变频器周边控制回路的抗干扰优化措施

由于变频器主回路的非线性（进行开关动作），变频器本身就是谐波干扰源，而其周边控制回路却是小能量、弱信号回路，极易遭受其他装置产生的干扰，造成变频器自身和周边设备无法正常工作。因此，变频器在安装使用时，必须对控制回路采取抗干扰措施。

1.变频器与电动机的距离对系统的影响及防止措施

在工业使用现场，变频器与电动机安装的距离可以大致分为三种情况：远距离、中距离和近距离。20m以内为近距离，20～100m为中距离，100m以上为远距离。在变频器与电动机间的接线距离较长的场合，来自电缆的谐波漏电流会对变频器和周边设备产生不利影响。因此，为减少变频器的干扰，需要对变频器的载波频率进行调整。变频器的载波频率与接线距离关系见表3-8。

表3-8 变频器的载波频率与接线距离关系

在设计中总是希望把变频器安放在被控电动机的附近，但是，由于生产现场空间的限制，变频器和电动机之间往往要有一定距离。如果变频器和电动机之间为20m以内的近距离，电动机可与变频器直接连接；对于变频器和电动机之间为20～100m的中距离连接，需要调整变频器的载波频率来减少谐波及干扰；而对于变频器和电动机之间为100m以上的远距离连接，不但要适度降低载波频率，还要加装输出交流电抗器。

在高度自动化的工厂里，可以在中心控制室监控所有的控制设备，变频器系统的信号也要送到中心控制室，变频器的安装位置若在中心控制室，总控台与变频器之间可以直接连接，通过0～5/10V的电压信号和一些开关量信号进行控制。但是，变频器的高频开关信号的电磁辐射对弱电控制信号会产生一些干扰。如果变频器与中心控制室距离远一点，可以采用4～20mA的电流信号和一些开关量作控制信号；如果距离更远，可以采用RS-485串行通信方式来连接；若还要加长距离，可以利用通信中继达到1km的距离；如果采用光纤连接器，可以达到23km。采用通信电缆连接可以很方便地构成多级控制系统，从而实现主、从和同步控制等要求。与目前流行的现场总线系统相连接将使数据变换速率大大提高。中心控制室与变频器机柜之间的距离的延长，有利于缩短变频器到电动机之间的距离，以便用更加合理的布线改善系统性能。总之，安装变频器时，需要综合考虑中心控制室、变频器、电动机三者之间的距离，尽量减少电磁干扰的影响，以提高变频调速系统的稳定性。

2.变频器的基本控制回路

变频器同外部进行信号交流的基本回路有模拟与数字两种：

1）4～20mA电流信号回路（模拟）；1～5V/0～5V电压信号回路（模拟）。

2）开关信号回路，变频器的开停指令、正反转指令等（数字）。

外部控制指令信号通过上述基本回路输入变频器，同时干扰源也在其回路上产生干扰电动势，以控制电缆为媒体入侵变频器。

（1）干扰的基本类型及抗干扰措施

1）静电耦合干扰，指信号电缆与周围电气回路因静电耦合而在电缆中产生的电动势。抗静电耦合干扰的措施是：加大与干扰源电缆的距离，达到导体直径40倍以上，这样干扰程度就不大明显。在两电缆间设置屏蔽导体，再将屏蔽导体接地。

2）静电感应干扰，指周围电气回路产生的磁通变化在电缆中感应出的电动势，干扰的大小取决干扰源电缆产生的磁通大小，信号电缆形成的闭环面积和干扰源电缆与信号电缆间的相对角度。抗静电感应干扰的措施是：一般将信号电缆与主回路电缆或其他动力电缆分离敷设，分离距离通常在30cm以上（最低为10cm），分离困难时，将控制电缆穿钢管敷设。信号电缆采用双绞屏蔽电缆，信号电缆敷设的路径越短，抗干扰效果越好。

3）电波干扰，指信号电缆成为天线，由外来电波在电缆中产生电动势。抗电波干扰的措施是：同1）和2）所述。必要时将变频器进行电磁波屏蔽，屏蔽体要可靠接地。

4）接触不良干扰，指变频器信号电缆的连接点及继电器触点接触不良，电阻发生变化而在电缆中产生的干扰。抗接触不良干扰的措施是：对继电器触点接触不良，采用并联触点或镀金触点继电器或选用密封式继电器。对电缆连接点应定期检查并做好电气连接。

