变频器干扰抑制技术分析

1 引言
　　近年来，随着电力电子技术和自动控制技术的不断发展，变频器以其调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、功率因数高、操作方便、节能效果显著等一系列优点在煤矿、供水、钢铁、石化、机床、机械制造、流水生产线等领域得到广泛的应用。由于变频器的大量使用，系统中的电磁干扰(EMI)问题已经成为科研单位和工程部门备受关注的问题。本文首先分析了变频器EMI的主要来源，接着介绍了EMI的传播途径，其次重点就抑制EMI的方法从硬件和软件两方面进行了对比分析。最后对各种抑制EMI方法和需要注意的问题进行了总结。
　　2 变频器系统的EMI来源
　　在实际应用中，变频器的EMI来源主要包括两个方面：一是外部对变频器的EMI。由于变频器的控制信号为弱电信号，包括模拟量信号(4-20mA电流信号回路和1-5V、0-5V电压信号回路)和数字量信号(控制变频器开停、正反转指令、与上位机的接口等)。这些弱电信号易受到外来干扰的影响，严重的时候会被外来干扰信号掩盖，无法正常控制变频器的动作，导致变频器系统锁死、误动作等[1]。外部EMI来源主要包括：电网、晶闸管换相、补偿电容器的投切等。另一方面是变频器内部EMI。变频器的整流桥对电网来说是非线性负载，会产生高次谐波等干扰。另外逆变器采用PWM技术，其在开关模式下作高速切换会产生电磁噪声，对外围设备产生干扰,造成外围设备的误动作甚至损坏。
　　3 EMI抑制的硬件措施
　　EMI传播途径主要有：电磁辐射、电路耦合(传导)、感应耦合等。其中电磁辐射是高频谐波分量的主要传播方式。电路耦合是变频器输入电流EMI的主要传播方式[2]。根据对干扰信号得的抑制方式的不同，主要分为应用电抗器及采用滤波器的方法抑制EMI，本文将对它们进行重点探讨。
　　3.1电抗器的应用
　　在变频器的输入电流中，频率较低的谐波分量(5、7、9、11、13次谐波等)所占比重较大，这些谐波除了干扰其它设备的正常运行外，还消耗大量的无功功率，使线路的功率因数降低。如图1、2所示，根据接线位置不同，分以下几种：
　　(1)交流电抗器
　　交流电抗器串联在电源与变频器的输入侧之间，也叫进线电抗器。它既能阻止来自电网的干扰，又能减少整流单元产生的谐波电流对电网的污染。
　　(2)直流电抗器
　　直流电抗器(又称平波电抗器)，串联在整流桥和滤波电容器之间，主要用于变流器的直流侧。其用途是将叠加在直流电流上的交流分量限定在某一规定值，保持整流电流连续，减小电流脉动值，改善输入功率因数。
　　(3)输出电抗器
　　输出电抗器采用的是在变频器和电动机之间增加交流电抗器的方法，主要作用是补偿长线分布电容的影响，并能抑制输出谐波电流，提高输出高频阻抗，有效抑制dv/dt，减低高频漏电流，起到保护变频器，减小设备噪声的作用。
　　3.2滤波器的应用
　　3.2.1谐波治理方面
　　目前在谐波治理方面，主要有无源滤波技术和有源滤波技术两种，它们能有效消除谐波对电网的影响。
　　(1)无源滤波器的应用
　　(2)有源滤波器的应用
　　(3)混合滤波器的应用
　　3.2.2抑制EMI方面的措施
　　在抑制EMI方面，可在系统中设置滤波器。根据使用位置的不同，可分为输入滤波器和输出滤波器。
　　(1)输入滤波器
　　(2)输出滤波器
　　3.3隔离的方法
　　3.4接地的方法
　　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。值得注意的是：
　　(1)不能将地线接在电器设备的外壳和零线上;
　　(2)可用较粗的短线一端接到接地端子PE端，另一端与接地极相连，接地电阻取值<100欧，接地线长度在20m以内;变频器接地导线的截面积一般应不小于2.5mm2，长度控制在20m以内;
　　(3)注意选择合理接地方式，变频器的接地方式有单点接地、多点接地及混合接地等几种形式，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[3]。从干扰的角度讲，低频干扰严重时采用屏蔽点单点接地，高频干扰严重时采用多点接地。
　　3.5屏蔽的方法
　　按机理特性可以分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。对于变频器应用而言最常见的是电场屏蔽即用金属导体把被屏蔽的元件、组合件和信号线包围起来。而屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。通常变频器自身为了不让其电磁干扰泄漏，就是采用金属外壳进行屏蔽。为了使屏蔽有效，信号线要采用双芯编织屏蔽，应尽可能短(一般20m以内);出线应使用专用的屏蔽电缆或用钢管屏蔽，主电路(AC380V)及控制回路(AC220V)需要完全分开铺设，两者不能被置于同一配管或线槽内。屏蔽罩必须可靠接地。周围电子敏感设备要进行复合板屏蔽。
　　3.6硬件抑制EMI的其他措施
　　3.6.1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大约为10%~15%,18相脉冲整流的THDv约为3%~8%,满足EN61000-3-12和IEEE519-1992严格标准的要求。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[7]。
　　3.6.2减少回路阻抗及切断传输线路
