变频器电气干扰原因分析和预防对策

作 者：希望森兰科技股份有限公司 蔡士齐

1 引言

通用变频器由于电力设备和控制技术的发展，正在不断地开发出新的产品，它促进了工业的自动化、工艺的合理性和节能的需要，同时也使工业电动机对变频器需求量迅速地扩大，工业机械产品也由此取得的高附加值。两者相互结合相互促进，获得了惊人的发展。

如此方便实用的变频器，随着安装台数的增加和使用在人们居住和工作地方附近，出现了对周围的电子机器（或称为电子设备）的电气干扰，造成这些机器的故障，还有电动机产生的振动噪音也成了严重问题。有关振动噪音问题正的解决，一些厂家设法采用10khz以上的高载波频率pwm技术，做成低噪音类型的变频器去克服振动噪音。但对于电气干扰（或称为电气噪音）应该从包括变频器在内的整个装置系统来进行讨论和预防。然而，根据安装条件的具体不同，周围机器受到干扰的影响程度也有所不同。

本文关于变频器的干扰问题作出有关产生原理、具体对策和预防方法的解说。并在本文后面，推荐了预防干扰的具体对策例子。

2 什么是干扰

关于变频器发生的干扰，其发生原理及对易受干扰机器的的影响，叙述如下：

2.1 变频器为何产生干扰

图1是变频器的基本电路图。它是一种先用整流器把交流电变为直流电（正向变换），再用逆变器的6个大功率半导体开关器件，按照pwm控制方式，把直流电变为三相可变电压和频率的交流电(反向变换)的装置，最后输出给交流电动机做变速控制。

图1 变频器的基本电路图

由于这个6个大功率半导体开关的高速的开通或关断，就发生了干扰（电气噪音）。高速的开通和关断，每开关一次就经由在逆变器的输入输出电线和电动机与大地间的寄生分布电容 c 输出了干扰电流。这个干扰电流的大小是：

i =c×dv/dt它与寄生分布电容c和半导体的开关速度dv/dt有关系。这个干扰电流还与每个半导体开通和关断电流的载波频率也有关。

除了变频器中的逆变器产生干扰之外，在变频器控制电路的开关电源，即dc/dc变换器，也由于晶体管的开关动作，成为发生干扰的根源之一。

这些干扰的频带范围在数十mhz，对am（调幅）无线电收音机、工厂无线电话等通讯工具或机器会造成干扰影响。 2.2 干扰的种类

变频器发生的干扰，通过主电路的线路被传播到电源方向及电动机方向，使得从电源变压器一直到电动机的宽广的范围内造成干扰影响。干扰的传播途径，如图2所示到处都有。大致区分的话，分成传导干扰，感应干扰，辐射干扰3个途径。图2中①～③传导干扰、④感应干扰，⑤是辐射干扰。对此，下面作详细说明。

图2 干扰的传播路径

(1) 传导干扰

在变频器内发生的干扰，顺着导体传递给周围的机器，造成的影响是传导干扰。它分别是：图3中的①经由主回路传输到电源的传递。还有，如果共同连接到同一地线，有经由②的传递途径。再有像③那样，经由传感器的信号线和屏蔽线的传导干扰途径。

图3 传导干扰

(2) 感应干扰

干扰电流流动到变频器的输入和输出的电线上，该电线如靠近周围设备的电线或信号线时，通过电磁感应（图4）和静电感应（图5），在周围设备的电线和信号线里感应出干扰电势。这属于感应干扰。

图4 磁感应干扰

图5 静电感应干扰

(3) 辐射干扰

在逆变器内发生的干扰，经由输入和输出的主回路电线，以无线电地线和天线方式向空中发射，造成对周围设备和对广播、无线通讯设备的影响，在图6中⑤是辐射干扰。辐射干扰不仅发源于变频器的线路，而且电动机的安装座或框架、逆变器的安装柜等也都可能成为像发射天线一样的发射源。

图6 辐射干扰

3 变频器对电子机器和同一系统其他机器造成的影响

变频器迅速地在各应用领域扩大使用，它的影响已必须把它和被设置的电子机器以一个系统来作考虑，研究它和消除它的对策介绍如下。(详细请见4.3节)3.1 对am(调幅)无线电的影响