5）电源线传导干扰，指各种电气设备从同一电源系统获得供电时，由其他设备在电源系统直接产生干扰电动势。抗电源线传导干扰的措施是：变频调速系统的控制电源的输入侧装设线路滤波器或装设隔离变压器，且屏蔽接地。

6）接地干扰，指对于信号回路及任何不合理的接地均可诱发的各种意想不到的干扰，比如设置两个以上的接地点，接地处会产生电位差，产生干扰。抗接地干扰的措施是：速度给定信号电缆采取一点接地，接地线不作为信号的通路使用。电缆的接地在变频器侧进行，使用专设的接地端子，不与其他接地端子共用，并尽量减少接地端子引接点的接触电阻。

（2）其他注意事项

1）装有变频器的变频器柜应尽量远离大容量变压器和电动机，其控制电缆线路也应避开这些漏磁通大的设备。

2）信号电缆不要接近易产生电弧的断路器和接触器。

3）信号电缆应采用2.5mm²屏蔽绞合绝缘电缆。

4）屏蔽电缆的屏蔽要连续到电缆导体同样长，电缆在端子箱中连接时，屏蔽端子要互相连接。

3.变频器对微机控制板的干扰

在控制系统中，多采用计算机或PLC进行控制，在系统设计或者改造过程中，一定要注意变频器对计算机或PLC的干扰问题。变频器产生的传导和辐射干扰，往往导致系统工作异常，因此需要采取必要的措施。

1）良好的接地。电动机等强电控制系统的接地线必须通过接地汇流排可靠接地，计算机或PLC的屏蔽地，最好单独接地。对于某些干扰严重的场合，应将传感器、I/O接口屏蔽层与计算机或PLC的控制地相连。

(www.xing528.com)

图3-17 计算机或PLC的电源抗干扰措施

2）给计算机或PLC的电源加装电磁干扰滤波器、共模电感、高频磁环等。计算机或PLC的电源抗干扰措施如图3-17所示，采取这些措施可以有效抑制传导干扰。另外，在辐射干扰严重的场合，如周围存在GSM或者移动电话机站时，应对计算机或PLC添加金属网状屏蔽罩进行屏蔽处理。

3）对模拟传感器检测输入和模拟控制信号进行电气屏蔽和隔离。在变频调速系统的设计过程中，尽量不要采用模拟量控制，因为变频器一般都有多段速设定、开关频率量输入/输出，可以满足要求。如果非要用模拟量控制时，控制电缆必须采用屏蔽电缆，并在传感器侧或者变频器侧实现远端一点接地。如果干扰仍旧严重，可以采用标准的DC/DC模块，或者采用U/f转换、光耦隔离等方法。

4.变频器本身的抗干扰

（1）工作环境

当变频器的供电系统附近存在高频冲击负载，如电焊机、电镀电源、电解电源或者采用集电环供电的场合，变频器本身容易因为干扰而出现变频器保护误动作。变频器若在此种环境下工作必须采取如下措施：

1）在变频器输入侧设置由LC构成的滤波网络。

2）变频器的电源线直接从变压器低压侧独立供电。

3）在条件许可的情况下，可以采用单独的供电变压器。

4）在采用外部开关量控制端子控制时，连接线路较长时，传输线应采用屏蔽电缆。当控制线路与主回路电源均在地沟中埋设时，除控制线必须采用屏蔽电缆外，主电路线路必须采用钢管屏蔽穿线，以减小彼此的干扰，防止变频器的误动作。

5）在采用外部通信控制端子控制时采用屏蔽双绞线，并将变频器侧的屏蔽层接地（PE），如果干扰非常严重，应将屏蔽层接控制电源地（GND）。对于RS-232通信方式，传输线应不要超过15m，如果超过15m，将降低通信波特率，在100m左右时，能够正常通信的波特率小于600bit/s。对于RS-485通信方式，还必须考虑终端匹配电阻等。对于采用现场总线的高速控制系统，通信电缆必须采用专用电缆，并采用多点接地的方式，才能够提高可靠性。

