在变频器应用中，干扰（电磁干扰 EMI）是常见问题，可能导致设备误动作、仪表失真、通信中断等故障。干扰的根源在于变频器工作时产生的高频谐波和快速开关瞬变。以下是主要原因及相应的解决方案：

一、 干扰产生的主要原因：

1. 高频开关谐波：

   • 原因： 变频器内部IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等功率器件以高频（通常在 kHz 到十几 kHz 范围）进行快速开关动作，将直流逆变成频率可变的交流电。这个快速切换过程（高 dv/dt - 电压变化率，高 di/dt - 电流变化率）会不可避免地产生丰富的高次谐波电流。
   • 影响： 这些谐波电流：
     • 通过电源线传导，污染电网，影响同一电网上的其他设备。
     • 通过电机电缆辐射高频电磁场。
     • 在接地系统中产生高频地回路电流。

2. 共模电压与轴电流：

   • 原因： 变频器输出端的 PWM 电压波形并非完美的正弦波，而是含有大量高频分量的阶梯波。这会导致电机定子绕组对地（机壳）产生高频共模电压。该共模电压通过电机轴承（轴承油膜作为电容）对地放电，形成“轴电流”。
   • 影响： 轴电流会导致电机轴承电蚀损伤（点蚀、沟蚀），严重缩短轴承寿命。同时，共模电压和电流也是重要的辐射干扰源。

3. 电磁辐射：

   • 原因： 变频器柜内、连接变频器和电机的动力电缆（尤其是较长的未屏蔽电缆）成为天线，将内部产生的高频噪声以电磁波形式辐射到周围空间。
   • 影响： 干扰附近的敏感电子设备（如 PLC、传感器、仪表、通信设备）。

4. 传导耦合：

   • 原因： 干扰噪声通过电源线、控制线、信号线等直接“传导”到其他设备。
   • 影响： 干扰设备电源或信号输入。

5. 感应耦合：

   • 原因： 变频器的高频电流在其动力电缆周围产生强磁场。若控制线、信号线（尤其是弱电线）与动力线平行敷设或距离过近，干扰磁场会在这些线上“感应”出干扰电压。
   • 影响： 尤其对模拟量信号（4-20mA, 0-10V）和低速通信（如 RS485）影响巨大，造成信号失真或错误。

6. 接地不良：

   • 原因：
     • 变频器或电机没有良好接地，或接地线过长。
     • 采用多点接地或接地系统阻抗过高。
     • 动力电缆屏蔽层接地方式不当。
   • 影响： 导致高频噪声无法有效泄放入地，反而形成地环路，噪声在地线上流动并耦合到其他线路；屏蔽层失去屏蔽作用。

二、 干扰的解决方案（EMI抑制对策）：

解决干扰问题需要遵循“堵源、切断路径、保护敏感设备”的原则，通常需要综合治理。

1. 源头上抑制（减少干扰产生）：

   • 选择优质变频器： 选用内置输入电抗器、输出 dv/dt 滤波器或正弦波滤波器的变频器型号。内置的 EMI 滤波器有助于减少传导干扰。
   • 降低载波频率： 在电机发热允许的范围内，适当降低变频器的 PWM 载波频率（开关频率）。这能显著减小高次谐波分量和辐射强度（但会增加电机噪音）。
   • 增加输入侧滤波器：
     • 输入交流电抗器 (ACL)： 抑制输入电流的高次谐波，提高功率因数，减少对电网的干扰。
     • 输入 EMI 滤波器： 滤除特定频率范围内的传导干扰（差模和共模干扰）。注意选择合适电流等级和衰减特性的滤波器。需要良好接地。
   • 增加输出侧滤波器：
     • 输出电抗器 (OAL/OCL)： 抑制输出电流的高次谐波，减少电缆上的 dV/dt，削弱长线反射影响。是最经济常用的抑制电机端干扰措施。
     • 输出 dv/dt 滤波器： 显著降低电机端电压的变化率和峰值，减少共模电压、轴电流和辐射干扰。效果优于电抗器。
     • 正弦波滤波器： 将 PWM 波近乎整形成正弦波，几乎消除 dV/dt、共模电压和轴电流问题，效果最好，但成本最高、体积最大。对电机电缆长度不敏感。
   • 使用共模扼流圈： 安装在变频器输出端或电机输入端，抑制共模电流。

