高壓變頻器控制器的電磁干擾分析及抑制

引言

由于電力電子技術迅速發(fā)展，使得高壓變頻器(HighVoltageVariable FrequencyDrives，簡稱HVVFD)在石油化工、電力、冶金等行業(yè)得到了大規(guī)模的使用，對高壓電機設備的節(jié)能、調(diào)速發(fā)揮了重大作用。同時，這些使用場合又對高壓變頻器的可靠性、穩(wěn)定性提出了更高的要求，本文旨在從高壓變頻器的控制器部分分析電磁干擾(Electromagnetic Interference，簡稱EMI)的影響與解決方法。

高壓變頻器是融合了微控制器、大功率器件、磁性材料、傳感器等強、弱電部件為一體的高級自動化系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)一般由控制箱、PLC、觸摸屏及相關控制元器件組成，有的還有上位機及DSC系統(tǒng)，因此，電磁干擾問題也日趨復雜，EMI可以使傳動系統(tǒng)的核心———計算機控制系統(tǒng)的信號錯亂，同時能夠破壞或降低其他，電子設備的工作性能，從而導致嚴重后果。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生電磁干擾的環(huán)節(jié)

主控制器的功能方框圖如圖1所示，結(jié)構(gòu)為單元組合式，其核心為雙DSP 的CPU 單元，通過總線與接口板和相控A、B、C板互通信息。從接口子模塊DI、AI 可接受操作命令、給定信號、電機電流與電壓等。CPU板根據(jù)操作命令、給定信號及其他輸入信號，計算出控制信息及狀態(tài)信息。相控A、B、C板接受來自CPU板的控制信息，產(chǎn)生PWM 控制信號，經(jīng)電/光轉(zhuǎn)換器，向功率單元發(fā)送控制光信號。來自功率單元的應答信號在相控A、B、C 板中轉(zhuǎn)換成電信號，予處理后送CPU 板處理。狀態(tài)信息可通過接口板和接口子模板送出。

電磁干擾一般包含三個環(huán)節(jié)，即電磁干擾源、電磁干擾傳遞途徑(傳導、輻射、耦合)及接受電磁干擾的響應者。三個環(huán)節(jié)相當復雜，不同的場合有不同的表現(xiàn)。根據(jù)電磁感應、集膚效應、電磁振蕩與電磁波傳播等基本物理規(guī)律可知，電磁物理量隨時間變化越快，越容易感生電磁干擾;頻率越高越容易產(chǎn)生輻射;電磁場強度與距離平方成反比;一些靈敏度高的未屏蔽電路容易產(chǎn)生耦合等。

高壓變頻控制系統(tǒng)電磁干擾按傳播形式分為傳導型干擾和輻射型干擾兩大類。傳導干擾指電磁干擾通過電源線路、接地線和信號線傳播到達對象所造成的干擾;輻射干擾指通過空間輻射傳播到敏感器件的干擾?？刂葡到y(tǒng)中信號傳輸線和其他電氣設備的電容性耦合、電感性耦合都是重要的干擾源。

2 電磁兼容性分析

控制系統(tǒng)經(jīng)由多個單元組合而成，不可能完全避免電磁干擾，因此必須在控制器敏感設備上采取抗干擾措施。屏蔽、濾波、合理接地、合理布局等抑制干擾的措施都是很有效的。根據(jù)電磁干擾的三要素可采取以下控制方法，如屏蔽、接地、搭接、合理布線等，此外還可以采取回避和疏導的技術處理，如空間方位分離、濾波、吸收和旁路等，這些都是有經(jīng)驗的工程技術人員經(jīng)常采用的控制方法。解決電磁干擾問題，應該在整個電氣系統(tǒng)設計、布線、安裝、調(diào)試時同時進行，而不能僅僅在調(diào)試階段才去著手處理。

2.1 屏蔽

屏蔽一般分為兩種類型，一類是靜電屏蔽，主要用于防止靜電場和恒定磁場的影響，靜電屏蔽應具有完善的屏蔽體和良好的接地，另一類是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場、交變磁場以及交變電磁場的影響。電磁屏蔽不但要求有良好的接地，而且要求屏蔽體具有良好的導電連續(xù)性，對屏蔽體的導電性要求比靜電屏蔽高得多，使用屏蔽信號電纜的抗電磁干擾原理如圖2所示。

屏蔽電纜的屏蔽層如果接地不好，則起不到屏蔽干擾源的作用，反而會成為干擾源(電纜的屏蔽層會吸收外在的電磁干擾)。電纜的屏蔽層要單端接到接地端子PE 上。

2.2 接地

接地看似簡單，卻是很難掌握和處理的問題，因為至今尚未形成系統(tǒng)的理論或模型，實際上，在一個場合運行效果很好的方案拿到另一場合就不一定適用。接地設計在很大程度上依賴工程技術人員對“接地”概念的理解和實際工作經(jīng)驗。

接地的方法很多，具體使用取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。常用的方法有3種。

1)單點接地為許多在一起的電路提供公共電位參考點，這樣信號就可以在不同的電路之間傳輸。該點常常以大地為參考。由于只存在一個參考點，因此可以相信沒有地回路存在，因而也就沒有干擾問題。

2)多點接地設備內(nèi)電路都以機殼為參考點，而各個設備的機殼又都以地為參考點。這種接地結(jié)構(gòu)能夠提供較低的接地阻抗，因為多點接地時，每條地線可以很短，而且多根導線并聯(lián)能夠降低接地導體的總電感。在高頻電路中必須使用多點接地，并且要求每根接地線的長度小于信號波長的1/200。

3)混合接地既包含了單點接地的特性，又包含了多點接地的特性。例如，系統(tǒng)內(nèi)的電源需要單點接地，而射頻信號又要求多點接地，這時就可以采用混合接地。

根據(jù)接地要求，接地又分以下幾種。

1)安全接地使用交流電的設備必須通過黃綠色安全地線接地，否則當設備內(nèi)的電源與機殼之間的絕緣電阻變小時，會導致電擊傷害。

2)電磁兼容接地出于電磁兼容設計而要求的接地，包括：

(1)屏蔽接地為了防止電路之間由于寄生電容存在產(chǎn)生相互干擾、電路輻射電場或?qū)ν饨珉妶雒舾?，必須進行必要的隔離和屏蔽，這些隔離和屏蔽的金屬必須接地。

(2)濾波器接地濾波器中一般都包含信號線或電源線到地的旁路電容，當濾波器不接地時，這些電容就處于懸浮狀態(tài)，起不到旁路的作用。

(3)噪聲和干擾抑制對內(nèi)部噪聲和外部干擾的控制需要設備或系統(tǒng)上的許多點與地相連，從而為干擾信號提供“最低阻抗”通道。

(4)電路參考電路之間信號要正確傳輸，必須有一個公共電位參考點，該公共電位參考點就是地，因此所有互相連接的電路必須接地。

2.3 濾波

濾波是壓縮干擾頻譜的一種有效方法，當干擾頻譜不同于有用信號的頻帶時，可以用濾波器將干擾濾除。因此，恰當?shù)剡x擇和正確地使用濾波器對抑制傳導干擾十分重要。

濾波將信號頻譜分為有用頻率分量和干擾分量兩段，剔除干擾部分。濾波器一般分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器。在主電路交流側(cè)的濾波器主要用于濾出電網(wǎng)的電磁干擾，圖3所示為電網(wǎng)上常見的尖峰干擾。在直流回路的濾波器主要減少線路的電感效應引起的干擾。

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