变频器应用中的电磁干扰问题及其对策

1.由变频器和电机组成的变频调速系统以其回路简单、功率因数高、输出谐波小、起动平稳、调速范围宽、保护完善、控制性能好、过载能力强、使用维护方便等优点,广泛应用于电机调速控制的各个工业生产领域中。但是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其他敏感设备的正常工作。因此,变频调速系统的电磁兼容性问题解决的好坏很大程度上决定了其本身的工作可靠性。
1.1 同步顶升的控制系统构成
船闸人字门结构尺寸和自重大，且重心侧偏于门体几何中心，有倾覆危险，使顶落门施工具有较大的安全风险，所以顶落门施工一直是船闸大修工程的重中之重。在近几年的船闸大修工程中，采用了一种同步顶升系统，用于船闸人字门的顶落门施工。同步顶升系统通过一套PLC控制系统控制4个液压千斤顶的同步升降，从而实现船闸人字门的同步升降。
该同步顶升的控制系统由PLC、触摸屏、变频器、压力传感器、位移传感器、液压系统泵站、电机组成, 如图1所示。其控制功能由PLC、变频器、数据采集模块、控制模块、压力传感器、位移传感器、电磁阀等完成,由变频器驱动对电机，实现对液压泵站油路的控制。

2.变频器干扰问题
2010年广西长洲船闸人字门检修船闸人字门检修项目、2012年葛洲坝一号船闸下游人字门检修项目和2012年三峡船闸北线检修施工时，在使用同步顶升系统进行人字门顶门施工过程中，均发现了西门子S7-300 PLC中的SM338模块，在MM440变频器运行时出现编码读值跳变情况。经计时统计分析，平均每15min就会发生该情况，从而干扰了同步顶升系统的正常运行。通过试验查找故障原因，发现在未启动变频器时位移传感器和压力传感器的读值准确、正常显示，但是只要启动变频器后, 位移传感器和压力传感器的数值就会出现跳变,从而导致控制系统不能正常工作, 很明显是同步顶升控制系统受到了变频器的干扰。因此有必要分析变频器的抗干扰问题，了解干扰的来源、传播方式，再针对性地采取相应措施。
3.变频调速系统的主要干扰源及途径
3.1主要电磁干扰源
电磁干扰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射场的形式传播的。变频器的整流桥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、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，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，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。另一方面，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。这些负荷都会使电网中的电压、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，若不加以处理，电网噪声就会通过电网电源电路干扰变频器。
3.2电磁干扰的传播途径
3.2.1电磁辐射
变频器如果不是处在一个全封闭的金属外壳内，就可以通过空间向外辐射电磁波。其辐射场强取决于干扰源的电流强度、装置的等效辐射阻抗以及干扰源的发射频率。变频器的整流桥对电网来说是非线性负载，它所产生的谐波对接入同一电网的其它电子、电气设备产生谐波干扰。变频器的逆变桥大多采用PWM技术，当根据给定频率和幅值指令产生预期的和重复的开关模式时，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。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)所引起的辐射干扰问题相当突出。 当变频器的金属外壳有缝隙或孔洞，则辐射强度与干扰信号的波长有关，当孔洞的大小与电磁波的波长接近时，会形成干扰辐射源向四周辐射。而辐射场中的金属物体还可能形成二次辐射。变频器外部的辐射也会干扰变频器的正常工作。
3.2.2传导 电磁干扰除了通过与其相连的导线向外部发射，也可以通过阻抗藕合或接地回路耦合将干扰带入其它电路。与辐射干扰相比，其传播的路程可以很远。比较典型的传播途径：接自工业低压网络的变频器所产生的干扰信号将沿着配电变压器进入中压网络，并沿着其它的配电变压器最终又进入民用低压配电网络，使接自民用配电母线的电气设备成为远程的受害者。
3.2.3感应耦合
感应耦合是介于辐射与传导之间的第三条传播途径。当干扰源的频率较低时，干扰的电磁波辐射能力相当有限，而该干扰源又不直接与其它导体连接，此时的电磁干扰能量可以通过变频器的输入、输出导线与其相邻的其他导线或导体产生感应耦合，在邻近导线或导体内感应出干扰电流或电压。
4.抗干扰改造措施及对策
为防止干扰，可采用硬件和软件的抗干扰措施。其中，硬件抗干扰是最基本和最重要的抗干扰措施，其总原则是抑制和消除干扰源、切断干扰对系统的藕合通道、降低系统对干扰信号的敏感性[4]。针对同步顶升系统变频器干扰问题的具体情况，通过实验，采用以下三种抗干扰措施：
4.1隔离。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，使它们不发生电磁场的联系。改造前的同步顶升变频器控制系统，由于考虑到便携的原因，将变频器、PLC、直流电源、交流接触器等都安置在一个控制箱内。

4.2屏蔽。屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。在2台泵站上重新设计、制作、安装了2个不锈钢小箱子，用于屏蔽和固定变频器；同时将原有的变频器外部信号线（型号为KVVR1*4）更换为双芯双绞屏蔽信号线（型号为KVVRP 2*4*0.5），并与主电路及控制回路完全分离，不放于同一线槽内；对周围电子敏感设备线路也进行屏蔽。
4.3接地。良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。对变频器、PLC、屏蔽线的屏蔽网采用了多点接地的方式，保证整个系统不会因为接地不良而对系统设备造成干扰。
4.4正确安装。由于变频器属于精密的功率电力电子产品，其现场安装工艺的好坏也影响着变频器的正常工作。改造过程中应注意：重新规范元器件的布置和走线，确保控制柜中的所有设备接地良好；安装布线时将电源线和控制电缆分开，使用独立的线槽，在控制电路连接线必须和电源电缆交叉处，按规范要求做到90°交叉布线；更换屏蔽电缆作为电机接线，并将屏蔽层双端接地。