2. 切断传播路径（布线、屏蔽、接地）：

   • 严格分开强弱电：
     • 关键原则！ 变频器的动力电缆（输入电源线、输出电机线）必须与控制线、信号线（PLC I/O线、传感器线、通信线等）分开走线，保持足够间距（至少 >30cm，最好是不同线槽）。
     • 交叉布线： 如必须交叉，应尽量成 90°直角交叉。
   • 使用屏蔽电缆：
     • 动力电缆屏蔽： 使用带铜质编织层屏蔽的变频器专用电缆（VF 电缆）连接电机。屏蔽层能有效抑制电缆辐射和对外部的感应干扰。
     • 信号/控制线屏蔽： 敏感信号线（尤其是模拟量）必须使用屏蔽电缆（双绞屏蔽更好）。
   • 正确接地：
     • “一点接地”原则： 整个系统应遵循单点接地方案 (SPG - Single Point Grounding)。变频器、滤波器、电机、PLC、控制柜柜体等的地线连接到同一个接地点，再引至可靠的大地接地极（接地电阻 <10Ω，越小越好）。避免形成地环路。
     • 接地线粗短： 接地线应短而粗（截面积足够大），避免长导线带来的感抗。
     • 屏蔽层接地：
       • 变频器端： 动力电缆屏蔽层在变频器柜/控制柜内接地排上牢固压接（屏蔽层剥离后使用电缆夹或金属线箍固定）。
       • 电机端： 屏蔽层在电机接线盒内接地端子上牢固压接。标准推荐做法是“双端接地”。确保电机本身良好接地。
       • 信号线屏蔽层： 通常在接收端（PLC侧）单端接地，屏蔽层悬空端绝缘处理。特殊敏感或高速信号可考虑双端接地，但需确保两端电位差很小，否则会形成地环路。
   • 合理布线： 动力电缆和控制/信号电缆尽量敷设在不同的金属桥架/线槽中。如果必须共槽，中间加装金属隔板。

3. 保护敏感设备：

   • 隔离：
     • 信号隔离器： 在模拟量信号（4-20mA, 0-10V）回路中加入信号隔离器（或隔离栅），切断地回路，抑制共模干扰。
     • 光耦隔离： 数字量输入/输出使用光耦隔离。
     • 隔离变压器： 为 PLC、工控机等核心控制设备提供电源隔离变压器。
   • 使用滤波器： 在敏感设备的电源进线端加装电源滤波器。
   • 选择抗干扰设备： 对关键传感器、编码器等，选用抗干扰能力强的工业级产品。
   • 软件滤波： 在控制器（如PLC）中对数字量输入信号增加延时判断（防抖滤波），对模拟量输入信号进行软件滤波处理（如滑动平均滤波）。

4. 其他有效措施：

   • 安装电机端轴接地装置 (SGR - Shaft Grounding Ring)： 在电机非驱动端安装导电性良好的接地碳刷或导电环，为轴电流提供低阻抗接地路径，有效防止轴承电蚀。
   • 使用绝缘轴承 (C3轴承/陶瓷轴承) 或绝缘轴承套： 物理阻断轴承中的电流通路，彻底防止轴电流损伤（通常用于大型电机或轴电流严重场合）。

总结：

解决变频器干扰是一个系统工程，往往需要结合多种措施。首先优化布线、确保良好接地是最基础、最经济的关键步骤。 在此基础上，根据干扰的严重程度和具体现象（是误动作、信号失真、还是通信错误？是针对电源、还是某类信号？），有针对性地选择增加输入/输出滤波器、降低载波频率、使用屏蔽线、加装隔离器等方法。对于电机轴承保护，轴接地装置或绝缘轴承是重要手段。务必重视从干扰源、传播路径和受扰设备三个方面进行整体设计和实施，才能达到理想的抗干扰效果。