(1) 变频器一运转，就对附近am无线电发生像加入噪音似干扰影响 (注：对fm（调频）无线电，电视几乎不带来影响)；

(2) 应认为从变频器发射的干扰，这时已被无线电接收到了；

(3) 对变频器的电源端设置的抗干扰滤波器等，发觉改善较为有效。

3.2 对电话的影响

(1) 变频器一运转，电话通话就中断，杂音就进入，电话内容变得难以听见；

(2) 应认为变频器及电动机发出的高频泄漏电流，由电话电缆或屏蔽线进入电话网络，引起干扰噪音；

(3) 如果把电动机的接地端，接到逆变器的接地终端的话，发觉会有效地消除噪音。

3.3 对压力传感器的影响

(1) 如果变频器一运转，会发生压力传感器误动作的情况；

(2) 应认为干扰通过地线侵入压力传感器信号线的可能；

(3) 如果对变频器的电源侧设置干扰滤波器，并且把输入输出电线和接地线与压力传感器的控制电路引线分离开，这种做法可能会表现出消除有效。

3.4 对位置检测器（脉冲编码器）的影响

(1) 如果变频器一运转，脉冲编码器就发生错误动作，发生停止位置的偏差；

(2) 当电动机的动力线和编码器信号线一起被包捆状况时，这种干扰变得容易发生；

(3) 如果把动力线和编码器的信号线分离，能够降低感应干扰、辐射干扰的影响。再有，变频器的输入输出端设置抗干扰滤波器，这样的对策也有效果。

3.5 对接近开关的影响

(1) 变频器一运转，出现电容式接近开关误动作；

(2) 应认为电容式接近开关存在耐干扰容限低的问题；

(3) 如果把变频器的输入端连接到滤波器上，把接近开关的电源的0v一侧通过电容器接地，这样的处理会有效果。另外，更换电磁式等干扰容限高的接近开关，也可作为对策。

4 对变频器产生干扰的对策

有关干扰的对策，当然需要重视效果较为显著。可是，最好能有恰当对应策略和用简单的手段就能解决，所以要根据干扰的严重程度和设备状况来实施既经济又优良的对策。

4.1 事前的处理

当安装变频器，或安装变频器到柜体内去的时侯，关心干扰是事前要做的重要事情。一旦干扰引起故障或发生停机，为解决这复杂麻烦问题，必然会付出机械上、材料上、时间上大量的费用。 所以要对干扰问题做一下事前处理：

(1)分离主电路和控制电路的线路；

(2)把主电路线路，用金属管收纳；

(3)控制电路采用屏蔽线、双绞线等；

(4)正确的实施接地工程和接地接线。

实施以上诸措施后，可以避免一大半的干扰困扰。

4.2 对策的具体办法

有关干扰的对策，有根据传播路径的处理方法，和针对受到干扰机器的处理方法。而基本的对策是用于受干扰影响的一侧的机器。

(1) 先实施主电路及控制电路的线路分开的措施，干扰的影响会减小。再处理干扰发生侧的机器；

(2) 设置干扰抑制滤波器等，使干扰的水平下降；

(3) 采用金属布线管，金属制控制柜等，使干扰被屏蔽；

(4) 采用电源用隔离变压器等，阻断干扰的传播途径。

表1整理了采用上述的防止干扰方法，表中描述对策的目标和形成干扰的传播路径等。

表1 变频器干扰的防止对策

4.2.1布线和接地

无论在变频器的控制柜内部或外部，主电路及控制电路的布线应尽可能地分离，控制电路的线路采用屏蔽线、双绞线等干扰难侵入的电线，同时，线路距离应最短（参照图7）。不用说主电路线路及控制电路的线路是成束的导线，如不得不平行布线，需如图中所示用屏蔽板隔开，避免感应。

图7 线路分离的办法

主回路的布线，因采用金属布线管，管体接地线的措施，防止干扰的传播（参照图8）。

图8 金属布线管的接地

屏蔽线的屏蔽层，原则上以一点接到控制电路的基准地(com)上，避免多点接地形成环流（参照图9）。

图9 屏蔽线的处理

接地的作用，不用说是为了防止漏电引起触电，但当有干扰的侵入时，也有防止发射的效果。接地工程，按照主电路电压有c种接地工程(ac300v～600v)和d种接地工程(ac300v以下)。各接地布线，有采用专用接地，也有接地点分别设置的做法。

4.2.2 控制柜

安装变频器的控制柜，一般是金属制、这个金属箱的设计要能够屏蔽来自变频器本身的辐射干扰。另外，在同一控制柜内要设置可编程控制器（plc）等别的电子机器的时候，需十分注意各机器之间的配置。根据柜内情况，应设置变频器主体和外围机器之间的屏蔽板。

4.2.3 解决干扰用的电器设备

要降低电路传输的干扰和从主回路布线空间传播的干扰，应采用线路滤波器和隔离变压器（参照图10）。

图10 各种滤波器及接法

线路滤波器有两种简易滤波器，分别是：与电源线并联的电容性滤波器、串联接入电网的电感性滤波器。还有为了干扰的正式滤波器（lc 滤波器），应该按照最终降低干扰效果而灵活地运用。

隔离变压器有一般的隔离变压器和屏蔽隔离变压器等，他们阻止噪声传递的效果也不相同。

4.2.4 受到干扰一侧的处理

与变频器一同装在控制柜内并位于变频器旁边的电子机器，强化它自身的耐干扰特性也是非常重要的事情。对于这些的机器的控制电路布线，使用线路滤波器、屏蔽线或双绞线，这些都用以阻止干扰的侵入，同时还要做以下的处理：

(1) 在信号回路的输入输出端子上，并联接上电容器或电阻器，使得呈现很低电路阻抗；

(2) 信号回路里串联插入扼流线圈，有孔铁氧体磁心等，使得对干扰产生高阻抗。

同时，把信号基准线（0v线）采用很粗的接地线，也是有效应对干扰方法。

4.2.5 其他

传导干扰的电平，根据变频器的载波频率也跟着变化，载波频率越高，必然引起干扰电平也越高。

对载波频率可调整的变频器，驱动的时候兼顾电动机噪音水平，降低一些载波频率，也可能降低干扰的发生。

4.3 具体例子

表2是表示根据变频器运转发生的干扰，为造成具体故障后，做出对策的例子。表3至表4为续。

表2 干扰现象、原因、对策的具体例子

表3 干扰现象、原因、对策的具体例子(续1)

表4 干扰现象、原因、对策的具体例子(续2)

作者简介

蔡士齐 总工程师，现就职于希望森兰科技股份有限公司，负责应用项目的开发及管理。

参考文献

[1] インバータの上手な使い方（電気ノイズ予防対策について）. 日本電機工業会jema,平成20年12月.