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，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(qiáng)、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(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可以使傳動系統(tǒng)的核心———計算機(jī)控制系統(tǒng)的信號錯亂，同時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、電機(jī)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(yīng)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(dǎo)、輻射、耦合)及接受電磁干擾的響應(yīng)者。三個環(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、接地線和信號線傳播到達(dá)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(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)該在整個電氣系統(tǒng)設(shè)計、布線、安裝、調(diào)試時同時進(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，對屏蔽體的導(dǎo)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(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)計在很大程度上依賴工程技術(shù)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(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，因為多點(diǎn)接地時，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，而射頻信號又要求多點(diǎn)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(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，會導(dǎo)致電擊傷害。

2)電磁兼容接地出于電磁兼容設(shè)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(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線或電源線到地的旁路電容，當(dāng)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(shè)備或系統(tǒng)上的許多點(diǎn)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(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的頻帶時，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抑制傳導(dǎo)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(yīng)引起的干擾。

使用電源濾波器，應(yīng)盡量靠近電源入口處安裝，并使濾波器的輸人/輸出端之間屏蔽隔離，避免電磁干擾從輸入端直接耦合到濾波器的輸出端。此外，濾波器的接地點(diǎn)應(yīng)盡量靠近設(shè)備的接地點(diǎn)。圖4 所示為電源濾波器電原理圖。

2.4 隔離

隔離是消除因地環(huán)路而引起的公共阻抗干擾而采取的有效措施。一般有隔離變壓器、光電耦合隔離器、光纖等。光電隔離具有單方向傳遞信號且頻帶寬，抗干擾能力強(qiáng)，絕緣電壓高，體積小，成本低，耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)，在控制系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。此外，差分電路和平衡電路均可減少地環(huán)流，起到抑制干擾的作用。

3 解決電磁干擾的硬件措施

高壓變頻器在工作中由于整流和逆變，會產(chǎn)生很多高頻和低頻的干擾電磁波，這些電磁波對系統(tǒng)控制器、PLC、觸摸屏、數(shù)字儀表、傳感器等有一定的干擾。為了抑制高壓變頻器對其他弱電設(shè)備、儀表的干擾，所有的元器件均應(yīng)可靠接地，各電氣元件、儀器及儀表之間的連線應(yīng)選用屏蔽控制電纜，且屏蔽層應(yīng)接地，并采取輸入、輸出模擬量和開關(guān)量的濾波措施，必要時采用光電隔離的方法。

1)系統(tǒng)中的動力線和控制信號線都采用屏蔽電纜。高壓電機(jī)使用的高壓電纜采用屏蔽電纜，可使噪聲電流高頻分量得到部分抑制。屏蔽電纜是在非屏蔽普通導(dǎo)線的外面加上金屬屏蔽層，利用金屬屏蔽層的反射、吸收及集膚效應(yīng)實現(xiàn)防止電磁干擾及電磁輻射的功能，屏蔽電纜綜合利用了雙絞線的平衡原理及屏蔽層的屏蔽作用，因而具有非常好的電磁兼容特性?？刂破髋c功率單元部分采用光纖通信，以保證強(qiáng)電與弱電的有效隔離。

2)整個系統(tǒng)必須進(jìn)行良好接地處理。高壓部分的接地和控制部分的接地分開處理。變頻器正確接地是提高控制系統(tǒng)靈敏度、抑制噪聲能力的重要手段，變頻器接地端子PE 的接地電阻越小越好，接地導(dǎo)線截面積應(yīng)≥2 mm2。高壓系統(tǒng)的接地最好與控制設(shè)備接地點(diǎn)分開，防止信號串?dāng)_。信號輸入線的屏蔽層應(yīng)把就近的一端接至PE 上，另一端要懸空，否則會引起信號變化波動，使系統(tǒng)振蕩不止。控制柜各設(shè)備應(yīng)電氣連通，可利用銅芯導(dǎo)線跨接。每臺變頻器的PE 端應(yīng)連接形成等電位?？刂撇糠值牧汶娢粏为?dú)連接到接地體。

3)在變頻器控制器的交流輸入側(cè)安裝交流濾波器和隔離變壓器，以提高輸入電源質(zhì)量，圖5所示為加裝隔離變壓器屏蔽及其接地方式圖。為保證控制器的不間斷運(yùn)行，防止電壓跌落，可加裝UPS。

4)在變頗器控制回路和網(wǎng)絡(luò)回路中設(shè)置濾波器可以抑制中低頻電磁干擾，增設(shè)du/dt 濾波器或差模濾波器效果更好。

5)控制電纜的布線應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離動力電纜(最小間隔20 cm)，最好使用單獨(dú)的走線槽。如果使用同一走線槽，中間須加裝隔離板，且隔板沿其長度必須設(shè)有多個接地點(diǎn)。當(dāng)控制電纜與動力電纜必須交叉時，使相互交叉成90°角，可將電磁干擾降低到最小。

6)PLC 與變頻器之間加裝光電隔離卡，防止高壓變頻器通過PLC 將電磁干擾傳輸?shù)娇刂凭W(wǎng)絡(luò)上。

7)控制柜內(nèi)的接觸器、繼電器等線圈上須使用抑制元件，如RC，二極管，壓敏電阻。

8)電纜的備用線兩端接地以增加屏蔽效果。

9)在DSP的I/O 口，電源線，電路板連接線等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件，如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器，屏蔽罩，可顯著提高電路的抗干擾性能。

4 軟件抗干擾設(shè)計

1)多用查詢代替中斷，把中斷減到最少，以避免誤觸發(fā)和感應(yīng)觸發(fā)。

2)A/D轉(zhuǎn)換采用數(shù)字濾波，以防止突發(fā)性干擾。如采用平均法、比較平均法等。

3)在軟件中的關(guān)鍵地方設(shè)置看門狗和軟件陷阱,即使軟件跑飛也能使系統(tǒng)處于受控狀態(tài)。

4)對于輸入的開關(guān)信號進(jìn)行延時去抖動。

5)I/O口正確操作，必須檢查I/O口執(zhí)行命令情況，防止外部故障不執(zhí)行控制命令。

6)通信應(yīng)加奇偶校驗或采用查詢、表決、比較等措施，防止通信出錯。必要時，重新復(fù)位通信寄存器的設(shè)置，從而防止通信錯誤而導(dǎo)致通信失敗或造成其他故障。

5 結(jié)語

在高壓變頻調(diào)速電氣系統(tǒng)中，由于高壓換流裝置的存在，致使大量的電磁干擾產(chǎn)生，如不加以抑制，將影響整個控制系統(tǒng)的正常工作。但完全消除電磁干擾是不現(xiàn)實的。電磁干擾的抑制應(yīng)根據(jù)不同元器件，不同的電磁環(huán)境采取適當(dāng)?shù)囊种拼胧?，以系統(tǒng)可以正常工作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，沒有必要單純?yōu)榱俗非箅姶鸥蓴_抑制指標(biāo)而采取復(fù)雜的措施。通常電磁干擾抑制能力的強(qiáng)弱與投資成正比。變頻調(diào)速電氣系統(tǒng)的電磁兼容性是一項十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，有許多實際的工作經(jīng)驗需要總結(jié)，還有許多的理論需要探討。