造紙機(jī)變頻傳動(dòng)控制系統(tǒng)電磁兼容性的分析與設(shè)計(jì)

王紅艷

（陜西科技大學(xué)，陜西 西安，710021）

造紙機(jī)變頻傳動(dòng)控制系統(tǒng)電磁兼容性的分析與設(shè)計(jì)

王紅艷

（陜西科技大學(xué)，陜西 西安，710021）

在對(duì)電磁兼容原理介紹的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了變頻調(diào)速系統(tǒng)電磁干擾產(chǎn)生的原因與途徑，并進(jìn)一步提出了抑制電磁干擾的幾類基本措施，最后對(duì)造紙機(jī)變頻傳動(dòng)控制系統(tǒng)的電磁兼容性做了分析和設(shè)計(jì)，提出了一些可供電氣傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的參考措施。

電磁兼容 分析與設(shè)計(jì) 造紙傳動(dòng)

1 引言

EMC是電磁兼容性，是指電子設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有一定的抵抗電磁干擾的能力，同時(shí)不能產(chǎn)生過量的電磁輻射。也就是說，既要求該設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠在比較惡劣的電磁環(huán)境中正常工作，同時(shí)又不能因輻射過量的電磁波干擾(IEEE C63.12-1987)影響周圍其它設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)的正常工作[1—3]。

紙機(jī)變頻電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)一般有變頻器、電機(jī)、PLC、編碼器、操作屏（觸摸屏）及相關(guān)控制元器件組成。有的還有上位機(jī)?？刂品绞酱蠖疾捎猛ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)控制。變頻器的發(fā)展經(jīng)歷了VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻三個(gè)階段，它們都是交—直—交變頻中的一種。其共同特點(diǎn)是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流回路需要大的儲(chǔ)能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運(yùn)行 （因目前紙機(jī)變頻傳動(dòng)系統(tǒng)中所用變頻器絕大部分屬電壓源型的。因此，無法回饋電能）。

紙機(jī)變頻電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中電磁干擾是較嚴(yán)重的，如果不采取一定的措施，整個(gè)系統(tǒng)可能因?yàn)殡姶鸥蓴_的影響而不能正常運(yùn)行。如：通信延遲，高速時(shí)編碼器的反饋信號(hào)被干擾掩蓋，觸摸屏通信中斷等。

2 變頻調(diào)速系統(tǒng)電磁干擾的分析

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）、接受電磁干擾的響應(yīng)者。電路受干擾的程度可用下式描述：

式中：S—電子線路受干擾的程度；W—干擾源的強(qiáng)度；C—干擾源通過某途徑到達(dá)受干擾處的耦合因數(shù)；I—受干擾電路的抗干擾性能。

這三個(gè)環(huán)節(jié)相當(dāng)復(fù)雜，不同的場(chǎng)合有不同的表現(xiàn)，總起來說，根據(jù)電磁感應(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)生耦合等等。

2.1 主電路干擾分析[4][5]

（a）變頻傳動(dòng)裝置的功率電路含有非線性元件（開關(guān)動(dòng)作）將通過在電動(dòng)機(jī)電纜和電動(dòng)機(jī)內(nèi)部寄生的電容CP對(duì)地產(chǎn)生一個(gè)脈沖型噪聲電流而產(chǎn)生高次諧波，整流橋產(chǎn)生的低次諧波也應(yīng)加以考慮，它通過電網(wǎng)傳導(dǎo)，將導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形畸變。諧波電流按各自的阻抗分流到電源系統(tǒng)以及電網(wǎng)中并聯(lián)的其它負(fù)載，使輸入電源的電壓及電流波形產(chǎn)生畸變。

（b）動(dòng)力電纜及電機(jī)電纜產(chǎn)生對(duì)地之間的寄生電容，對(duì)地流過一個(gè)高頻噪聲電流，噪聲電流所造成的電壓降能夠作用到其它電氣裝置上。

（c）大電感線圈（繼電器、接觸器、電抗器等）及其引線開關(guān)產(chǎn)生較高的過電壓。

2.2 控制回路干擾分析

（a）靜電耦合干擾：由于變頻裝置控制電纜與周圍電氣回路的靜電容耦合，在電纜中長(zhǎng)生的電勢(shì)即為靜電干擾。

（b）電磁感應(yīng)干擾：周圍電氣回路產(chǎn)生的磁通變化控制電纜中感應(yīng)的電勢(shì)即為電磁感應(yīng)干擾。

（c)輻射干擾：控制電纜成為天線，有外來電磁向空中傳播在電纜中產(chǎn)生的電勢(shì)即為輻射干擾。

（d)傳導(dǎo)干擾：從接于統(tǒng)一電源的電氣設(shè)備產(chǎn)生的干擾，通過電源線進(jìn)入變頻裝置的控制電源，變頻裝置即可作為噪聲發(fā)射源向周圍電氣設(shè)備傳播噪聲干擾。對(duì)電氣設(shè)備的控制信號(hào)產(chǎn)生干擾，也可作為噪聲接收器遭受來自周圍電器設(shè)備的各種噪聲對(duì)控制回路造成的干擾。

