摘要:變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛，其干擾問題日益引起人們的重視。本文主要介紹了變頻器在力學(xué)環(huán)境試驗設(shè)備應(yīng)用系統(tǒng)中干擾產(chǎn)生的來源及其傳播途徑，提出了抗干擾的實際解決方法，闡述了在變頻器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計和安裝中抑制干擾的具體措施。
關(guān)鍵詞: 力學(xué)環(huán)境 變頻器 干擾 抑制
1.引言
隨著航天和航海開發(fā)事業(yè)的迅速發(fā)展，隨著電工電子產(chǎn)品在各個方面的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品所遇到的環(huán)境條件變得日益復(fù)雜和多樣。因此為保證產(chǎn)品在各種環(huán)境下的可靠性，對產(chǎn)品做力學(xué)環(huán)境試驗是十分必要的。那么，什么是環(huán)境條件呢？它是指產(chǎn)品經(jīng)受到周圍的各種氣候、化學(xué)、生物和物理的條件；通常由自然界出現(xiàn)的產(chǎn)品本身或者其他外部原因引起的環(huán)境因素綜合而成的。
環(huán)境條件屬于環(huán)境技術(shù)的范疇。環(huán)境技術(shù)包括了環(huán)境條件，產(chǎn)品在各種環(huán)境條件下的失效模式與失效機理，環(huán)境試驗，環(huán)境防護(hù)，環(huán)境測量及環(huán)境控制等內(nèi)容。環(huán)境技術(shù)是研究環(huán)境對產(chǎn)品性能的影響，分析產(chǎn)品失效的機理，為產(chǎn)品的可靠性設(shè)計和質(zhì)量保證提供環(huán)境條件的數(shù)據(jù)，提出相應(yīng)的環(huán)境實驗方法，平定了產(chǎn)品對環(huán)境的適應(yīng)能力以及針對產(chǎn)品所處的特殊需要，研究相對應(yīng)的環(huán)境防護(hù)技術(shù)和環(huán)境控制技術(shù)等。環(huán)境試驗只是環(huán)境技術(shù)的一個重要組成部分，它是考核各種環(huán)境條件下的對產(chǎn)品的作用和影響；是將產(chǎn)品暴露在自然的或人工的環(huán)境條件下經(jīng)受起作用，以評價產(chǎn)品在實際使用，運輸和儲存的環(huán)境條件下的性能，并分析研究環(huán)境因素的影響程度及其作用機理。在經(jīng)濟技術(shù)高速發(fā)展的今天，國內(nèi)外力學(xué)環(huán)境試驗方法標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定力學(xué)環(huán)境試驗有多種。力學(xué)環(huán)境試驗設(shè)備的控制系統(tǒng)大多數(shù)是通過改變變頻器的輸出頻率的變化來控制交流電機的轉(zhuǎn)速來達(dá)到試驗的目的。
變頻器調(diào)速技術(shù)是集自動控制、微電子、電力電子、通信等技術(shù)于一體的高科技技術(shù)。它以很好的調(diào)速、節(jié)能性能，在各行各業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。由于其采用軟啟動，可以減少設(shè)備和電機的機械沖擊，延長設(shè)備和電機的使用壽命。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，變頻器以其具有節(jié)電、節(jié)能、可靠、高效的特性應(yīng)用到了工業(yè)控制的各個領(lǐng)域中，如變頻調(diào)速在力學(xué)環(huán)境試驗設(shè)備方面的應(yīng)用，保證了調(diào)節(jié)精度，減輕了工人的勞動強度，提高了經(jīng)濟效益，但隨之也帶來了一些干擾問題�，F(xiàn)場的供電和用電設(shè)備會對變頻器產(chǎn)生影響，變頻器運行時產(chǎn)生的高次諧波也會干擾周圍設(shè)備的運行。變頻器對計算機和自動控制裝置等電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾主要是感應(yīng)干擾。如果變頻器的干擾問題解決不好，不但系統(tǒng)無法可靠運行，還會影響其他電子、電氣設(shè)備的正常工作。因此有必要對變頻器應(yīng)用系統(tǒng)中的干擾問題進(jìn)行探討，以促進(jìn)其進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。下面主要討論變頻器的干擾及其抑制方法。
