由于電力電子技術(shù)迅速發(fā)展，使得高壓變頻器(HighVoltageVariableFrequencyDrives，簡(jiǎn)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(chǎng)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(ElectromagneticInterference，簡(jiǎn)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(wèn)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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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(chǎng)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(chǎng)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(guò)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(guò)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(wèn)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(chǎng)和恒定磁場(chǎng)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(chǎng)、交變磁場(chǎng)以及交變電磁場(chǎng)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(jiǎn)單，卻是很難掌握和處理的問(wèn)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(chǎng)合運(yùn)行效果很好的方案拿到另一場(chǎng)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(méi)有地回路存在，因而也就沒(méi)有干擾問(wèn)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(zhǎng)度小于信號(hào)波長(zhǎng)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(guò)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(chǎng)或?qū)ν饨珉妶?chǎng)敏感，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?jī)啥?，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(jiàn)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(hào)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(huì)產(chǎn)生很多高頻和低頻的干擾電磁波，這些電磁波對(duì)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(duì)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(kāi)關(guān)量的濾波措施，必要時(shí)采用光電隔離的方法。

1)系統(tǒng)中的動(dòng)力線和控制信號(hào)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(shí)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(gè)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(kāi)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)≥2mm2。高壓系統(tǒng)的接地最好與控制設(shè)備接地點(diǎn)分開(kāi)，防止信號(hào)串?dāng)_。信號(hào)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(huì)引起信號(hào)變化波動(dòng)，使系統(tǒng)振蕩不止?？刂乒窀髟O(shè)備應(yīng)電氣連通，可利用銅芯導(dǎo)線跨接。每臺(tái)變頻器的PE端應(yīng)連接形成等電位。控制部分的零電位單獨(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(dòng)力電纜(最小間隔20cm)，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(zhǎng)度必須設(shè)有多個(gè)接地點(diǎn)。當(dāng)控制電纜與動(dòng)力電纜必須交叉時(shí)，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(guò)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(jì)

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(mén)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(duì)于輸入的開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行延時(shí)去抖動(dòng)。

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

5  結(jié)語(yǔ)

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(gè)控制系統(tǒng)的正常工作。但完全消除電磁干擾是不現(xiàn)實(shí)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韵到y(tǒng)可以正常工作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)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(xiàng)十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，有許多實(shí)際的工作經(jīng)驗(yàn)需要總結(jié)，還有許多的理論需要探討。