦合方式当变频器的输人电路或输出电路与其他设备的电路挨得很近时，变频器的高次谐波信号将通过感应的方式耦合到其他设备中去。

感应的方式又有两种：

（1）电磁感应方式，这是电流干扰信号的主要方式；.2.2静电感应方式，这是电压干扰信号的主要方式。

（2）空中幅射方式即以电磁波方式向空中幅射，这是频率很高的谐波分量的主要传播方式。

变频器干扰信号是如何产生？

变频器主要由整流电路，逆变电路，控制电路组成，其中整流电路和逆变电路由电力电子器件组成，电力电子器件具有非线性特性，当变频器运行时，它要进行快速开关动作，因而产生高次谐波，这样变频器输出波形除基波外还含有大量高次谐波。

无论是哪一种干扰类型，高次谐波是变频器产生干扰的主要原因。

传播方式有哪些？

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，其干扰传导途径与一般电磁干扰传导途径是一致的，主要分传导（即电路耦合）、辐射（电磁辐射、感应耦合）。

具体为：

首先对周围的电子、电气设备产生电磁辐射；其次对直接驱动的电动机产生电磁噪声，使得电机铁耗和铜耗增加；并传导干扰到电源，通过配电网络传导给系统其它设备；最后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。

同样，系统内的干扰信号通过相同的途径干扰变频器的正常工作。

1电路耦合方式即通过电源网络传播。

由于输人电流为非正弦波，当变频器的容量较大时，将使网络电压产生畸变，影响其他设备工工作，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，这是变频输入电流干扰信号的主要传播方式。

2感应耦合方式当变频器的输人电路或输出电路与其他设备的电路挨得很近时，变频器的高次谐波信号将通过感应的方式耦合到其他设备中去。

感应的方式又有三种：

（1）电磁感应方式，这是电流干扰信号的主要方式；

（2）静电感应方式，这是电压干扰信号的主要方式；

（3）空中幅射方式即以电磁波方式向空中幅射，这是频率很高的谐波分量的主要传播方式；

抗传导干扰措施

对于通过辐射方式传播的干扰信号，主要通过布线以及对放射源和对被干扰的线路进行屏蔽的方式来削弱。

对于通过线路传播的干扰信号，主要通过在变频器输入输出侧加装滤波器，电抗器或磁环等方式来处理。

具体方法及注意事项如下：

（1）信号线与动力线要垂直交叉或分槽布线。

（2）不要采用不同金属的导线相互连接。

（3）屏蔽管（层）应可靠接地，并保证整个长度上连续可靠接地。

（4）信号电路中要使用双绞线屏蔽电缆。

（5）屏蔽层接地点尽量远离变频器，并与变频器接地点分开。

（6）磁环可以在变频器输入电源线和输出线上使用，具体方法为：

输入线一起朝同一方向绕4圈，而输出线朝同一方向绕3圈即可。

绕线时需注意，尽量将磁环靠近变频器。

（7）一般对被干扰设备仪器，均可采取屏蔽及其它抗干扰措施

变频器干扰源分析及抗干扰措施

1变频器本身的干扰

电机经常停不下来，按任何按钮（包括变频器上按钮）都不管用，经查配电柜里接地地线没有连接到大地。

我们国家供电系统一般都是三相四线制，若工厂电力变压器中性点直接接地（即电源接地形式为TN或TT），可以把配电柜里地线连接到中性线上。

一些乡镇企业不重视地线连接，机床出厂时，按照GB/T5226.1-1996标准,地线与中性线是严格分开的，配电柜里中性线有专用接线端子“N”，地线有专用接地螺钉。

由于该用户从变压器过来三根相线和一根中性线，只把中性线接到“N”端子上，而地线没有和中性线相连，虽说控制线使用了屏蔽线，屏蔽层也接到了接地螺钉，但没有和大地相连,起不到屏蔽作用，导致了变频器因干扰失控电机停不下来。

