关键字：变频器；电磁干扰

Abstract: This paper briefly analyzes the electromagnetic interference caused by the extensive use of frequency converter, and the influence of electromagnetic interference on itself and its surrounding equipment. This paper analyzes the advantages and disadvantages of the traditional methods to prevent electromagnetic interference and expounds the feasibility of the new theoretical methods to prevent electromagnetic interference.

Key words: Frequency converter; Electromagnetic interference

1  引言

在快速发展的工业领域中，变频器因调速范围广、稳定性高、节能效果显著，得到了广泛的认可与使用。伴随着变频器的快速发展与应用，自身所存现的问题也日益凸显。电磁干扰是变频器使用过程中不可规避的问题。变频器产生的电磁干扰，不仅对电网造成污染，而且还会对所带的负载及其它电子设备造成干扰。在自动化领域中，变频器的使用已经成为电磁干扰的主要污染源之一，因此如何有效得防治变频器电磁干扰，就成为了当今电气行业的重点研究方向之一。

2  电磁干扰的产生及危害

众所周知，一般变频器采用的是整流逆变原理，其自身的拓扑结构为交流-直流-交流，其二极管输入侧电压为正弦波形，电流为马鞍波形。通过脉宽调制(PWM)或者正弦波脉宽调制方式（SPWM），使得IGBT输出电流近似于正弦波形，电压波形为阶梯型。所以在输入和输出侧，就产生了50Hz基波整数倍的谐波。在实际情况下，大多数为奇次谐波，如3次、5次、7次、11次等，然而奇次谐波就是最主要的电磁干扰。

谐波电流产生的危害主要有：

（1）因谐波电流在导体中呈现更大的电流密度，故而会导致线缆过热，而且还会对相邻线缆产生感应电压或电流，影响相邻设备的正常工作。

（2）谐波电流对直接驱动的电机产生电磁噪声，使电机铜损增加。而且还会导致电机的绝缘层加速老化，降低电机的寿命。

（3）谐波电流对其周围的电子、电气设备产生电磁干扰，造成通信故障。

3  判断变频器电磁干扰

对于风机水泵行业来说，电气控制系统的主要电气设备，就是电机、仪表及通信控制设备。往往这些看似与变频器并无直接联系的设备，却时常受变频器的“骚扰”，例如：

（1）在某小区生活供水系统中，在变频器启动变频水泵后，由于变频器电磁干扰的存在，导致出口压力仪表，压力一直在±2MPa左右波动；因为此系统是闭环控制，所以此波动会引起整套供水系统都在波动；水量时大时小，导致小区用户无法正常用水。

（2）在某矿场的运煤系统中，其主要负载是电机。当使用变频器控制交流电机时，变频器产生的电磁干扰，会导致电机输入端电压，出现过冲现象。由于过冲电压会在电机绕组中产生尖峰电流，使绕组绝缘层不均匀的地方引起过热，使得电机温度升高，影响电机的可靠性、烧毁绕组的绝缘层，严重缩短电机寿命或烧毁电机，进而导致设备损坏、生产停工停产。

4  电磁干扰的途径

变频器在工作时，其自身就是一个强大的干扰源，干扰的途径主要为传导、辐射、电磁耦合等，如图1所示。

图1 变频器干扰途径及传播原理

从图1可以看出，变频器对周围的设备产生电磁干扰，传导干扰直接导致电机产生电磁噪声，增加铜损、铁耗。并且对输入端所连或相邻的电子设备产生影响。

5  传统方法抑制变频器电磁干扰

由于电磁干扰产生要具备三要素：电磁干扰源、电磁干扰传播途径和敏感设备，所以解决电磁干扰，就要从这三方面入手。众所周知抑制电磁干扰的三大技术措施是滤波、屏蔽和接地。

（1）滤波：使用滤波器是抑制干扰传导的重要方法，滤波器的作用，在于阻止干扰信号沿电缆线传输，使得干扰信号不断通过地线传播，而不被反射回干扰源。在使用电源滤波器时，滤波效果受安装位置的影响。一方面为使得滤波器能够有效地发挥功效，在安装时就要尽量靠近变频器。另一方面，滤波器安装位置要求：“滤波器要靠近电源线入口，并且电源输入线在机柜内要尽量短”。但实际上我们要避免滤波器的输入输出线靠得过近，导致高频干扰信号或者滤波器的输入输出线直接耦合，造成滤波器被旁路掉，从而失去作用。

（2）屏蔽：所谓干扰屏蔽就是从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电磁相关的联系。在常见变频调速的系统中，屏蔽的措施有：