　　由于畸变电流在电缆的阻抗上产生一个畸变电压降，而合成的畸变电压波形加到与此同一线路上所接的其它负载，引起谐波电流在其上流过。因此，可从加大电缆截面积，减小回路阻抗方式来减少谐波危害。另外可采用将线性负载与非线性负载从同一电源接口点用分别的电路供电，这样可以使非线性负载产生的畸变电压不会传导到线性负载上去，这是治理谐波问题较为理想的解决方案。
　　3.6.3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能力都比较强，因为在开关电源的内部也都采用了有关的滤波器。因此在选用控制系统的电源设备，或者选用控制用电器的时候，尽量采用具有开关电源类型的[7]。
　　3.6.4信号线的EMI抑制
　　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[7]：
　　(1)常态干扰抑制的方法有：在输入回路接RC滤波器或双T滤波器;尽量采用双积分式A/D转换器;将电压信号转换成电流信号再传输。
　　(2)共模干扰的抑制的方法有：采用双差分输入的差动放大器;把输入线绞合;采用光电隔离;使用屏蔽线时，屏蔽层只一端接地。
　　3.6.5 PCB板的EMI抑制设计
　　在PCB的EMI抑制措施中需要注意：对于电源线设计，应该根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。对于地线设计应遵循原则：数字地与模拟地分开;接地线应尽量加粗;接地线构成闭环路。另外，对易受电路中干扰信号影响和有暂态状陡峭变化电流的器件，其与地之间接入高频特性好的去耦电容，如RAM,ROM芯片动作时电流变化大，应在每片电源端加0.01μF陶瓷电容以旁路高频。接着，在PCB板中有接触器、继电器、按钮等元件时，操作它们时均会产生较大火花放电，采用RC电路来吸收放电电流。最后，PCB板的大小应适中，逻辑元件相互靠近，与易产生干扰的器件远离。如果是双层布线或多层布线时应遵循电源和地为中间层、顶层和底层的电线相互正交,尽量少走平行线。
　　3.6.6安装和布线
　　变频器安装和布线需注意以下几点：
　　(1)应使用短、粗的接地线连接到公共地线上。与变频器相连的控制设备(如PLC或PID控制仪)要与其共地。控制柜应尽量远离大容量的电器(如变压器、电动机);控制电缆应避开漏磁通大的设备，远离易产生电弧的断路器或接触器;控制电缆尽量采用屏蔽绞合绝缘电缆，屏蔽电缆的屏蔽长度应和导体部分一样长，屏蔽端子要相互连接;
　　(2)安装布线时将电源线和控制电缆分开，其它设备的电源线和信号线应尽量远离变频器的输入、输出线;
　　(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，条件允许时应采用电缆套管;
　　(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，如果接触器是通过变频器的继电器控制的，这一点特别重要;
　　(5)所有的电源线和信号线都应尽量屏蔽，用屏蔽和铠装电缆作为电机接线时，要将屏蔽层双端接地;
　　(6)要用两个直流电源分别对控制系统和变频器系统供电，防止变频器通过直流电源对控制系统产生传导干扰;
　　(7)在使用多台变频器时，要分别给每台变频器都加装交流电抗器和滤波器，防止多台变频器相关影响。
　　4 EMI抑制的软件措施
　　系统抑制EMI措施除了采用硬件措施外还可以通过软件抗干扰设计来减少干扰。常用的软件抗干扰方法有以下方法。
　　4.1数字滤波技术
　　数字滤波就是通过一定的计算或判断减少干扰在有用信号中的比重，实质上是一种程序滤波。数字滤波技术主要针对模拟信号受到的干扰，可以有效地消除模拟输入信号的噪声。数字滤波包括：算术平均值滤波、中位值滤波、限幅滤波、加权平均值滤波等。其中，平均值滤波法适用于周期性干扰，中位值滤波法和限幅滤波法适用于偶然的脉冲干扰，加权平均值滤波法适用于有高频干扰的低频信号。如果同时选用几种滤波方法，一般应先用中位值滤波法或限幅滤波法，然后再用平均值滤波法。在工程实际中应根据具体情况采用不同的数字滤波方法。
　　4.2 CPU抗干扰技术
　　当EMI作用到CPU时，CPU将不能正常执行程序，从而引起混乱。其抗干扰措施为：
　　(1)睡眠抗干扰
　　CMOS型单片机通过执行ORL PCON，#1进入睡眠状态，只有定时/计数系统和中断系统处于值班状态。这时CPU对系统三总线上出现的干扰不会做出什么反应，从而大大降低系统对干扰的敏感程度。
　　(2)指令冗余抗干扰
　　CPU受到干扰后，往往将操作数当做操作码执行，造成程序混乱。应多采用单字节指令，并在关键地方插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重复书写，提高弹飞程序纳入正轨的机会，这就是指令冗余。具体实现是在一些对程序起决定作用的指令之前插入两条空指令(nop)，以保证在系统受到干扰时弹飞的程序能迅速纳入正轨，确保后续指令的执行。
　　4.3软件陷阱和程序监视系统
　　(1) 软件陷阱
　　(2) 程序运行监视系统(WATCHDOG)
　　5 结束语
　　变频器是现代工业生产中至关重要的设备，它的安全、稳定运行直接影响着工业生产的正常运作。变频器的抗干扰技术已经成为变频调速系统设计和应用必须面对的问题。随着电力电子技术、自动控制技术的不断发展和科学理论分析的不断提高，新的谐波治理和EMI抑制方法和设备不断涌现。采用多重化技术的变流器和电力有源滤波器的出现为消除谐波的EMI增添了新的希望。另外,EMI抑制方法比较多，为达到最优效果，应根据不同的工业环境和不同的软硬件条件有针对性地采取抑制措施，保证变频器和外围设备的正常运行。