Abstract: This paper introduces the generation and types of frequency converter noise, analyzes the ways of noise transmission in the application of frequency converter, and probes into the restraining measures in engineering application.

Key words: Frequency; Noise; Propagation; Suppression

【中图分类号】TN773【文献标识码】A 文章编号1561-0330（2017）08-0000-00

1 变频器中的噪声来源

变频器是电力电子数字装置，其运行在高载波频率方式下，所以变频器运行中将产生大量的电磁噪声，而对外围电子设备产生干扰，甚至产生误动作或停机。变频器运行中产生的噪声有变频器机身和变频器主回路（输出、输入）连线辐射二种，变频器中产生的噪声按其传播方式，可分为静电感应噪声、静磁感应噪声、公共阻抗噪声、空中传播噪声。其空中传播噪声是由变频器来的直接辐射噪声和其电源线及输出线的辐射噪声，因传播路径在空中传播，若其它电子设备与变频器装在同一柜内，由于其相对距离在噪声的辐射范围内，又因其布线相对较近变频器的辐射噪声将干扰这些电子设备的稳定运行。而变频器也受外部侵入的噪声的干扰，而引起误动，因此变频器的EMC是变频器及其构成的调速系统设计中的重要环节，也是保证系统可靠运行的必要条件。变频器的EMC在很大程度决定了交流变频调速传动系统的可靠性。因此EMC越来越成为交流变频调速领域需要迫切解决的重要技术问题。

在各种工业控制系统中，随着变频器等电力电子装置的广泛使用，系统的EMI日益严重，相应的抗干扰设计技术已经变得越来越重要。变频器系统的干扰有时能直接造成系统的硬件损坏，有时虽不能损坏系统的硬件，但常使微处理器的系统程序运行失控，导致控制失灵，从而造成设备和生产事故。因此，如何提高系统的抗干扰能力和可靠性是变频器研制和应用中不可忽视的重要内容。

变频器外部干扰源首先是来自外部电网的干扰，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，从而对电网中其它设备产生干扰。变频器的供电电源中的干扰后若不加处理，电网噪声就会通过电网电源电路干扰变频器。供电电源的干扰类型主要有：过压、欠压、瞬时掉电、浪涌、跌落、尖峰电压脉冲和射频干扰。
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。变频器作为噪声接受器如图1所示，把一个在装置中由于电容C_K耦合作用而产生的噪声电流I_S看作噪声源，I_S在阻抗Z_i上产生压降。如噪声电流流经敏感电子元件板（如微处理器），甚至ms级的小脉冲（刚刚几伏），都能导致噪声。

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它电子、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，产生大量耦合性噪声。因此，变频器对系统内其它的电子、电气设备来说是一个EMI源。变频器的输入和输出电流中，都含有很多高次谐波成分。除了能构成电源无功损耗的较低次谐波外，还有许多频率很高的谐波成分。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它设备的干扰信号。变频器作为噪声源如图2所示，变频器整流电路产生的谐波对电网将产生传导干扰，引起电网电压畸变（电压畸变率用THDv表示，变频器产生谐波引起的THDv在10~40%左右），影响电网的供电质量；变频器内由于存在IGBT等高速开关工作，故在电路中出现分布电感和分布电容，在它们之间即产生磁能和静电能的转换，出现振荡现象。因而形成了电磁波发射。在输出能量的同时将在输出线上产生较强的电磁辐射干扰，影响周边电器的正常工作。变频器的输出部分一般采用IGBT快速开关器件，通过寄生电容Cp对地流过脉冲型噪声电流。

变频器的输入侧是二极管整流和电容滤波电路。显然只有电源的线电压U_l大于电容器两端的直流电压U_d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。它具有很强的高次谐波成分。有关资料表明，输入电流中的5次谐波和7次谐波的谐波分量是最大的，分别是50Hz基波的80％和70％。

输出电压与电流的波形绝大多数变频器的逆变桥都采用SPWM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式形波；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。但其中与载波频率相等的谐波分量仍是较大的。

变频器内由于存在IGBT等高速开关工作，故在电路中出现分布电感和分布电容，在它们之间即产生磁能和静电能的转换，出现振荡现象。因而形成了电磁波发射。这就是之所以产生数十kHz～1GHz电磁噪声或EMI的机理。普通晶体管为1～2kHz，IGBT为3～12kHz，du/dt不同开关速度下高频的电位变化率。一般，IGBT与普通晶体管相比，f_C大5.3倍，du/dt大3倍。变频器噪声类型主要有：

①发射性噪声。变频器开关元件形成的du/dt和电路中的分布电感，产生高频振荡，把配电线路作为天线，发射出电磁波。

②静电感应噪声。变频器的输出强电线路和附近弱电设备的信号线太靠近，就会感应电压，使弱电设备误动作。

③电磁感应噪声。由电流产生磁通，在靠近它的电线上就会感应电压，使弱电设备误动作。

④传输噪声。变频器主回路的开关产生的高频电流进入电源系统，对周围设备产生影响。

⑤漏电流噪声。PWM控制高达12kHz的载波频率，将在压器、电动机的绕组间、绕组和机座间、机座和大地间通过分布电容产生漏电流，通过接地系统将噪声传到弱电设备上引起误动作。

