变频调速系统主电路的抗干扰措施

变频调速系统主电路的抗干扰措施

关键字：变频器 滤波器 电抗器 抗干扰

讨论变频调速系统中主电路方面可采取的抗干扰措施，以及如何利用电抗器、滤波器来抑制传导发射干扰。

随着电力电子技术 、微电子技术及控制理论的发展。变频器以高效率的驱动性能 、良好的控制特性以及优越的节能特性等优点，已被广泛应用于各种电机速度控制领域（如各种军用武器随动系统等 ）。变频器作为电力电子设备，其内部的电子元器件 、控制芯片等核心元件，易受外界的电气干扰。变频器本身的整流和逆变部分工作时具有陡峭的上升沿和下降沿，在其输入、输出侧电压 、电流中含有丰富的谐波污染和高频噪声，使其成为严重的射频干扰产生源。由这种传导和辐射引起的电磁干扰会导致通信及灵敏的数控电路误动作，从而恶化了电磁环境。因此变频调速系统在投入工作时，既要防止外界对变频器的干扰，又要抑制变频调速系统对外界产生的电磁干扰。在实际使用过程中，经常遇到变频器谐波干扰问题。因此，抗干扰措施（尤其是对如何解决传导发射 CE101、CE102超标的问题 ）的设计对于变频调速系统的设计是一个重要的课题。

1、变频调速 系统干扰的传输途径及危害

变频调速系统的对外干扰主要在 3个有足够功率流动的主电路中产生，即变频器的输入电路、连接到直流电路上的制动电路以及变频器的输出电路。作为干扰源，其干扰途径一般分为传导、辐射和传导辐射同时衍生等，主要途径如图 1所示。

图1 变频调速系统干扰途径

从上图可以看出，变频调速系统产生的传导干扰反馈到电网，对电源输入端所连接的电子设备有很大的影响，同时输出端产生的传导干扰使直接驱动的电机铜损、铁损大幅度增加，影响了电机的运转特性。变频器产生的辐射干扰对周围的电子接收设备产生强烈的污染影响。

2、变频调速系统干扰的抑制措施

在制定抑制干扰措施时，首先要找到干扰源和干扰发生的失效机理。优先按照在源处抑制的原则进行处理。在分析失效机理时，首先要分清干扰是属于传导还是辐射，而且对于传导干扰还需分清共模和差模。这样才能采用简单而有效的低费用抑制技术对干扰进行针对性的处理。

变频器在工作时，整流与逆变等非线性部分在开关状态下，上升和下降沿有陡峭的电流斜率，是高次谐波和高频噪声的产生源， 主要以传导发射和电磁场形式辐射的电磁干扰为主。在变频调速传动系统电磁兼容性设计中，主要技术有屏蔽 、接地、滤波几大技术如图2所示。

图2 变频调速系统主电路抗干扰措施

对于变频器产生的电磁场辐射电磁干扰，一般采用变频器本身及输出线进行屏蔽的方式处理，并且输出线与其它弱信号线进行分别配线，附近的其它敏感电路也最好进行屏蔽处理。对于变频器产生的传导发射干扰导致 CE101、CE102超标，主要采用电抗器、滤波器和良好的接地方式相接合，把有用信号以外的频谱分量加以控制。同时传导发射干扰也是属于比较复杂和难以控制的干扰模式。在工程实践中对电磁兼容要求高的设备一般需要着重解决的是传导发射干扰。

实践证明，适当选配滤波器、电抗器与变频器配套使用能有效减小传导发射干扰，并可提高变频器 的功率 因数 ，可较好地解决CE101、CE102问题。

2.1 在变频器输入侧装设电抗器

在变频器输入侧装设交流电抗器或直流电抗器，是一种多功能抗干扰措施。利用电抗器压制电流变化率的特性，使输入电流由断续变成连续，抑制输入侧谐波干扰，也抑制外部对变频器的电压干扰 ，同时也有抑制输入电路冲击干扰的作用。图 3是输入侧接入电抗器后的电流波形。

a）无电抗器交流侧相电流

b）交流电抗器相电流

c）无抗电器直流侧电流

d）直流电抗器直流侧电流

e）直流电抗器交流侧相电流

图3

从图3中可见，没有接入电抗器时交流侧和直流侧电流都是断续的，装设电抗器后，交流侧电流连续了，直流侧电流则由交流侧三相电流合成，也是连续的。电流连续后，实际电流与等效正弦波形 （虚线 ）的偏差减少，即谐波变小，谐波干扰被抑制了。

直流电抗器的作用机制与交流电抗器略有不同，它的作用是直接使直流侧电流连续。 装设直流电抗器后，交流侧相电流仍然是连续的，并且交流侧相电流与正弦曲线 （虚线 ）的偏差并不大，与没装电抗器的情况相比，谐波干扰仍然被很好地抑制了。

交流电抗器和直流电抗器都能够有效抑制冲击干扰；都能够有效降低整流器件的电流瞬时值；都能够有效抑制变频器对电源输入端所连接电子设备的谐波干扰，交流电抗器的抑制能力优于直流电抗器；都能够改善电源侧功率因数，直流电抗器的改善能力优于交流电抗器。

在工程实践中，可根据设备的具体情况选用其中一种电抗器接入输入电路。在主电路

中，交流电抗器连接在输入电路交流接触器之后 ，各相分别串联接入。直流电抗器装设在直流回路中。

2.2 在变频器输入、输出侧装设滤波器

从图3中可以看到，装设了电抗器之后的输入电流里仍然剩余有谐波成分。如果要进一步抑制这些谐波成分，需要在输入侧接入电源滤波器。该类电源滤波器是由 L、c 元件组成的n型、T型复合链接的低通滤波器。采用该类电源滤波器能有效地抑制沿电源线向电网反馈的传导干扰，并能改善设备的电磁干扰抗扰度。工程实践中对电磁兼容有特殊要求的场所，在变频调速系统抗干扰措施的设计中，在变频器输入侧装设电源滤波器的同时，再在设备供电电源处加装普通电源滤波器，这种设计对谐波干扰的抑制效果非常明显。输入侧电源滤波器装设在变频器前，如装设了输入侧交流电抗器，则滤波器应装设在电抗器后。

在变频器输出侧装设电源滤波器，可以削弱输出电流中的高次谐波成分，同时还削弱了电机中由于高次谐波电流引起的附加转矩 ，改善了电动机的运行特性。由于变频器内部电路结构特殊 ，输出端电源滤波器与输入端电源滤波器结构不同，两者不得互用。

3、结 论

变频器在各种电机速度控制领域得到广泛应用，但同时对电网引入了严重的谐波污染，并给周围的电气设备造成严重的电磁干扰。在变频器调速系统主电路中适当选配滤波器、电抗器与变频器配套使用，能有效抑制变频器对电网及负载的传导干扰，降低输入输出导线对外辐射干扰的能量，改善变频器周围的电磁环境质量，使得变频器与周围敏感电子设备达到电磁兼容的要求。