变频调速系统中的抗电磁干扰优化策略

根据电磁学的基本原理，形成电磁干扰需具备三要素：电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统。为防止干扰，可采用硬件抗干扰和软件抗干扰措施。其中，硬件抗干扰是最基本和最重要的抗干扰措施，一般从抗和防两方面入手来抑制干扰，总的原则是抑制和消除干扰源、切断干扰对系统的耦合通道、降低系统对干扰信号的敏感性。

在一般功率晶体管应用的时代，只要在设备本身采取一定的抗干扰措施即可解决干扰问题。但现代变频器由于所用的IGBT的载波频率高达3～12kHz，使过去仅考虑谐波的影响是不行的，还必须从配电工程和接地等方面消除高频的干扰。在工业现场中，必须采取适当的措施降低干扰，把干扰抑制在允许的范围内。具体的抗干扰措施在工程上可采用隔离、滤波、屏蔽、接地等方法。

1.隔离

所谓干扰隔离，是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系。在变频调速传动系统中应采用的隔离措施主要有：

1）使所有的信号线很好地绝缘，使其不漏电，这样可防止由于接触而引入的干扰。

2）将不同种类的信号线隔离铺设（不在同一电缆槽中或在同一电缆槽中用隔板隔开），可以根据信号的不同类型将其按抗噪声干扰的能力分类敷设。

3）模拟量信号（模入、模出，特别是低电平的模入信号如热电偶信号、热电阻信号等）对高频脉冲信号的抗干扰能力是很差的，应采用屏蔽双绞线连接，且这些信号线必须单独采用电线管或电缆槽敷设，不可与其他信号在同一电缆管（或槽）中走线。

4）低电平的开关信号（一些状态干结点信号）、数据通信线路（RS-232、EIA485等）对低频的脉冲信号的抗干扰能力比模拟量信号要强，但也要采用屏蔽双绞线（至少用双绞线）传输。此类信号也要单独走线，不可和动力线或大负载信号线在一起平行走线。

5）高电平（或大电流）的开关量输入/输出及其他继电器输入/输出信号的抗干扰能力又强于以上两种，但这些信号会干扰别的信号，因此采用双绞线传输，也要用单独电缆管或电缆槽敷设。

6）系统的控制电源应采用隔离变压器供电，以免传导干扰，电源隔离变压器的屏蔽层要可靠接地。

还有一种隔离是将信号源同变频器在电气上进行隔离，这样会大大地减小共模干扰对变频调速系统造成的危害。采用隔离放大器将外部信号输入端与变频器信号输入端完全隔离（有的系统中采用隔离变压器或继电器等方式隔离，对开关量则可以采用光电器件或继电器进行隔离）。

2.屏蔽

屏蔽就是用金属导体，把被屏蔽的元件、组合件、信号线包围起来。这种方法对电容性耦合噪声的抑制效果很好。最常见的就是用屏蔽双绞线传输模拟信号，但在很多场合下，信号除了受到电噪声的干扰以外，主要还受到强交变磁场的影响，除了要考虑电气屏蔽以外，还要考虑磁屏蔽，即考虑用铁、镍等导磁性能好的导体进行屏蔽。

用双绞线代替两根平行导线是抑制磁场干扰的有效办法，双绞线的每个小绞纽环中都会通过交变的磁通，而这些变化的磁通会在周围的导体中产生电动势，由电磁感应定律决定了相邻绞纽环中在同一导体上产生的电动势方向相反，相互抵消，这对电磁干扰起到了较好的抑制作用。

