風(fēng)光高壓變頻器的電快速脈沖群干擾特點及抑制方法

1引言

EFT是電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗的簡稱。EFT試驗的目的是驗證由閃電、接地故障、電源開關(guān)動作、或電路中繼電器等電感性負(fù)載動作而引起的瞬時擾動對整個控制回路中產(chǎn)生干擾時，控制箱（和PLC等器件）的抗干擾能力。這類干擾的特點是：脈沖成群出現(xiàn)、脈沖的重復(fù)頻率較高、脈沖波形的上升時間短暫、單個脈沖的能量較低。所以有可能會因為某路電路中，機(jī)械開關(guān)對電感性負(fù)載的切換，對同一電路的其它電氣和電子設(shè)備產(chǎn)生干擾，所以必須對本公司高壓變頻器做EFT試驗。

2 EFT波形特點

測量條件：接60dB衰減器，衰減器阻抗50Ω；示波器阻抗選50Ω。脈沖群幅值1kV，以重復(fù)頻率5kHz為例。單個脈沖的波形，如下圖1所示。上升時間5ns±30%，脈寬50ns±30%

圖1

注：示波器上看到的電壓幅值=（干擾的幅值/60dB）*（50/(50+50)）

脈沖的重復(fù)頻率（即兩個脈沖之間的時間）5kHz時，如下圖2所示。

圖2

脈沖群（75個脈沖組成一個脈沖群）寬度15ms，如下圖3所示

圖3

脈沖群周期300ms，如下圖4所示。

圖4

3 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗等級

上面4個波形就是在1kV，5kHz等級2（紅色字體表示的）下測量的EFT波形

試驗等級的含義：

1級，具有良好保護(hù)的環(huán)境。計算機(jī)機(jī)房可代表此類環(huán)境；

2級，受保護(hù)的環(huán)境。工廠和發(fā)電廠的控制室可代表此類環(huán)境；

3級，典型工業(yè)環(huán)境。發(fā)電廠和戶外高壓變電站的繼電器房可代表此類環(huán)境；

4級，嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境。為采取特別安裝措施的電站或工作電壓較高的開關(guān)設(shè)備可代表此類環(huán)境；

4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的實驗框圖

圖5

耦合去耦網(wǎng)絡(luò)分析：

干擾的注入方式：EFT干擾信號是通過耦合去耦網(wǎng)絡(luò)中的33nF的電容耦合到主電源線上面（而信號或控制電纜是通過電容耦合夾施加干擾，等效電容是100pF）。對于33nF的電容，它的截止頻率為100kHz，也就是100kHz以上的干擾信號可以通過；而100pF的電容，截止頻率為30MHz，僅允許30MHz頻率以上的干擾通過。電快速脈沖的干擾波形為5ns/50ns，重復(fù)頻率5K，脈沖持續(xù)時間15ms，脈沖群重復(fù)周期300ms。根據(jù)傅立葉變換，它的頻譜是從5K--100MHz的離散譜線，每根譜線的距離是脈沖的重復(fù)頻率。

所以說，施加干擾的耦合電容扮演了一個高通濾波器的角色，因為電容的阻抗隨著頻率的升高而下降，那么干擾中的低頻成分不會被耦合到EUT，而只有頻率較高的干擾信號才會進(jìn)入EUT。當(dāng)我們在EUT電路中再加入共模電感（特別要注意的是，這里的共模電感一定要加在主電源線及其回線上，否則會發(fā)生飽和從而達(dá)不到衰減干擾的目的）就可以衰減掉一些高頻干擾成分，因為電感的阻抗隨著頻率的增加而升高。因此，實際施加到EUT上面的干擾信號只有中間頻率部分。