2.變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要電磁干擾源及途徑
2.1.主要電磁干擾源及其危害
電磁干擾也稱電磁騷擾（EMI），是以外部噪聲和無用信號在接收中所造成的電磁干擾，通常是通過電路傳導(dǎo)和以場的形式傳播的。變頻器的整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)來說是非線性負(fù)載，它所產(chǎn)生的諧波會對同一電網(wǎng)的其他電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾。如下圖一所示：
另外，變頻器的逆變器大多采用PWM技術(shù)，當(dāng)其工作于開關(guān)模式并作高速切換時，產(chǎn)生大量耦合性噪聲。因此，變頻器對系統(tǒng)內(nèi)其他的電子、電氣設(shè)備來說是一個電磁干擾源。另一方面，電網(wǎng)中的諧波干擾主要通過變頻器的供電電源干擾變頻器。電網(wǎng)中存在大量諧波源，如各種整流設(shè)備、交直流互換設(shè)備、電子電壓調(diào)整設(shè)備、非線性負(fù)載及照明設(shè)備等。這些負(fù)荷都使電網(wǎng)中的電壓、電流產(chǎn)生波形畸變，從而對電網(wǎng)中其他設(shè)備產(chǎn)生危害的干擾。變頻器的供電電源受到來自被污染的交流電網(wǎng)的干擾后，若不加以處理，電網(wǎng)噪聲就會通過電網(wǎng)電源電路干擾變頻器。供電電源對變頻器的干擾主要有過壓、欠壓、瞬時掉電；浪涌、跌落；尖峰電壓脈沖；射頻干擾。如圖二-----圖七所示：
（1）高次諧波
（2）整流橋保護(hù)
（4）搞次諧波原則
（5）變頻器漏電流
上述的漏電流路線內(nèi)
①～③：漏電斷路器的誤動作
②、③：電機斷路器的過熱
圖六
其次，共模干擾通過變頻器的控制信號線也會干擾變頻器的正常工作。如圖七所示：
2.2電磁干擾的途徑
變頻器能產(chǎn)生功率較大的諧波，對系統(tǒng)其他設(shè)備干擾性較強。其干擾途徑與一般電磁干擾途徑是一致的，主要分電磁輻射、傳導(dǎo)、感應(yīng)耦合。具體為：①對周圍的電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射；②對直接驅(qū)動的電動機產(chǎn)生電磁噪聲，使得電動機鐵耗和銅耗增加，并傳導(dǎo)干擾到電源，通過配電網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)給系統(tǒng)其他設(shè)備；③變頻器對相鄰的其他線路產(chǎn)生感應(yīng)耦合，感應(yīng)出干擾電壓或電流。同樣，系統(tǒng)內(nèi)的干擾信號通過相同的途徑干擾變頻器的正常工作。下面分別加以分析。
（1）電磁輻射
變頻器如果不是處在一個全封閉的金屬外殼內(nèi)，它就可以通過空間向外輻射電磁波。其輻射場強取決于干擾源的電流強度、裝置的等效輻射阻抗以及干擾源的發(fā)射頻率。變頻器的整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)來說是非線性負(fù)載，它所產(chǎn)生的諧波對接入同一電網(wǎng)的其它電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾。變頻器的逆變橋大多采用PWM技術(shù)，當(dāng)根據(jù)給定頻率和幅值指令產(chǎn)生預(yù)期的和重復(fù)的開關(guān)模式時，其輸出的電壓和電流的功率譜是離散的，并且?guī)в信c開關(guān)頻率相應(yīng)的高次諧波群。高載波頻率和場控開關(guān)器件的高速切換（dv/dt可達(dá)1kV/μs以上）所引起的輻射干擾問題相當(dāng)突出。
當(dāng)變頻器的金屬外殼帶有縫隙或孔洞，則輻射強度與干擾信號的波長有關(guān)，當(dāng)孔洞的大小與電磁波的波長接近時，會形成干擾輻射源向四周輻射。而輻射場中的金屬物體還可能形成二次輻射。同樣，變頻器外部的輻射也會干擾變頻器的正常工作。
（2）傳導(dǎo)
上述的電磁干擾除了通過與其相連的導(dǎo)線向外部發(fā)射，也可以通過阻抗耦合或接地回路耦合將干擾帶入其它電路。與輻射干擾相比，其傳播的路程可以很遠(yuǎn)。比較典型的傳播途徑是：接自工業(yè)低壓網(wǎng)絡(luò)的變頻器所產(chǎn)生的干擾信號將沿著配電變壓器進(jìn)入中壓網(wǎng)絡(luò)，并沿著其它的配電變壓器最終又進(jìn)入民用低壓配電網(wǎng)絡(luò)，使接自民用配電母線的電氣設(shè)備成為遠(yuǎn)程的受害者。
（3）感應(yīng)耦合