屏蔽电场耦合干扰时，导线的屏蔽层最好不要两端连接当地线使用。因为在有地环电流时，将在屏蔽层形成磁场，干扰被屏蔽的导线，正确的做法是把屏蔽层单点接地。

造成电场耦合干扰的原因是两根导线之间的分布电容产生的耦合，当两导线形成电场耦合干扰时，导线1在导线2上产生的对地干扰电压U_N为

式中，U₁和ω是干扰源导线1的电压和角频率；R和C_2G是被干扰导线2的对地负载电阻和总电容；C₁₂是导线1和导线2之间的分布电容，通常C₁₂<<C_2G。

可以看出，在干扰源的角频率ω不变时，要想降低导线2上的被干扰电压U_N，应当减小导线1的电压U₁，减小两导线之间的分布电容C₁₂，减小导线2对地负载电阻R以及增大导线2对地的总电容C_2G。在这些措施中，可操作性最好的是减小两导线之间的分布电容C₁₂，即采用远离技术：弱信号线要远离强信号线敷设，尤其是远离动力线路。工程上的“远离”概念，通常取干扰导线直径的40倍，即认为足够了。同时，避免平行走线也可以减小C₁₂。

抑制磁场耦合干扰的好办法应该是屏蔽干扰源，在工程上通常是采用一些被动的抑制技术。当回路1给回路2造成磁场耦合干扰时，其在回路2上形成的串联干扰电压U_N为

式中，ω为干扰信号的角频率；B为干扰源回路1形成的磁场链接至回路2处的磁通密度；A为回路2感受磁场感应的闭合面积；θ是B和A两个矢量的夹角。

可以看出，在干扰源的角频率ω不变时，要想降低干扰电压U_N，首先应当减小B。对于直线电流磁场来说，与回路1流过的电流成正比，而与两导线的距离成反比。因此，要有效抑制磁场耦合干扰，仍然是远离技术。同时，也要避免平行走线。

（1）屏蔽线的使用

图3-8示出了屏蔽线的三种用法。图3⁃8a是单端接地方式。假设信号电流i₁从芯线流入屏蔽线，流过负载电阻R_L之后，再通过屏蔽层返回信号源。因为i₁与i₂大小相等方向相反，所以它们产生的磁场干扰相互抵消。这是一个很好的抑制磁场干扰的措施，同时它也是一个很好的抵制磁场耦合干扰的措施。图3-8b是两端接地方式。由于屏蔽层上流过的电流是i₂与地环电流i_G的叠加，所以它不能完全抵消信号电流所产生的磁场干扰。因此，它抑制磁场耦合干扰的能力比图3-8a差。图3-8c是屏蔽层不接地，因此，它只有屏蔽电场耦合干扰的能力，而无抑制磁场耦合干扰的能力。

如果把图3-8c的抑制磁场干扰衰减能力定为0dB，当图3-8a、图3-8b、图3-18c的信号源内阻R_S都为100Ω，负载电阻R_L都为1MΩ，信号源频率在50kHz时，根据实验测定，图3-8a具有80dB的衰减，即抑制磁场干扰能力很强，而图3-8b具有27dB的磁场干扰抑制能力。图3-8a的单端接地方式抗干扰能力最好。其接地点的选择可以是图3-8a中的情况，也可以选择负载电阻R_L侧接地，而让信号源浮置。