變頻調(diào)速電氣控制系統(tǒng)中電機(jī)電樞傳輸線和其它傳輸線間的電容性耦合，電感性耦合都是重要的干擾源。其中變頻裝置中產(chǎn)生的電磁干擾是最嚴(yán)重的。

3 提高電磁兼容性及抗干擾措施

電磁干擾的產(chǎn)生和耦合，敏感設(shè)備是不可能完全避免電磁干擾的。因此必須在敏感設(shè)備上應(yīng)用抗干擾措施。即在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、安裝和調(diào)試中，消除其中一個(gè)，干擾即被克服了。因此依據(jù)引起干擾的三要素可采取下面控制方法，如屏蔽、接地、合理布線等方法以外，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。而且在解決電磁干擾問題的時(shí)候，應(yīng)該和整個(gè)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、布線、安裝、調(diào)試過程同時(shí)進(jìn)行，不能僅僅在調(diào)試階段處理。

3.1 電磁干擾的屏蔽處理方法

屏蔽分為兩類：一類是靜電屏蔽，主要用于防治靜電場(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。電磁屏蔽不僅要求有良好的接地，而且還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)電性要求要比靜電屏蔽高得多。屏蔽電纜的屏蔽層即使不接地，仍然具有屏蔽功效。屏蔽層的屏蔽作用與接地?zé)o關(guān)。 但是如果接地不好，屏蔽電纜的屏蔽層將成為干擾源（即如果接地不良，電纜的屏蔽層會(huì)吸收外在的電磁干擾，在傳導(dǎo)后向外輻射）。因此，電磁干擾的屏蔽處理中接地是較重要的一環(huán)。

3.2 電磁干擾的接地

接地過程看似簡(jiǎn)單，但卻是很難掌握和處理的問題，因?yàn)橹两窠拥剡€沒有形成一個(gè)很系統(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)合就不一定好使。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)。

3.2.1 接地的方法

接地的方法很多，具體使用那一種方法取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。常用的方法有以下三種：

（a)單點(diǎn)接地：?jiǎn)吸c(diǎn)接地是為許多在一起的電路提供公共電位參考點(diǎn)的方法，這樣信號(hào)就可以在不同的電路之間傳輸。該點(diǎn)常常以地球?yàn)閰⒖?。由于只存在一個(gè)參考點(diǎn)，因此可以相信沒有非接地回路存在，因而也就沒有干擾問題。

（b)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。這是因?yàn)槎帱c(diǎn)接地時(shí)，每條地線可以很短，并且多根導(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1/20。

（c)混合接地：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。

3.2.2 接地要求

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。

電磁兼容接地：出于電磁兼容設(shè)計(jì)而要求的接地。包括：

（a)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。

（b)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。

（c)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。

（d)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)，這個(gè)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。

3.3 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)，可以用電磁干擾濾波器將無用的干擾濾除。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)干擾是十分重要的。濾波將信號(hào)頻譜分為有用頻率分量和干擾分量二段，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、帶阻濾波器幾類。在主電路交流側(cè)的濾波器主要是用于濾除電網(wǎng)的電磁干擾。在直流回路的濾波器主要是減少線路的電感效應(yīng)引起的干擾。

使用電源濾波器時(shí)，應(yīng)盡量靠近電源入口處安裝，并使濾波器的輸入／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)還應(yīng)盡量靠近設(shè)備的接地點(diǎn)。

3.4 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。一般有變頻隔離器，光電耦合隔離器等。光電耦合隔離器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)。因此在控制系統(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。

4 紙機(jī)變頻調(diào)速電氣控制系統(tǒng)中解決電磁干擾的措施

變頻器在工作中由于整流和逆變，周圍產(chǎn)生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對(duì)紙機(jī)系統(tǒng)PLC、觸摸屏、數(shù)字儀表、編碼器等有一定的干擾。因此為了抑制變頻器對(duì)其它設(shè)備、儀表的干擾，而不影響它們的工作，所有的元器件均應(yīng)可靠接地之外，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。并采取隔離、濾波等措施。整個(gè)紙機(jī)電氣系統(tǒng)可采取以下措施抑制電磁干擾，使整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)正常工作。

4.1 合理布線和元器件

正確布置系統(tǒng)中的元器件及導(dǎo)線，可以增強(qiáng)整個(gè)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的抗干擾性能，還可以減少各種寄生耦合，并使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。

電動(dòng)機(jī)電纜采用屏蔽電纜，則噪聲電流高頻分量可以得到部分抑制。屏蔽電纜是在普通非屏蔽導(dǎo)線的外面加上金屬屏蔽層，利用金屬屏蔽層的反射、吸收及趨膚效應(yīng)（所謂趨膚效應(yīng)是指電流在導(dǎo)體截面的分布隨頻率的升高而趨于導(dǎo)體表面分布，頻率越高，趨膚深度越小，即頻率越高，電磁波的穿透能力越弱）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（EMC）特性。