感應(yīng)耦合是介于輻射與傳導(dǎo)之間的第三條傳播途徑。當(dāng)干擾源的頻率較低時，干擾的電磁波輻射能力相當(dāng)有限，而該干擾源又不直接與其它導(dǎo)體連接，但此時的電磁干擾能量可以通過變頻器的輸入、輸出導(dǎo)線與其相鄰的其他導(dǎo)線或?qū)w產(chǎn)生感應(yīng)耦合，在鄰近導(dǎo)線或?qū)w內(nèi)感應(yīng)出干擾電流或電壓。感應(yīng)耦合可以由導(dǎo)體間的電容耦合的形式出現(xiàn)，也可以由電感耦合的形式或電容、電感混合的形式出現(xiàn)，這與干擾源的頻率以及與相鄰導(dǎo)體的距離等因素有關(guān)。
3.抗電磁干擾的措施
據(jù)電磁性的基本原理，形成電磁干擾（EMI）須具備電磁干擾源、電磁干擾途徑、對電磁干擾敏感的系統(tǒng)等三個要素。為防止干擾，可采用硬件和軟件的抗干擾措施。其中，硬件抗干擾是最基本和最重要的抗干擾措施，一般從抗和防兩方面入手來抑制干擾，其總原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道、降低系統(tǒng)對干擾信號的敏感性。具體措施在工程上可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。
（1）隔離
所謂干擾的隔離是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，使它們不發(fā)生電的聯(lián)系。在變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)中，通常是在電源和放大器電路之間的電源線上采用隔離變壓器以免傳導(dǎo)干擾，電源隔離變壓器可應(yīng)用噪聲隔離變壓器。
（2）濾波
設(shè)置濾波器的作用是為了抑制干擾信號從變頻器通過電源線傳導(dǎo)干擾到電源及電動機。為減少電磁噪聲和損耗，在變頻器輸出側(cè)可設(shè)置輸出濾波器。為減少對電源的干擾，可在變頻器輸入側(cè)設(shè)置輸入濾波器。若線路中有敏感電子設(shè)備，可在電源線上設(shè)置電源噪聲濾波器，以免傳導(dǎo)干擾。
（3）屏蔽
屏蔽干擾源是抑制干擾的最有效的方法。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽，不讓其電磁干擾泄漏。輸出線最好用鋼管屏蔽，特別是以外部信號控制變頻器時，要求信號線盡可能短（一般為20m以內(nèi)），且信號線采用雙芯屏蔽，并與主電路及控制回路完全分離，不能放于同一配管或線槽內(nèi)，周圍電子敏感設(shè)備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。
（4）接地
實踐證明，接地往往是抑制噪聲和防止干擾的重要手段。良好的接地方式可在很大程度上抑制內(nèi)部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。變頻器的接地方式有多點接地、一點接地及經(jīng)母線接地等幾種形式，要根據(jù)具體情況采用，要注意不要因為接地不良而對設(shè)備產(chǎn)生干擾。
單點接地指在一個電路或裝置中，只有一個物理點定義為接地點。在低頻下的性能好；多點接地是指裝置中的各個接地點都直接接到距它最近的接地點。在高頻下的性能好；混合接地是根據(jù)信號頻率和接地線長度，系統(tǒng)采用單點接地和多點接地共用的方式。變頻器本身有專用接地端子PE端，從安全和降低噪聲的需要出發(fā)，必須接地。既不能將地線接在電器設(shè)備的外殼上，也不能接在零線上。可用較粗的短線一端接到接地端子PE端，另一端與接地極相連，接地電阻取值<100Ω，接地線長度在20m以內(nèi)，并注意合理選擇接地極的位置。當(dāng)系統(tǒng)的抗干擾能力要求較高時，為減少對電源的干擾，在電源輸入端可加裝電源濾波器。為抑制變頻器輸入側(cè)的諧波電流，改善功率因數(shù)，可在變頻器輸入端加裝交流電抗器，選用與否可視電源變壓器與變頻器容量的匹配情況及電網(wǎng)允許的畸變程度而定，一般情況下采用為好。為改善變頻器輸出電流，減少電動機噪聲，可在變頻器輸出端加裝交流電抗器。圖八為一般變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)抗共模噪聲干擾所采取措施框圖。
4.結(jié)束語
通過變頻器長期在力學(xué)環(huán)境試驗設(shè)備應(yīng)用的經(jīng)驗總結(jié)，提出了相應(yīng)的抗電磁干擾、靜電干擾、工頻干擾的措施，并根據(jù)本單位的實際情況進(jìn)行測試、試驗和分析，作出了相應(yīng)的抗干擾措施，保證了設(shè)備的安全正常運行。供試驗設(shè)計技術(shù)人員參考。