5干擾波形的理論分析

5.1脈沖群干擾等級中重復(fù)頻率的分析

重復(fù)頻率從5kHz，增至100kHz（單脈沖的頻率提高了20倍），

圖6

重復(fù)頻率100kHz時，單個脈沖之間周期是10us，如圖6所示

但脈沖群的持續(xù)時間卻從15ms縮減到750us（持續(xù)時間縮減為原來的1/20），如下圖7所示。

圖7

重復(fù)頻率100kHz時，單個群的寬度是750us，如上圖7所示。因此注入受試設(shè)備的脈沖總量沒變（仍為75個），注入受試設(shè)備的干擾能量也就沒變，只是單位時間內(nèi)的脈沖密集程度增加?？紤]到國外專家對脈沖群試驗的故障機(jī)理解釋為是干擾脈沖對線路結(jié)電容的充電，因此，脈沖頻率越高，單位時間內(nèi)的脈沖個數(shù)越多，對結(jié)電容的電荷累積也越快，越容易達(dá)到線路出錯的閾限。故100kHz的干擾的嚴(yán)酷程度比5kHz的高20倍。（實驗的過程中對5kHz和100kHz的對比也印證了這一點）。

5.2EFT干擾脈沖波形特點的分析

由于脈沖群的單個脈沖波形前沿tr達(dá)到5ns，脈寬達(dá)到50ns，這就注定了脈沖群干擾具有極其豐富的諧波成分。幅度較大的諧波頻率至少可以達(dá)到1/πtr，亦即可以達(dá)到64MHz左右，相應(yīng)的信號波長為5m。對于一根載有60MHz以上頻率的電源線來說，如果長度有1m，由于導(dǎo)線長度已經(jīng)可以和信號的波長可比，不能再以普通傳輸線來考慮，信號在線上的傳輸過程中，部分依然可以通過傳輸線進(jìn)入受試設(shè)備（傳導(dǎo)發(fā)射）；部分要從線上逸出，成為輻射信號進(jìn)入受試設(shè)備（輻射發(fā)射）。因此，受試設(shè)備受到的干擾實際上是傳導(dǎo)與輻射的結(jié)合。

很明顯，傳導(dǎo)和輻射的比例將和電源線的長度有關(guān)，線路越短，傳導(dǎo)成分越多，而輻射比例越??；反之，輻射比例就大。這正是同等條件下，為什么金屬外殼的設(shè)備要比非金屬外殼設(shè)備更容易通過測試的道理，因為金屬外殼的設(shè)備抗輻射干擾能力較強(qiáng)。并且輻射的強(qiáng)弱還和電源線與參考接地板之間的相對距離有關(guān)（它反映了受試設(shè)備與接地板之間的分布電容），EUT離參考接地板越近，則分布電容就越大（容抗越?。?，干擾信號越不容易以輻射方式逸出；反之亦反。由此可見，試驗用的電源線長短，電源線離參考接地板的高度，乃至電源線與受試設(shè)備的相對位置，會改變傳導(dǎo)發(fā)射的比例，所以我在試驗中很注意上述問題，使實驗配置在同等條件下進(jìn)行。

6 EFT干擾的抑制方法分析

根據(jù)上面的分析，EFT干擾，的傳輸過程中，會有一部分干擾從傳輸?shù)木€纜中逸出這樣設(shè)備最終受到的是傳導(dǎo)和輻射的復(fù)合干擾。但由于傳導(dǎo)的量占絕大部分，可控可觀，所以針對脈沖群干擾來說，最通用的脈沖群干擾抑制辦法主要采用濾波（電源線和信號線的濾波）及吸收（用鐵氧體磁芯來吸收）。其中采用鐵氧體磁芯吸收的方案非常便宜也非常有效。而輻射的量可以通過改變傳輸線纜的位置盡量的減小，輻射的可控和可觀性非常差，只能在同等條件下作比較試驗，后面做詳細(xì)說明。

因為存在著輻射成分，輻射干擾的逸出情況各不相同，難以捉摸，濾波器和鐵氧體磁芯的位置就不能隨意更改。最有效的位是將濾波器和鐵氧體磁芯用在干擾的源頭和設(shè)備的入口處。前者是對干擾源的徹底處理；后者是把緊抑制干擾的大門，使經(jīng)過濾波器和鐵氧體磁芯處理后的電源線和信號線不再含有輻射的成分。