把配电柜里中性线和地线连接后即恢复正常，也可以把配电柜里地线直接接到大地。

许多用户都是采取把地线与中性线相连的办法，但是采用这种办法存在弊端，就是假如中性线断开,启动机床某一动作,可能使机床带电,对人身造成安全危胁。

这种干扰属于变频器本身干扰类型。

2外界设备对变频器的干扰

电机偶尔停不下来，经检查屏蔽层接地正确良好，降低载波频率不起作用。

变频器输入侧及输出侧加磁环滤波器不起作用，后来发现，机床配电柜相邻房间是动力配电室，变频器离配电室配电柜大约有1.5m，全厂有3台30kW电炉和两台45kW机床用电机，配电室配电柜有大电流流过，在电流周围有较强磁场，干扰了变频器正常工作，把机床配电柜远离配电室后即恢复正常，这属于外界设备对变频器干扰。

3变频器对外界设备的干扰

起动变频器后，机床报警，经查找，电机线和监视电机的接近开关线穿在一根管里，接近开关接在PC机的输入端，当起动变频器后，高次谐波干扰了接近开关信号，使PC机误动作，产生机床报警，把穿在同一根管里的接近开关线或电机线任何一种改为屏蔽线后即恢复正常，这属于变频器对外界弱电设备干扰。

4高次谐波对电源的干扰

同一个车间有几台设备，有变频调速的，有直流调速的，当起动变频调速后，相邻直流调速设备速度不稳，时快时慢，这是由于输入侧高次谐波引起的，在输入侧加电抗器后即恢复正常，这是属于高次谐波对电源的影响。

先看看变频器干扰的方式

一、 变频器系统的主要干扰

　　1外部对变频器的干扰

（1）非线性用电设备对变频器的干扰

　　由于各种整流设备、交直流互换设备、电子电压调整设备、照明设备等非线性负载的应用，这些负载成为电网中的大量谐波源，使电网电压、电流产生波形畸变。

图1示出晶闸管换相引起的畸变。

                                                                      图1晶闸管换相引起的畸变

　　变频器的供电电源受到来自被污染的交流电网的干扰后，若不加以处理，电网噪声就会通过电网电源电路干扰变频器。

供电电源对变频器的干扰主要有过压、欠压、瞬时掉电；浪涌、跌落；尖峰电压脉冲；射频干扰。

其次，共模干扰通过变频器的控制信号线也会干扰变频器的正常工作。

（2）补偿电容器的投入和切出对变频器的干扰

　　许多用户都在变电所内采用集中电容补偿的方法来提高功率因数，在补偿电容器投入和切出的暂态过程中，网络电压有可能出现很高的峰值，如图2所示，其结果是可能使变频器的整流管因承受过高的反电压而击穿。

                                                                                     图2补偿电容投入时的电压畸变

　　2变频器对外部的干扰

　　变频器对电网来说也是非线性负载，它所产生的谐波会对同一电网的其他电子、电气设备产生谐波干扰。

另外，逆变器采用spwm技术，当其工作于开关模式并作高速切换时，产生大量耦合性噪声,对共网的其他的电子、电气设备来说是一个电磁干扰源。

（1）输入电流的波形

　　ac-dc-ac压型变频器的输入侧是整流和滤波电路，只有在电源的线电压ul大于电容器两端的直流电压ud时，整流桥中才有充电电流。

因此充电电流总是出现在电源电压的振幅值附近，呈不连续的冲击波形式，如图3a）所示。

它具有很强的高次谐波成分，其中5次谐波和7次谐波分量很大，如图3b）所示。

                                                                               图3输入电流的波形及其谐波分析

                                                                              图4输出电压与电流的波形

（2）输出电压与电流的波形

　　变频器的逆变桥大多采用spwm技术，其输出电压为占空比按正弦规律分布的系列矩形波，其输出的电压和电流的功率谱是离散的，并且带有与开关频率相应的高次谐波群，如图4a）所示。

其高载波频率和场控开关器件的高速切换（dv/dt可达1kv/μs以上）所引起的辐射干扰相当突出。

二、下面具体看一下变频器干扰信号的产生以及传播：

1、变频器干扰信号如何产生的：

图1是变频器的基本电路图。

它是一种先用整流器把交流电变为直流电（正向变换），再用逆变器的6个大功率半导体开关器件，按照pwm控制方式，把直流电变为三相可变电压和频率的交流电（反向变换）的装置，最后输出给交流电动机做变速控制。

