变频器在电力系统工程应用中存在的干扰问题以及解决办法

1 引言
变频器调速技术是集自动控制、微电子、电力电子、通信等技术于一体的高科技技术。传动系统具有功率因数高、起动平稳、调速范围宽等优点，可运行于恶劣的电磁坏境中。由于采用软启动，可以减少设备电机的机械冲击，延长设备和电机的使用寿命。随着科学技术的高速发展，变频器以其具有节电、节能、可靠、高效的特性应用到各个工业控制领域中，如供水、空调、过程控制、电梯、机床等设备，保证了调节精度，减轻了工人的劳动强度，提高了经济效益。因变频器由电子元器件、计算机芯片等组成，易受外界的电气干扰，其输入侧和输出侧的电压、电流含有丰富的高次谐波对其他设备产生干扰，即所谓的电磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility-EMC）。
国际电工委员会（IEC）对电磁兼容性的定义是：电磁兼容性是电子设备的一种功能，电子设备在电磁坏境中能完成其功能，而不产生不能容忍的干扰。实际上电磁兼容性具有双重含义；设备或系统应具有一直抑制外部电磁干扰的能力，而且所产生的电磁干扰不得影响同一电磁坏境中其他电子设备的正常工作。
变频器产生的干扰主要有3种：对电子设备的干扰、对通信设备的干扰、以及对无线电等产生的干扰。对计算机和自动控制装置等电子设备产生的干扰主要是感应干扰；对通信设备和无线电等产生的干扰为辐射干扰。如果变频器的干扰问题解决不好，不但系统无法可靠运行，还会影响其他电子、电气设备的正常工作。因此，对变频器应用系统中的干扰问题很有必要进行控讨，以得到进一步的推广应用。

2 变频调速系统的电磁干扰
(1) 主要电磁干扰源
通用变频器的输入电路通常由二级管全桥整流电路和直流侧电容器组成，如图1（a）所示，输入电流波形随阻抗的不同相差很大。在电源阻抗比较小的情况下，其波形为窄而高的瘦长型波形，如图1（b）实线所示；反之，当电源阻抗比较大时，其波形为矮而宽的扁平型波形，如图1（b）虚线所示。

图1 变频器的输入电路和输出电流波：(a) 输入电路；
(b) 输入电流波形

电磁干扰也称电磁骚扰（EMI），是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，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有危害的干扰。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。供电电源对变频器的干扰主要有：过压、欠压、顺时掉电；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) 电磁干扰的途径
变频器能产生功率较大的谐波，对系统其他设备干扰较强：对周围的电子、电气设备产生电磁辐射；对直接驱动的电动机产生电磁噪声，使得电动机铁耗和铜耗增加，并传导干扰到电源，通过配电网络传导给系统其他设备；变频器对相邻的其他线路产生感应耦合，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。现分别加以分析。
① 电磁辐射
变频器如果不是装在全封闭的金属外壳内，就可以向外空间辐射电磁波。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带有缝隙或孔洞，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。同样，变频器外部的辐射也会干扰变频器的正常正作。
② 传导
电磁干扰除了通过与其相连的导线向外部发射，也可以通过阻抗耦合或接地路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。比较曲型的传播途径是：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，使接入民用配电母线的电气设备成为远程的受害者。
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。但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干扰电流或电压。感应耦合可以由导体间的电容耦合的形式出现，这与干扰源的频率以及与相邻导体的距离等因素有关。