（2）电动机的漏电、轴电压与轴承电流问题

变频器驱动感应电动机的电动机模型如图3-18所示，在图3-18中，C_sf为定子与机壳之间的等效电容，C_sr为定子与转子之间的等效电容，C_rf为转子与机壳之间的等效电容，R_b为轴承对轴的电阻，C_b和Z_b为轴承油膜的电容和非线性阻抗。在高频PWM脉冲输入下，电动机内分布电容的电压耦合作用构成系统共模回路，从而引起对地漏电流、轴电压与轴承电流等问题。

图3-18 变频器驱动感应电动机的电动机模型

漏电流主要是由三相供电电压及其瞬时不平衡电压与大地之间通过C_sf产生的，其值与du/dt及开关频率有关，其直接结果将导致漏电保护装置动作。另外，对于旧式电动机，由于其绝缘材料差，又经过长期运行老化，有些在经过变频改造后造成绝缘损坏。因此，必须进行绝缘的测试。对于用于变频电动机的绝缘要求要比标准电动机高出一个等级。

轴承电流主要以三种方式存在：du/dt电流、EDM（Electric Discharge Machining）电流和环路电流。轴电压的大小不仅与电动机内各部分耦合电容参数有关，还与脉冲电压上升时间和幅值有关。du/dt电流主要与PWM的上升时间t_r有关，t_r越小，du/dt电流的幅值越大；逆变器载波频率越高，轴承电流中的du/dt电流成分越多。EDM电流的出现存在一定的偶然性，只有当轴承润滑油层被击穿或者轴承内部发生接触时，存储在转子对地电容C_rf上的电荷（1/2C_rf×U_rf）通过轴承等效回路R_b、C_b和Z_b对地进行火花式放电，造成轴承光洁度下降，降低使用寿命，严重时造成直接损坏。损坏程度主要取决于轴电压和存储在转子对地电容C_rf上的电荷数量。

环路电流产生在电网变压器地线、变频器地线、电动机地线及电动机负载与大地地线之间的回路中。环路电流主要造成传导干扰和地线干扰，对变频器和电动机的影响不大。避免或者减小环流的方法就是尽可能减小地线回路的阻抗。由于变频器接地线（PE变频器）一般与电动机接地线（PE电动机）连接在一个点，因此，必须尽可能加粗电动机接地电缆线径，减小两者之间的电阻，同时变频器与电源之间的地线采用地线铜母排或者专用接地电缆，保证良好接地。对于潜水深井泵这样的负载，接地阻抗（Z₃）可能小于变压器（Z₁）与变频器（Z₂）接地阻抗之和，容易形成地环流。在变频器输出端串由电感、RC组成的正弦波滤波器是抑制轴电压与轴承电流的有效方法。

图3-19 输出和输入动力线上加装 F_IL1和FIL2磁环示意图

（3）变频器本身对外界辐射干扰的抑制

变频器本身对外界的辐射干扰可通过以下措施减轻：

1）为降低辐射干扰，在输出和输入动力线上加装F_IL1和F_IL2磁环，如图3-19所示，磁环属于共模抑制电抗器，或称零序电抗器，它对被穿过磁芯的几根导线上出现的瞬时相位和幅值不能抵消的干扰有抑制作用，而对被穿过磁芯的几根导线瞬时相加电磁场可完全抵消的干扰就不能抑制，也即对三相正弦波电流不起作用。就辐射干扰而言，共模干扰占大多数，所以磁环对辐射干扰抑制有效。

2）变频器的输入/输出动力线的布局要防止对周边设备的控制线有电磁场耦合，即要防止这些动力线与某条控制线平行捆扎在一起或过分靠近。

3）数字式测量仪器仪表的输入阻抗高、频率响应好，很容易受变频器本体和输入/输出动力线辐射干扰的影响，造成数字式测量仪器仪表显示乱跳或完全不能测量。因此，要求数字式测量仪器仪表远离变频器及变频器的输入/输出动力线。如远离不可能，应对数字式仪器仪表的本体、测量线进行屏蔽。屏蔽线的外套金属网不能两端接地，只能一端接地，接地端设在数字式仪器仪表侧，由此形成静电屏蔽。对数字式仪器或其他敏感仪器的抗干扰处理方法如图3-20所示。另外一种使用双绞线作为数字式仪器仪表的输入线，每绞间距不得大于1cm。干扰严重时可以综合采用多种措施：双绞线+屏蔽套、屏蔽箱、拉开距离、变频器输入/输出动力线加磁环、加电抗器等。

图3-20 对数字式仪器或其他敏感仪器的抗干扰处理方法