4.2 整個(gè)系統(tǒng)必須進(jìn)行良好接地處理

動(dòng)力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接地電阻越小越好，接地導(dǎo)線截面積應(yīng)不小于2mm2，長(zhǎng)度應(yīng)控制在20m以內(nèi)。變頻器的接地必須與控制設(shè)備接地點(diǎn)分開，不能共地。信號(hào)輸入線的屏蔽層，應(yīng)接至PE上，其另一端絕不能接于地端，否則會(huì)引起信號(hào)變化波動(dòng)，使系統(tǒng)振蕩不止。變頻器與控制柜之間應(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。

4.3 系統(tǒng)增設(shè)電抗器

條件允許的系統(tǒng)在變頻器的交流側(cè)安裝交流電抗器或者在直流側(cè)安裝直流電抗。更可以同時(shí)安裝提高變頻器的功率因數(shù)、抑制變頻器輸出的電磁干擾，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的電磁兼容性。

4.4 濾波器

在變頻器輸出側(cè)如裝電源濾波器也可以抑制高頻干擾。在控制回路中和網(wǎng)絡(luò)回路中設(shè)置濾波器可以抑制中低頻電磁干擾。如有可能增設(shè)du/dt濾波器或正濾波器效果更好。

4.5 布線

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。如果使用同一個(gè)走線槽，中間加裝隔離板,隔板沿其長(zhǎng)度上必須有幾個(gè)接地點(diǎn)。在控制電纜與動(dòng)力電纜必須交叉時(shí)，須相互交叉成90度角。將電磁干擾降低到最小。

4.6 電氣隔離

PLC與變頻器之間加裝光電隔離卡，防止變頻器將電磁干擾傳輸?shù)娇刂凭W(wǎng)絡(luò)上。其電源采用單獨(dú)的開關(guān)電源或UPS不間斷電源供電，減少電網(wǎng)干擾對(duì)PLC的影響。

此外，還有器件抗干擾問題，即控制柜內(nèi)的接觸器、繼電器、時(shí)間繼電器等線圈上須使用抑制元件，如：使用RC、二極管、壓敏電阻來加強(qiáng)屏蔽 ；電纜選型上，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)的通訊電纜，將各種干擾對(duì)通訊信號(hào)的影響降到最低的程度等措施來提高紙機(jī)變頻傳動(dòng)控制系統(tǒng)抗電磁干擾的能力。

4.7 軟件的抗干擾措施

除了以上所描述的硬件抗干擾措施外，還可以通過軟件來提高系統(tǒng)的抗電磁干擾的能力。為了使紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的中心控制單元PLC可靠地工作，進(jìn)行軟件內(nèi)數(shù)字濾波處理，即信號(hào)多次讀出，提高系統(tǒng)抗干擾能力。如：算術(shù)平均值法，取連續(xù)N個(gè)采樣數(shù)據(jù)（i=1,2,3,…,N）的算術(shù)平均值作為輸入信號(hào)y；還可以采用軟件容錯(cuò)技術(shù)、冗余技術(shù)使系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。

當(dāng)然并不是所有的紙機(jī)的電氣控制系統(tǒng)都要同時(shí)完全采用以上各條措施。有時(shí)要根據(jù)紙廠的實(shí)際條件和具體情況采取靈活的措施。目的是紙機(jī)控制系統(tǒng)正常工作為標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

在紙機(jī)變頻調(diào)速電氣系統(tǒng)中，由于變頻器、逆變器和整流供電單元等裝置的存在，致使大量的電磁干擾產(chǎn)生，如不加以抑制，將影響整個(gè)系統(tǒng)的正常的工作。但要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)不同的系統(tǒng)，不同的使用環(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)，不能為了單純追求電磁干擾抑制指標(biāo)而采取復(fù)雜的措施。因?yàn)殡姶鸥蓴_的抑制能力的強(qiáng)弱與投資是成正比的。由于變頻調(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)問題，要想較好地解決這個(gè)問題，尚有許多實(shí)際的工作經(jīng)驗(yàn)需要總結(jié)，還有許多的理論問題需要探討。

[1]M.A.Moreno lopez de Saa and J.Usaola Garcia Three-phase harmonic load flow in frequency and time domains，IEE Proc.-Electr.Power.Vol.150,No.3,May 2010.

[2]王兆安,楊軍,劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002.2.

[3]許家群.交流傳動(dòng)系統(tǒng)中電磁兼容性問題.電氣傳動(dòng)，2002.2.

[4]ACS 800晶閘管供電部分16至6500KW 用戶手冊(cè).北京：北京ABB電器傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司，2011.

[5]ABB公司.ACS800多傳動(dòng)系統(tǒng)安裝手冊(cè).ACS 800多傳動(dòng)模塊，2011.

2012－5－18

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