                                                                                图1变频器的基本电路图

     由于这个6个大功率半导体开关的高速的开通或关断，就发生了干扰（电气噪音）。

高速的开通和关断，每开关一次就经由在逆变器的输入输出电线和电动机与大地间的寄生分布电容c输出了干扰电流。

这个干扰电流的大小是：

i=c×dv/dt

     它与寄生分布电容c和半导体的开关速度dv/dt有关系。

这个干扰电流还与每个半导体开通和关断电流的载波频率也有关。

除了变频器中的逆变器产生干扰之外，在变频器控制电路的开关电源，即dc/dc变换器，也由于晶体管的开关动作，成为发生干扰的根源之一。

     这些干扰的频带范围在数十mhz，对am（调幅）无线电收音机、工厂无线电话等通讯工具或机器会造成干扰影响。

2、变频器干扰信号的传播

变频器发生的干扰，通过主电路的线路被传播到电源方向及电动机方向，使得从电源变压器一直到电动机的宽广的范围内造成干扰影响。

干扰的传播途径，如图2所示到处都有。

大致区分的话，分成传导干扰，感应干扰，辐射干扰3个途径。

图2中①～③传导干扰、④感应干扰，⑤是辐射干扰。

对此，下面作详细说明。

                                                                                            图2干扰的传播路径

（1）传导干扰

在变频器内发生的干扰，顺着导体传递给周围的机器，造成的影响是传导干扰。

它分别是：

图3中的①经由主回路传输到电源的传递。

还有，如果共同连接到同一地线，有经由②的传递途径。

再有像③那样，经由传感器的信号线和屏蔽线的传导干扰途径。

                                                                                                  图3传导干扰

（2）感应干扰

     干扰电流流动到变频器的输入和输出的电线上，该电线如靠近周围设备的电线或信号线时，通过电磁感应（图4）和静电感应（图5），在周围设备的电线和信号线里感应出干扰电势。

这属于感应干扰。

                                                                                                图4磁感应干扰

                                                                                         图5静电感应干扰

（3）辐射干扰

在逆变器内发生的干扰，经由输入和输出的主回路电线，以无线电地线和天线方式向空中发射，造成对周围设备和对广播、无线通讯设备的影响，在图6中⑤是辐射干扰。

辐射干扰不仅发源于变频器的线路，而且电动机的安装座或框架、逆变器的安装柜等也都可能成为像发射天线一样的发射源。

                                                                                        图6辐射干扰

三、最后看看变频器干扰的防治措施

1、 使用隔离变压器

使用隔离变压器主要是应对来自于电源的传导干扰如图4所示.使用具有隔离层的隔离变压器,可以将绝大部分的传导干扰隔离在隔离变压器之前,同时还可以兼有电源电压变换的作用.隔离变压器常用于控制系统中的仪表、PLC以及其它低压小功率用电设备的抗传导干扰.

图1使用隔离变压器降低传导干扰

2、使用滤波模块或组件

目前市场中有很多专门用于抗传导干扰的滤波器模块或组件,这些滤波器具有较强的抗干扰能力,同时还具有防止用电器本身的干扰传导给电源,有些还兼有尖峰电压吸收功能,对各类用电设备有很多好处.常用双孔磁芯滤波器的结构如图2所示,还有单孔磁芯的滤波器,其滤波能力较双孔的弱些,但成本较低. 

3、选用具有开关电源的仪表等低压设备

一般开关电源的抗电源传导干扰的能力都比较强,因为在开关电源的内部也都采用了跟图2所示的结构类似的滤波器.因此在选用控制系统的电源设备,或者控制用电器的时候,尽量采用具有开关电源类型的.

图2滤波器的结构

4、 做好信号线的抗干扰

信号线承担着检测信号和控制信号的传输任务,毋庸质疑,信号传输的质量直接影响到整个控制系统的准确性、稳定性和可靠性,因此做好信号线的抗干扰是十分必要的.

对于信号线上的干扰主要是来自空间的电磁辐射,有常态干扰和共模干扰两种. 