图3-8 屏蔽线的用法

单端接地 b）两端接地 c）屏蔽层不接地

（2）双绞线的使用

双绞线的绞扭节距把式（3-8）中的A回路分隔成许多的小回路，如果双绞线的绞扭一致，那么这些小a）回路的面积相等而法线方向相反，因此，其磁场干扰可以相互抵消。双绞线的结构对电场耦合干扰的抑制毫无能力。图3-9示出了双绞线的用法及其抗磁场耦合干扰的能力。如果每2.54cm扭6个均匀绞扭，当图3-9的信号源内阻R_S都为100Ω，负载电阻R_L都为1MΩ，信号源频率在50kHz时，根据实验测定，图3-9a采用单端接地方式，因此对磁场干扰具有高达55dB的衰减能力。可见，双绞线确实有很好的效果。而图3-9b由于两端接地，地线阻抗与信号线阻抗不对称，地环电流造成了双绞线电流不平衡，因此降低了双绞线抗磁场干扰的能力，只有13dB的磁场干扰衰减能力。图3-9c使用屏蔽双绞线，由于其屏蔽层一端接地，另一端悬空，因此屏蔽层上没有返回信号电流，所以它的屏蔽层只有抗电场干扰的能力，而无抑制磁场耦合干扰的能力。所以图3-9c的dB数与图3-9a一样具有55dB的衰减能力。图3-9d的屏蔽层单端接地，而另一端又与负载冷端相连，因此它具有图3-9a的效果，但它的屏蔽层上的电流由于被双绞线中的一根分流，又比图3-9a稍差，具有77dB的衰减能力。图3-9e的屏蔽层双端接地，具有一定的抑制磁场耦合干扰的能力，加上双绞线本身的作用，因此具有63dB的衰减能力。图3-9f的屏蔽层和双绞线都两端接地，因此其效果只是比图3-9b稍好，具有28dB的衰减能力。

双绞线最好的应用是作平衡式传输线路。因为两条线的阻抗一样，自身产生的磁场干扰或外部磁场干扰都可以较好的抵消。同时，平衡式传输又具有很强的抗共模干扰能力，因此成为大多数通信网络的传输线。例如，物理层采用RS-422A或RS-485通信接口，就是很好的平衡传输模式。(www.xing528.com)

（3）通信线屏蔽接地

在采用上位机PC/PLC通过RS-232/485与变频器通信时，由于变频器通信控制信号一般低于100kHz，所以一般不用带状电缆，而采用屏蔽电缆或者双绞线。但是，在实际应用过程中，由于接地不当，经常出现接地比不接地通信误码率高的现象。据有关资料和实践证明，在通信速率低于100kHz时，选用一点接地效果较好，对于采用Profibus、Modbus总线控制的高速率通信控制电缆的屏蔽层应该选用多点接地，最少也应该两端接地，在通信线路较长时在网络的终端加终端匹配电阻等抗干扰措施。对于电缆的多点接地，可以减少屏蔽层的静电耦合。另外，还有一个根据传输信号的波长来判别接地方式的参考标准。以传输信号的波长λ的1/4为界，通信传输线长度小于λ/4时采用一点接地；长度大于λ/4时，由于屏蔽层也能起到天线作用，应采用多点接地，在多点接地时，最理想的情况是每隔0.05λ～0.1λ有一个接地点。

另外，在传输上升、下降沿非常陡峭的信号时，也应实施多点接地。如果从干扰角度讲，低频干扰严重时应采用屏蔽单点接地；在高频干扰情况下要多点接地，同时在通信电缆中提供一根等电位线将各节点的通信地串起来，以提高抗干扰能力。

图3-9 双绞线的用法及其抗磁场耦合干扰能力

（4）传感器信号屏蔽接地问题

在高精度快速响应的变频调速系统中，一般要安装速度传感器（如脉冲编码器、旋转变压器）来进行速度或位置闭环，或者在生产线和设备上安装压力、温度、张力、线速度等检测传感器。这些传感器的一个共同特点是：为了提高抗干扰能力，信号线均采用屏蔽线，而且屏蔽线在传感器内部与传感器壳体接在一起。当传感器安装在电动机、管道或者生产线上时，屏蔽层就与这些设备相连接，而在传感器与变频器或其他控制设备连接时，屏蔽层又连接至PE端子。如果此时变频器或外部设备接地不良，就会出现通过屏蔽层接地的情况，形成对地电流I_E，对系统工作的可靠性产生很大的影响，严重时，系统将无法工作。因此，在采用外部传感器的闭环控制系统中，距离较远时，一定要保证外部设备和变频器的可靠独立接地，或者选用传感器外壳不与控制屏蔽层连接的传感器，在变频器侧实施一点接地；距离较近时，可采用公共接地母排接地，保证传感器与变频器接地点之间的电位差近似为零，从而消除地环流形成的干扰。

