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(shù)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(duì)高壓電機(jī)設(shè)備的節(jié)能、調(diào)速發(fā)揮了重大作用。同時(shí)，這些使用場合又對(duì)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(qiáng)、弱電部件為一體的高級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)一般由控制箱、PLC、觸摸屏及相關(guān)控制元器件組成，有的還有上位機(jī)及DSC系統(tǒng)，因此，電磁干擾問題也日趨復(fù)雜，EMI可以使傳動(dòng)系統(tǒng)的核心———計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)錯(cuò)亂，同時(shí)能夠破壞或降低其他，電子設(shè)備的工作性能，從而導(dǎo)致嚴(yán)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(hào)、電機(jī)電流與電壓等。CPU板根據(jù)操作命令、給定信號(hào)及其他輸入信號(hào)，計(jì)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(hào)，經(jīng)電/光轉(zhuǎn)換器，向功率單元發(fā)送控制光信號(hào)。來自功率單元的應(yīng)答信號(hào)在相控A、B、C 板中轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，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(gè)環(huán)節(jié)，即電磁干擾源、電磁干擾傳遞途徑(傳導(dǎo)、輻射、耦合)及接受電磁干擾的響應(yīng)者。三個(gè)環(huán)節(jié)相當(dāng)復(fù)雜，不同的場合有不同的表現(xiàn)。根據(jù)電磁感應(yīng)、集膚效應(yīng)、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(shí)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(qiáng)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(dǎo)型干擾和輻射型干擾兩大類。傳導(dǎo)干擾指電磁干擾通過電源線路、接地線和信號(hào)線傳播到達(dá)對(duì)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(hào)傳輸線和其他電氣設(shè)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(gè)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(shè)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(dǎo)的技術(shù)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(yàn)的工程技術(shù)人員經(jīng)常采用的控制方法。解決電磁干擾問題，應(yīng)該在整個(gè)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、布線、安裝、調(diào)試時(shí)同時(shí)進(jìn)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(yīng)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(dǎo)電連續(xù)性，對(duì)屏蔽體的導(dǎo)電性要求比靜電屏蔽高得多，使用屏蔽信號(hào)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(huì)成為干擾源(電纜的屏蔽層會(huì)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?yàn)橹两裆形葱纬上到y(tǒng)的理論或模型，實(shí)際上，在一個(gè)場合運(yùn)行效果很好的方案拿到另一場合就不一定適用。接地設(shè)計(jì)在很大程度上依賴工程技術(shù)人員對(duì)“接地”概念的理解和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)。

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(diǎn)接地為許多在一起的電路提供公共電位參考點(diǎn)，這樣信號(hào)就可以在不同的電路之間傳輸。該點(diǎn)常常以大地為參考。由于只存在一個(gè)參考點(diǎn)，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(diǎn)接地設(shè)備內(nèi)電路都以機(jī)殼為參考點(diǎn)，而各個(gè)設(shè)備的機(jī)殼又都以地為參考點(diǎn)。這種接地結(jié)構(gòu)能夠提供較低的接地阻抗，因?yàn)槎帱c(diǎn)接地時(shí)，每條地線可以很短，而且多根導(dǎo)線并聯(lián)能夠降低接地導(dǎo)體的總電感。在高頻電路中必須使用多點(diǎn)接地，并且要求每根接地線的長度小于信號(hào)波長的1/200。

3)混合接地既包含了單點(diǎn)接地的特性，又包含了多點(diǎn)接地的特性。例如，系統(tǒng)內(nèi)的電源需要單點(diǎn)接地，而射頻信號(hào)又要求多點(diǎn)接地，這時(shí)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(shè)備必須通過黃綠色安全地線接地，否則當(dāng)設(shè)備內(nèi)的電源與機(jī)殼之間的絕緣電阻變小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電擊傷害。

2)電磁兼容接地出于電磁兼容設(shè)計(jì)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(jìn)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(hào)線或電源線到地的旁路電容，當(dāng)濾波器不接地時(shí)，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(duì)內(nèi)部噪聲和外部干擾的控制需要設(shè)備或系統(tǒng)上的許多點(diǎn)與地相連，從而為干擾信號(hào)提供“最低阻抗”通道。

(4)電路參考電路之間信號(hào)要正確傳輸，必須有一個(gè)公共電位參考點(diǎn)，該公共電位參考點(diǎn)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(dāng)干擾頻譜不同于有用信號(hào)的頻帶時(shí)，可以用濾波器將干擾濾除。因此，恰當(dāng)?shù)剡x擇和正確地使用濾波器對(duì)抑制傳導(dǎo)干擾十分重要。

濾波將信號(hào)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(yīng)引起的干擾。

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