     4.1􀀁常态干扰的抑制

     常态干扰是指叠加在测量信号线上的干扰信号,这种干扰大多是频率较高的交变信号,其来源一般是耦合干扰.抑制常态干扰的方法有:

（1）在输入回路接RC滤波器或双T滤波器;

（2）尽量采用双积分式A/D转换器,这种积分器的工作特点,使其具有一定的消除高频干扰的作用;（3）将电压信号转换成电流信号再传输的方式,对于常态的干扰有非常强的抑制作用.

     4.2􀀁共模干扰的抑制

     共模干扰是指信号线上共有的干扰信号,一般是由于被测信号的接地端与控制系统的接地端存在一定的电位差所致,这种干扰在两条信号线上的周期、幅值基本相等,所以采用上面的方法将无法消除或抑制.对共模干扰的抑制方法有:

（1）采用双差分输入的差动放大器,这种放大器具有很高的共模抑制比.

（2）把输入线绞合,绞合的双绞线能降低共模干扰,由于改变了导线电磁感应e的方向,从而使其感应互相抵消,如图3所示.

     （3）采用光电隔离的方法,可以消除共模干扰.

     （4）使用屏蔽线时,屏蔽层只一端接地.若两端接地,将会由于接地电位差导致在屏蔽层内流过电流而产生干扰,因此只要一端接地即可防止干扰.

图3双绞线降低共模干扰

无论是为了抑制常态干扰还是抑制共模干扰,都还应该做到以下几点:

（1）输入线路要尽量短;

（2）配线时避免和动力线接近,信号线与动力线分开配线,把信号线放在有屏蔽的金属管内,或者将动力线和信号线分开距离在40cm以上;（3）为了避免信号失真,对于较长距离传输的信号要注意阻抗匹配.

5、 接地干扰

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,防止外部干扰的侵入,提高系统的抗干扰能力.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,要注意不要因为接地不良而对设备产生干扰.图7为一般变频调速传动系统抗干扰所采取的措施.

                                                               图4变频调速传动系统抗干扰措施

      在使用以单片机、PLC、计算机等为核心的控制系统中,编制软件的时候,可以适当增加对检测信号和输出控制部分的软件滤波,以增强系统自身的抗干扰能力

变频器的干扰信号及传播途径以及抑制对策

       变频器因其很好的调速和节能性能，在各行各业中获得了广泛的应用。

其干扰问题日益引起人们的重视。

下面我们将介绍一下变频器应用系统中干扰的产生及其传播途径，并给出抗干扰的实际解决方法。

典型变频器的原理框图

        变频器的应用范围很广，凡是使用三相交流异步电动机电气传动的地方都可装置变频器，对设备来讲，使用变频器的目的有以下三点：

1）对电动机实现节能，使用频率范围为0－－50Hz，具体值与设备类型和工况条件有关。

2）对电动机实现调速，使用频率范围为0－－400Hz，具体值按工艺要求而定，受电动机允许最大工作频率的

制约。

3）对电动机实现软起动和软制动，频率的上升或下降可人为设定时间，实现起、制动平滑无冲击电流或机械冲击。

典型变频器的原理框图如图1所示:

