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    由于電力電子技術迅速發展，使得高壓變頻器（HighVoltageVariableFrequencyDrives，簡稱HVVFD）在石油化工、電力、冶金等行業得到了大規模的使用，對高壓電機設備的節能、調速發揮了重大作用。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（ElectromagneticInterference，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，其控制系統一般由控制箱、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，因此，電磁干擾問題也日趨復雜，EMI可以使傳動系統的核心———計算機控制系統的信號錯亂，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控制系統結構和產生電磁干擾的環節

    主控制器的功能方框圖如圖1所示，結構為單元組合式，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信息。相控A、B、C板接受來自CPU板的控制信息，產生PWM控制信號，經電/光轉換器，向功率單元發送控制光信號。來自功率單元的應答信號在相控A、B、C板中轉換成電信號，予處理后送CPU板處理。狀態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節，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。三個環節相當復雜，不同的場合有不同的表現。根據電磁感應、集膚效應、電磁振蕩與電磁波傳播等基本物理規律可知，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生耦合等。

    高壓變頻控制系統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。控制系統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

    控制系統經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，這些都是有經驗的工程技術人員經常采用的控制方法。解決電磁干擾問題，應該在整個電氣系統設計、布線、安裝、調試時同時進行，而不能僅僅在調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驗。

    接地的方法很多，具體使用取決于系統的結構和功能。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。這種接地結構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，系統內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生相互干擾、電路輻射電場或對外界電場敏感，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，起不到旁路的作用。

    （3）噪聲和干擾抑制對內部噪聲和外部干擾的控制需要設備或系統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，恰當地選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。在主電路交流側的濾波器主要用于濾出電網的電磁干擾，圖3所示為電網上常見的尖峰干擾。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。

    使用電源濾波器，應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，濾波器的接地點應盡量靠近設備的接地點。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，絕緣電壓高，體積小，成本低，耐沖擊等優點，在控制系統中應用十分廣泛。此外，差分電路和平衡電路均可減少地環流，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，會產生很多高頻和低頻的干擾電磁波，這些電磁波對系統控制器、PLC、觸摸屏、數字儀表、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備、儀表的干擾，所有的元器件均應可靠接地，各電氣元件、儀器及儀表之間的連線應選用屏蔽控制電纜，且屏蔽層應接地，并采取輸入、輸出模擬量和開關量的濾波措施，必要時采用光電隔離的方法。

    1）系統中的動力線和控制信號線都采用屏蔽電纜。高壓電機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、吸收及集膚效應實現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。控制器與功率單元部分采用光纖通信，以保證強電與弱電的有效隔離。

    2）整個系統必須進行良好接地處理。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，接地導線截面積應≥2mm2。高壓系統的接地最好與控制設備接地點分開，防止信號串擾。信號輸入線的屏蔽層應把就近的一端接至PE上，另一端要懸空，否則會引起信號變化波動，使系統振蕩不止。控制柜各設備應電氣連通，可利用銅芯導線跨接。每臺變頻器的PE端應連接形成等電位。控制部分的零電位單獨連接到接地體。

    3）在變頻器控制器的交流輸入側安裝交流濾波器和隔離變壓器，以提高輸入電源質量，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行，防止電壓跌落，可加裝UPS。

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

    5）控制電纜的布線應盡可能遠離動力電纜(最小間隔20cm)，最好使用單獨的走線槽。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有多個接地點。當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將電磁干擾傳輸到控制網絡上。

    7）控制柜內的接觸器、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，電路板連接線等關鍵地方使用抗干擾元件，如磁珠、磁環、電源濾波器，屏蔽罩，可顯著提高電路的抗干擾性能。

    4軟件抗干擾設計

    1）多用查詢代替中斷，把中斷減到最少，以避免誤觸發和感應觸發。

    2）A/D轉換采用數字濾波，以防止突發性干擾。如采用平均法、比較平均法等。

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

    4）對于輸入的開關信號進行延時去抖動。

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

    6）通信應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，重新復位通信寄存器的設置，從而防止通信錯誤而導致通信失敗或造成其他故障。

    5結語

    在高壓變頻調速電氣系統中，由于高壓換流裝置的存在，致使大量的電磁干擾產生，如不加以抑制，將影響整個控制系統的正常工作。但完全消除電磁干擾是不現實的。電磁干擾的抑制應根據不同元器件，不同的電磁環境采取適當的抑制措施，以系統可以正常工作為衡量標準，沒有必要單純為了追求電磁干擾抑制指標而采取復雜的措施。通常電磁干擾抑制能力的強弱與投資成正比。變頻調速電氣系統的電磁兼容性是一項十分復雜的系統工程，有許多實際的工作經驗需要總結，還有許多的理論需要探討