对变频器进行EMC设计之前，必须分析预期的电磁环境，并从EMI源，耦合途径和敏感设备入手，找出其所处系统中存在的EMI。然后有针对性地采取措施，就可以消除或抑制EMI。变频器所处电磁环境中存在的EMI源主要有：

①高频开关器件快速通断形成大脉冲电流而引起的EMI；

②供电电源的负载突变；

③系统内部及其周围的强电元件造成的强电干扰；

④电机电枢传输线与其它传输线间的电容性耦合和电感性耦合引起的干扰；
    ⑤由连续波干扰源等造成的空间辐射干扰。

变频器中各个电子部件、元器件都可能成为被干扰的敏感受扰设备。当干扰信号电平低于系统门坎电平时，不会对系统造成危害。但若高于低限门坎电平时，就可能导致电子器件的误触发，对系统产生干扰。干扰信号可以通过多种途径从干扰源耦合到敏感受扰设备上。

2 噪声的传播途径

变频器运行中产生的噪声有变频器机身和变频器主回路（输出、输入）连线辐射二种，其传播途径有4种，如图3所示：其空中传播噪声是由变频器来的直接辐射噪声和其电源线及输出线的辐射噪声，因传播路径在空中传播，若其它电子设备与变频器装在同一柜内，由于其相对距离在噪声的辐射范围内，又因其布线相对较近变频器的辐射噪声将干扰这些电子设备的稳定运行。

变频器中产生的噪声按其传播方式，可分为以下几类：

（1）静电感应噪声。变频器运行中其具有高载波频率特性，将对线间杂散电容充电转化为电能储存起来，并通过杂散电容耦合到其它回路而产生静电干扰，可能耦合到设备的内部线路,因此干扰其它电子设备的正常运行。

（2）静磁感应噪声。变频器运行中的输入和输出动力线为载流体，必将在其周围产生工频（负载线低于工频），干扰其周围的电子设备运行。

（3）公共阻抗噪声。因电子设备的输入信号、输出信号和各部分之间，通常以系统电源公用线作为参考点，公用线的分布电阻、电容及电感，而将噪声通过公共阻抗耦合到其它信号控制回路，这些干扰信号叠加在有用信号上，将使信号产生奇变，有时完全覆盖有用信号。

3 噪声的抑制

电磁干扰贯穿于电力电子装置的设计、制造、安装、调试、使用及维护等所有过程，而作为变频器应用中噪声的抑制，主要应从以下几个方面采取措施：

（1）物理隔离

加大受干扰电路器件或装置与干扰源之间的距离,是降低干扰的一种行之有效的措施，因为干扰与距离的平方成正比，即距离增加一倍干扰则降低四倍，因此，周密完善的考虑设备布线，可大大的降低干扰的传播。对变频器的空中传播噪声、电磁感应噪声可采取以下措施：

①容易受电磁干扰的设备应远离变频器。

②容易受影响的电子设备的信号线，应尽量远离变频器和它的输入、输出线。

③避免信号线和动力线平行布线及成束布线。

④在变频器输入输出端设置线性滤波器和在输入端设置无线电噪声滤波器，可以有效抑制电线的辐射噪声。

⑤动力线和信号线使用屏蔽电缆能抑制静电噪声或分别套上金属钢管抑制噪声效果良好。

⑥外围设备布线若与变频器布线构成闭环时，与变频器的接地共地将产生电磁干扰，所以变频器应设计独立的接地系统,以减少相互间的噪声干扰。

（2）滤波设计

滤波器可以抑制交流电源线上输入的瞬变干扰及信号线上感应的各种干扰，常用的滤波器有电容、电阻及压敏电阻。对于变频器电路传播噪声，因外围设备的电源与变频器的电源是同一系统时，变频器产生的噪声是与电源线逆流的噪声，若为同一系统时其它设备受噪声的干扰可能发生误动作，故应在变频器的动力线设置无线电噪声滤波器（FR-BIF），或线性噪声滤波器（FR-BSF01）。

电磁噪声的抑制是一门综合学科，它与电磁学、接地工程学、电子学、传输技术、空间电磁场、屏蔽技术、电工理论、高电压技术等学科密切相关，所以抑制电磁干扰措施必须结合多学科的理论与技术，根据实际情况和技术条件，把理论与工程实践有机的结合，采用不同的措施以取得较好的效果。

参考文献

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[2]周志敏.变频调速系统设计中问题分析[J].能源技术,2002,(2).

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[4]周志敏,周纪海,等编著.变频器——工程应用电路·电磁兼容·故障诊断[M].北京:电子工业出版社,2005.