（5）模拟信号屏蔽层接地

实践证明，双绞线或双绞屏蔽线对磁场的屏蔽效果明显优于单芯屏蔽线，对于采用标准4～20mA/0～10V/1～5V模拟信号控制的变频调速系统，必须采用双绞线或屏蔽电缆。由于模拟信号频带较窄，应将控制装置和变频器之间的信号电缆在线路对地分布电容大的一端接地，这样能够减少信号电缆对地分布电容的影响。在实际的系统中，一般在信号电缆数量多的控制装置一侧接地。另外，对于抗干扰要求非常高的场合，可采用双重静电屏蔽电缆，此时，外屏蔽层接至屏蔽地线，内屏蔽层接至系统地线。系统地线可以是变频器外部控制隔离地、模拟控制地，或者是系统独立的接地线。对于共模干扰严重的场合，可通过添加共模电感来消除共模干扰，也可采用DC/DC隔离模块来实现电气隔离，杜绝干扰。

3.接地

接地的作用总的概括起来有两个：保护人和设备不受损害的保护接地和为抑制电磁干扰的接地，在有的书中又叫工作接地。变频调速系统的接地通常有以下几类。

（1）保护接地

保护接地是将变频调速系统中平时不带电的金属部分（机柜外壳、操作台外壳等）与地之间形成良好的电气连接，以保护设备和人身安全。通常情况下变频器外壳等是不带电的，当故障发生（如主机电源故障或其他故障）造成电源的供电相线与外壳等导电金属部件短路时，这些金属部件或外壳就形成了带电体，如果没有很好的接地，那么这个带电体和地之间就有很高的电位差，如果人不小心触到这些带电体，就会通过人身形成通路，造成危险。因此，必须将金属外壳和地之间做很好的电气连接，使机壳和地等电位。此外，保护接地还可以防止静电的积聚。

变频调速系统的所有设备均有一个保护地，该保护地一般在机柜和其他设备设计加工时就已在内部接好，有的系统中已将该保护地在内部同电源进线的保护地连在一起，有的不允许将保护地同该线相连，应用中一定要仔细阅读厂家提供的接地安装说明书。不管哪种方式，保护地必须将一系统上所有的外部设备或单元设备的保护地采用较粗的绝缘铜导线连接在一点，最后从这一点上与大地接地系统相连。变频调速系统的所有外部设备必须从一条供电线上供电，而不允许从其他回路供电，否则可能会损坏接口设备。对于不得不用长线连接的场合，应用较粗的导线供电，或采取通信隔离措施。

（2）工作接地

工作接地是为了使变频调速系统以及与之相连的外部设备均能可靠运行，并保证测量和控制精度而设的接地。它分为逻辑地、信号回路接地、屏蔽层接地。

1）逻辑地也称为主机电源地，是变频器内部的逻辑电平负端公共地，也是+5V等电源的输出地。

2）信号回路接地，如各变送器的负端、开关量信号的负端地等，信号回路接地的处理原则是不允许各变送器和其他的传感器在现场端接地，而都应将其负端在变频器接地端子处一点接地。但在有些场合，现场端必须接地，这时，必须注意信号的输入端子绝对不许和变频调速系统的接地线有任何电气连接，而变频调速系统在处理这类信号时，必须在前端采用有效的隔离措施。

3）模拟信号的屏蔽层接地。模拟信号的屏蔽层接地是所有的接地中要求最高的一种，几乎所有的系统都提出模拟地要一点接地，而且接地电阻小于1Ω。在变频器设计和制造中，在机柜内部都安置了模拟地汇流排或其他设施。在接线时将屏蔽线分别接到模拟地汇流排上，然后将各机柜的汇流点再用绝缘多股铜导线或铜条以辐射状连到接地点。