变频器中的主要干扰源

电磁干扰（EMI）是以外部噪声和无用信号在接收中所造成的电磁干扰，通常是通过电路传导和以场的形式传播的。

变频器的整流电路对电网来说是非线性负载，它所产生的谐波会对同一电网的其他电子和电气设备产生谐波干扰。

另外，变频器的逆变器大多采用PWM技术，其工作于开关模式并作高速切换，产生大量耦合性噪声。

变频器对系统内其他的电子、电气设备来说是一个电磁干扰源。

1）在变频器的输入和输出电流中，都含有很多高次谐波成分和能构成电源无功损耗的较低次谐波。

它们将以各种方式把自己的能量传播出去，形成对变频器本身和其他设备的干扰信号。

变频器的输入侧是二极管整流和电容滤波电路，只有当电源的线电压大于电容器两端的直流电压时，整流桥中才有充电电流。

因此，充电电流总是出现在电源电压的振幅值附近，呈不连续的脉动波形式。

它具有很强的高次谐波成分。

绝大多数变频器的逆变桥都采用PWM调制方式，其输出电压为占空比按正弦规律分布的系列矩形波。

由于电动机定子绕组的电感性质，定子的电流十分接近于正弦波，但与载波频率相等的谐波分量

仍然较大。

2）电网中的谐波干扰主要通过变频器的供电电源干扰变频器。

电网中存在大量谐波源，如各种整流设备、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。

这些负荷都使电网中的电压、电流产生波形畸变，从而对电网中其他设备产生危害的干扰。

变频器的供电电源受到来自被污染的交流电网的干扰后若不加处理，电网噪声就会通过电源电路干扰变频器。

供电电源的干扰对变频器主要有过压、欠压、瞬时掉电、浪涌、跌落、尖峰电压脉冲和射频干扰等。

3）晶闸管换流设备对变频器的干扰。

当供电网络内有容量较大的晶闸管换流设备时，由于晶闸管总是在每相半周期内的部分时间内导通，容易使网络电压出现凹口，波形严重失真。

它使变频器输入侧的整流电路有可能因出现较大的反向回复电压而受到损害，从而导致输入回路击穿而烧毁。

4）电力补偿电容对变频器的干扰。

电力部门对用电单位的功率因数有一定的要求，为此，许多用户都在变电所采用集中电容补偿的方法来提高功率因数。

在补偿电容投入或切出的暂态过程中，网络电压有可能出现很高的峰值，其结果是可能使变频器的整流二极管因承受过高的反向电压而击穿。

变频改造后常见的技术问题及解决方法：

       目前，普通三相异步电动机都是按照恒频恒压来设计的，它不完全适应变频调速的要求，具体反映在以下几个方面。

1.谐波问题及对策

通过变频器的主电路形式一般由整流、逆变和滤波三部分组成。

整流部分为三相桥式不可控制整流器，中间滤波部分采用大电容作为滤波器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输入为PWM波形式。

输出电压中含有除基波以外的其他谐波，较低次谐波通常对电动机负载影响较大，引起转矩脉动；而较高次谐波又使变频器输入电缆的漏电电流增加使电动机出力不足，因此变频器输出的高频次谐波都必须加以抑制，可以采用以下方法抑制谐波。

（1）增加变频器供电电源内阻抗

       通常情况下，电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用，这种内阻抗就是变压器的短路阻抗。

当电源容量相对变频器容量越小，内阻抗值相对越大，谐波含量越小；电源容量相对变频器容量越大，则内阻抗

值相对越小，谐波含量越大，所以选择变频器供电电源变压器时最好选择短路阻抗大的变压器。

安装电抗器可以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（如图2所示），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。

（2）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相脉冲整流的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，不利于设备改造且价格较高。

（3）安装电抗器

        安装电抗器实际上是从外部增加变频器供电电源的内阻抗，如图3所示。

在变频器的交流侧安装交流电抗器或在变频器的直流侧安装直流电抗器或同时安装，抑制谐波电流。

通用变频器的整流部分是9脉波整流器，所以产生的谐波较大。

       如果应用变压器的多相运行，使相位角互差30°，如星三角，三角三角组合的两个变压器构成相当于12脉波的效果则可减小低次谐波电流28%，起到了很好的谐波抑制作用。

（4）设置专用滤波器

      该专用滤波器用于检测变频器谐波电流的幅值和相位，并产生一个与谐波电流幅值相同且相位正好相反的电流，接入变频器从而可以非常有效地吸收谐波电流，如图4所示。

（5）调节变频器的载波比

        提高变频器载波比可有效抑制低次谐波。

只要载波比足够大，较低次谐波就可以被有效地抑制。

特别是参考波幅值与载波幅值比值小于1时，13次以下的奇数谐波不再出现。

2.噪声与振动及其对策

        采用变频器调速，将产生噪声与振动，这是变频器输出波形中含有高次谐波分量所产生的影响。

随着运转频率的变化，基波分量和高次谐波分量都在大范围内变化，很可能引起与电动机的各个部分产生谐振等现象。

（1）噪声问题及对策

       用变频器传动电动机时由于输出电压电流中含有高次谐波分量，气隙的高次谐波磁通增加，故噪声增大。

电磁噪声有以下特征：

由于变