7實驗內(nèi)容

7.1測試原主控箱的抗EFT干擾的能力

原控制箱施加EFT干擾（干擾等級1級100kHz）后出現(xiàn)誤動作，然后死機(jī)。

隨著干擾的累積，開停機(jī)輸出信號時有時無，故障燈閃爍，PWM信號時有時無，運(yùn)行燈閃爍。干擾累積到一定程度時，開停機(jī)信號和PWM信號都消失，運(yùn)行燈熄滅，故障燈點亮。試驗說明，原主控箱的抗干擾的能力非常差。

7.2加入鐵氧體磁環(huán)吸收干擾的措施

圖8

未加鐵氧體磁環(huán)時220VAC電源電壓波形，其中有很大的EFT干擾峰峰值1.82kV,如圖8所示。

在電源輸入端逐個增加鐵氧體磁環(huán)，從一個，增加到二個，到三個……在每個關(guān)鍵位置（開關(guān)電源輸入端前，濾波板輸入端前，主控板電源輸入端前）都放一個鐵氧體磁環(huán)后，干擾死機(jī)出現(xiàn)的時間普遍由原來的幾秒延長到十幾秒了，說明鐵氧體磁環(huán)有一定效果，但由于數(shù)量少，吸收能力有限，不能完全消除干擾。由鐵氧體吸收的原理知，增加匝數(shù)與增加鐵氧體的個數(shù)是等效的結(jié)果。所以，把匝數(shù)提高到10匝，將鐵氧體的個數(shù)減少，節(jié)省了鐵氧體，方便了安裝。

圖9

加鐵氧體磁環(huán)后的波形，220VAC中有干擾峰峰值降為808V,如圖9所示。

從圖8與圖9的對比，很明顯的看出鐵氧體磁環(huán)把干擾吸收了1kV左右。效果較明顯。

7.3加入TVS管的措施

圖10

未加TVS管時5VDC電源電壓波形，其中有很大的EFT干擾峰峰值45V,如圖10所示。

在主控板的電源輸入端+5V與GND之間，+12V與GND之間，-12V與GND之間接入TVS管（電壓值選電源電壓的1.4倍），加入此措施后，干擾死機(jī)出現(xiàn)的時間延長到十幾秒。試驗說明加入TVS管對抗干擾能力有所提升。

圖11

并聯(lián)一個TVS管后電源電壓波形，EFT干擾峰峰值降為24.9V,如圖11所示。

圖12

并聯(lián)二個TVS管后電源電壓波形，EFT干擾峰峰值降為12.6V,如圖12所示。

從圖10，圖11與圖12的對比，很明顯的看出TVS管將EFT干擾吸收效果較明顯。

7.4加入脈沖群抑制器的措施

圖13

未加脈沖群抑制器時220VAC電源電壓波形，其中有很大的EFT干擾峰峰值1.82kV,如圖13所示。

在電源輸入端增加脈沖群抑制器，脈沖群抑制器能對2kV、3kV、4kV，5ns/50ns脈沖群進(jìn)行抑制；能抑制范圍從5kHz到500MHz；適用于各種敏感數(shù)字設(shè)備；有效的抑制系統(tǒng)出現(xiàn)的死機(jī)、復(fù)位、亂碼等現(xiàn)象的發(fā)生。

圖14

加脈沖群抑制器時220VAC電源電壓波形，EFT干擾峰峰值降為740V,如圖14所示。

從圖13與圖14的對比，很明顯的看出脈沖群抑制器把干擾吸收了1.1kV左右。效果較明顯。

7.5帶載實驗

安裝前門的方法比較了加入整改措施后比加整改措施前干擾得到了有效的抑制。最后進(jìn)行了帶載實驗，在加入最高等級（四級）的干擾4kV，100kHz，的EFT干擾過程中，主控箱發(fā)出信號給單元調(diào)試，單元帶載正常。

8 結(jié)束語

通過電快速脈沖群實驗研究和改進(jìn)，山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的高壓大功率變頻器的電磁兼容性得到了進(jìn)一步的提升，可靠性更高，適應(yīng)各種工業(yè)應(yīng)用場合。

作者簡介：曹公正男碩士研究生，畢業(yè)于長春工業(yè)大學(xué)電力電子與電力傳動專業(yè)，供職于山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司，從事技術(shù)研發(fā)工作。