（3）供电系统地

在很多企业，特别是电厂、冶炼厂等，其厂区内有一个很大的地线网，而通常供电系统的地是与地线网连在一起的。有的厂家强调变频调速系统的所有接地必须和供电系统地以及其他地（如避雷地）严格分开，而且之间至少应保持15m以上的距离。为了彻底防止供电系统地的影响，在变频器供电线路用隔离变压器隔开。这对那些电力负荷很重，而且负荷起停较频繁的用电系统是应注意的。

所有变频调速系统接线涉及的接地采用一点接地方式，在这一点上，也有很多争议。有的系统提出几个地（逻辑地、屏蔽地（又叫模拟地）、信号地、保护地）分别各自接地，而大部分系统则指出各种地在机柜内部自己分别接地，汇于一点，然后用较粗的导体（铜）将各汇地点连起来，接到一个公共的接地体上。从抑制干扰的角度来看，将电力系统地和变频调速系统的所有地分开是很有好处的，因为一般电力系统地线的干扰都很大。但从工程的角度来看，在有些场合下单设变频调速系统地并保证其与供电系统地隔开一定距离是很困难的，这时可以考虑能否将变频调速系统的地和供电地共用一个，这要考虑以下几个因素：

1）供电系统地上是否干扰很大，如大电流设备起停是否频繁，对地产生的干扰是否大。

2）供电系统地的接地电阻是否足够小，而且整个地网各个部分的电位差是否很小，即地网的各部分之间是否阻值很小。

3）变频调速系统的抗干扰能力以及所用到的传输信号的抗干扰能力，例如有无小信号（热电偶、热电阻）直接传输等。

（4）测试中的接地问题

在变频器产品的维修过程中，由于采用三相逆变桥控制，在输出功率模块损坏时，需采用示波器观察三相驱动的输出电压、电流波形。一般对于小功率变频器，开关管T₁、T₃、T₅采用三组独立的驱动电源，开关管T₄、T₆、T₂采用一组驱动电源，四组电源间及与大地之间的绝缘电压要求达到DC2000V以上，而对于大功率变频器，为了减少彼此之间的干扰，开关管T₁～T₆采用六组独立电源。因此，在采用示波器测量PWM驱动波形时，最好不要直接测量，应采用高压探头进行测量。如无隔离措施，应将示波器电源接地端子拔掉，以确保示波器机壳带电部分与其他电源或线路绝缘，特别是将示波器放置于导电的防静电实验台上时，要注意其外露金属壳体部分不与导电桌布接触，然后采用带衰减的示波器探头直接测量。

以上讨论了几种接地的方法在不同的系统中，对这几种接地的接地电阻要求是不同的，但大多数系统对模拟地的接地电阻一般要求在1Ω以下，保护地和工作地的接地电阻应小于4Ω。实践证明，接地往往是抑制噪声和防止干扰的重要手段。良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰侵入，提高系统的抗干扰能力。变频器本身有专用接地端子PE端，从安全和降低噪声的需要出发，必须接地。既不能将地线接在电气设备的外壳上，也不能接在零线上。可用较粗的短线一端接到变频器的PE端，另一端与接地极相连，接地电阻应小于1Ω，接地线长度在20m以内，并注意合理选择接地极的位置。

4.PE线中的漏电流

在变频器的输入回路一般均安装电源浪涌抑制器或电磁干扰滤波器等，在直流侧加装直流电抗器，在输出侧安装输出电抗器等附件，附件的屏蔽层对地线之间产生很大的漏电流。经过测试，目前许多变频器PE端接入系统地线时漏电流达到了300mA以上，而我国消防有关规定，要求PE地线中漏电流应小于210mA，这样许多变频器是不符合防火要求的。因此对于火警危险的工作场所，在使用变频器时一定要确认地线对地漏电流是否符合标准，以防止由于绝缘故障引起的火灾。如果变频器与电动机的连线比较短，而且电动机与变频器同时采用一点接地，分布参数比较小，则漏电流可以忽略不计；如果变频器与电动机的连线较长，分布参数比较大，漏电流分量将增大，致使PE线中的漏电流超标。