①将变频器安装于独立的机箱内，这样既能屏蔽变频器对外围电子设备的电磁干扰，又能防止外界的电磁扰波进入本系统。

②将不同种类信号线隔离敷设，可以根据信号不同类型，将其按照抗干扰能力的强弱分类敷设。容易受影响的信号线，尽量远离干扰源，信号线应使用屏蔽线。

采用屏蔽的方法，虽然是减小电磁干扰举措之一，但只能一定程度上减缓电磁干扰。而且还受到现场工程安装空间因素的影响。

（3）接地：接地往往是抑制噪声和防止干扰的重要手段。如保护接地、工作接地等，正确的接地即可以抑制变频器对外界的干扰，也可以抑制大电流产生的电磁干扰。此方法虽简单廉价，但因接地不正确而带来的干扰经常发生。如“安全接地”和“电磁干扰接地”是有差别的，特别在高频区域。由于集肤效应的存在，在接头处将呈现高阻状态，造成接地不良，使系统对外的辐射丝毫没有减弱。因此采用接地的方法，减少电磁干扰。需在很低的高频阻抗下。

综上所述，采用传统的举措来降低电磁干扰，都存在一定的弊端和限制因素。故在快速发展的现代工业中，我们需要大胆尝试新的方法来解决变频器的电磁干扰。

6  新技术理论抑制变频器电磁干扰

    从医者的角度来说，治病最好最有效的药方，就是根除病根。对于变频器的电磁干扰，就是抑制干扰源发射强度的EMI，使其在运行过程中的EMI低于规定数值。

（1）改变电路拓扑：改变电路拓扑的中心思想是通过对称结构来消除变频器输出的共模电压，并且因开关器件上电压变化率减半，而使得装置输入侧传导干扰发射水平降低。目前三相四桥臂逆变器的应用，是用晶闸管构成的三相电流源逆变器换流，以A.L.Julian为首的学者根据“电路平衡”原理提出了一种用于消除三相功率变换器输出共模电压的三相四桥臂方案，其实验电路如图2所示。

图2  带滤波器的三相四桥臂变频器拓扑

    A. Rao等学者也曾提出，通过增加辅助零状态开关，来消除零开关状态时产生的共模电压。电路拓扑如图3所示。

图3  带辅助零状态开关变频器拓扑

这种辅助零状态开关方法在经济方面也有很大优势，而且还可以消除电机侧的共模电压。

（2)优化驱动电路：优化的前提是掌握变频器驱动电路的工作原理：其原理是变频器的主电路板发送六路脉冲，利用六个光电耦合器、推挽放大电路等将六路脉冲的信号电流和信号电压进行放大，需要逆变电路中的大功率管IGBT导通时，输出+15V电压给大功率的栅极和发射极；以确保需要逆变电路中的大功率管IGBT导通时，能良好的导通，当需要逆变电路中的大功率管IGBT关断时，输出-5V～-10V的负电压，以确保逆变电路的大功率管IGBT能良好的关断。

    由于SPWM电机驱动系统，产生传导EMI的主要原因是功率器件IGBT高频开通与关断，所引起的dv/dt和di/dt过大，而且它们还直接影响着系统的EMI发射强度。对于开关器件来说，其瞬间dv/dt和di/dt的强度受门极驱动脉冲波形和门极杂散电感的影响。所以单从减小系统EMI发射强度考虑，通过适当的调整电路拓步结构和控制步序是可以降低dv/dt和di/dt。

    通过与变频器中逆变电路连接的隔离驱动电路，及与半控整流电路连接三路SCR触发电路，来优化驱动电路。如图4所示。

 

图4  优化电路的变频器拓扑

其中图4的隔离驱动电路包括缓冲器和与缓冲器输出端连接的六路IGBT驱动电路，其原理是利用隔离驱动电路，分别独立驱动逆变电路中绝缘栅双极晶体管。对承担不同角色的绝缘栅双极晶体管，实行不同程度、不同时刻的智能化独立驱动与控制，避免了相互之间的驱动干扰，提高了带载能力且控制简单化，也同样避免了六路IGBT驱动电路之间的干扰性，从而避免电磁干扰的产生。

三路SCR触发电路其工作机理是：当三路SCR触发电路控制可控硅VT1、VT3、VT5处于断开状态时，软充电电路导通，对电容C1、C2进行预充电。充电完成时，检测母线电压合格后经延时一段时间，三路SCR触发电路触发可控硅VT1、VT3、VT5导通，此时充电电阻R1和充电二极管VD1被可控硅VT1、VT3、VT5短接，退出预充电状态，此时电容C1、C2开始充当滤波作用，故而切断电磁干扰的产生。

综上所述，通过改变电路拓扑和优化驱动电路，都能够较彻底的防治变频器产生电磁干扰。此两种新方法在理论上都有着很好的防治效果，但在具体实施过程中是否具有困难，这就需要我们去更多的实践。

7  结束语

通过对变频器电磁干扰问题的分析，分析传统方法应对电磁干扰存在的不足之处；阐述新的理论方法防治电磁干扰的可行性，随着新的技术理论不断涌出，对于我们彻底解决变频器电磁干扰有着至关重要的意义。希望这些新的技术理论，早日能够在变频器的应用中得以实现，进而彻底解决变频器电磁干扰问题。

参考文献：

[1]肖芳，孙力. 变频器电磁兼容与电磁干扰[J].电力电子, 2010（6）

[2]徐海平. 变频器驱动电路[P]. 2018（4）

[3]三相四桥臂逆变器的工作原理分析与控制[Z].电子电路_工程科技_专业资料,2018（6）