變頻調速系統抗靜電干擾性的研究和分析

趙冬梅

ZHAO Dong-mei

（河北能源職業技術學院 機電工程系，唐山 063004）

0 引言

我國是一個電力資源比較貧乏的能源消耗國，如何發掘現有電力資源的潛力，提高用電設備的運行效率，是解決電力缺乏問題的一個有效途徑。采用變頻調速系統，可以使驅動負載類的電機運行效率明顯提高，進而達到節能的目的。近年來隨著電力電子技術的進步，各種高頻大功率電子器件的出現，變頻器電源供電的交流調速系統，即變頻調速系統，在上述各工程領域中已經得到了日益廣泛的應用。

本文以開關磁阻電機調速系統為例，通過介紹對于變頻調速系統的抗靜電干擾試驗測試方法以及結果，并對增強變頻器的抗靜電干擾能力提出一些建議和方法。

1 變頻器的構造

變頻器主要由主電路（包括整流器、中間直流環節、逆變器）和控制器組成。控制器常由運算電路、檢測電路、控制信號的輸入、輸出電路和驅動電路等構成。其主要任務是完成對逆變器的開關控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能等。控制方法可以采用模擬控制或數字控制。高性能的變頻器目前已經采用微型計算機進行全數字控制，這樣可在盡可能簡單的硬件電路基礎上，主要靠軟件來完成各種功能。

圖1為DITO靜電發生器，可以產生最高達16.5KV的放電，并且根據國際標準精確地模擬靜電放電脈沖。圖1及圖2為靜電發生器的外觀及原理圖。

圖2 靜電發生器原理圖

2 試驗條件及實驗方法

2.1 試驗條件

實驗室的地面應設置接地參考平面，它是一種最小厚度為0.25mm金屬薄板，接地參考平面的最小尺寸為1*1m，實際尺寸取決于受試設備的尺寸，而且每邊至少應伸出受試設備或耦合板之外0.5m，并將它與保護接地系統相連。耦合板應采用和接地參考平面相同的金屬和厚度，而且經過每端設置一個470?的電阻電纜與接地參考平面連接，當電纜置于接地參考平面上時，這些電阻器應能耐受住放電電壓且具有良好的絕緣，以避免對接地參考平面的短路。

試驗配置包括一個放在接地參考平面上的0.8m高的木桌放在水平耦合板（HCP）面積為1.6m*0.8m，并用一個厚0.5mm的絕緣襯墊將受試設備和電纜與耦合板隔離，經過另一根帶電阻電纜接到接地參考平面上，如圖3所示。

圖3 抗靜電試驗臺

2.2 試驗方法

靜電放電僅施加于操作人員正常使用受試設備時可能接觸的點和表面上，本次試驗所測試的試驗點包括：

1）控制器金屬外殼與地絕緣的點。

2）塑料面板與金屬殼體的連接螺栓。

3）控制區域內的操作按鈕，液晶屏等。

為了確定故障的臨界值，試驗電壓應從最小值到選定的試驗電壓值逐漸增加，最后的試驗值不應超過產品的規范值，以避免損壞設備。本次試驗選定的最高試驗電壓為：空氣放電時8KV，接觸放電時6KV。試驗以單次放電和連續放電兩種方式進行測試。在預選點上，每次試驗至少施加十次單次放電；連續放電之間的時間間隔至少1S,但為了確定系統是否會發生故障，需要較長的間隔，試驗中選擇1.5S。

注意：

1）在實施放電的時候，發生器的放電回路電纜與受試設備的距離至少為0.2m。

2）在接觸放電的情況下，放電電極的頂端應在操作放電開頭之前接觸受試設備。

3）在放電電極觸及耦合板的情況下，應將靜電放電發生器垂直地置于與受試設備距離為0.1m處，耦合板平行于受試設備放置且與其保持0.1m的距離，用來模擬人體靜電對設備的放電現象。

3 防護措施

電子系統/設備的性能判據分為如下三類。

A類：設備/分系統在測試中允許系統功能暫時完全喪失,但要求功能可自行恢復；

B類：設備/分系統在測試中允許出現性能降級,但其性能下降不影響系統正常工作狀態和存儲的數據；

C類：設備/分系統在測試中可以按預定的要求工作,不出現性能降級和功能喪失。

通過本次試驗，我們得出以下結果：

1）控制器金屬殼體進行接觸放電和空氣放電，儀器工作正常。

2）對螺栓和操作按鈕進行接觸放電，儀器停止工作，液晶屏閃爍并出現復位現象，但人員操作干預后儀器恢復正常工作，無需斷電重新啟動。

3）對液晶屏進行接觸放電，儀器工作正常。

在實驗中對控制器輸入端電壓波形進行測量，發現疊加靜電干擾后的電壓波形上出現了很多尖峰脈沖。具體如圖4所示。

在本次試驗中，功能或性能有暫時的降低或失去是容許的，但其性能下降不應影響系統正常工作狀態和存儲的數據。但當靜電放電結束后,控制器應能正常工作，其準確度仍能滿足要求，而不是需要操作人員的干預后才能恢復正常。

根據以上基本原則，我們提出下列解決方法。

利用泄露、調節環境濕度、屏蔽等措施，阻止ESD的產生。具體方法有：

1）采用直接接地的方法，將控制器的保護接地與地相連，使控制器內所產生的靜電電荷迅速向大地泄漏，以防止其靜電電壓上升而產生的靜電帶電。

2）提高環境的濕度，能夠促使靜電電荷從絕緣體上自行消失。但是應注意濕度過大將降低運行設備的絕緣性能，一般把濕度控制在45%～65%效果比較良好。

3）屏蔽措施，利用接地的金屬箱或屏蔽罩可以使放電電流局限在控制器的外表面,阻止ESD電弧以及相應的電磁場,并且保護設備免受間接放電的影響。

4）另外，在儀器工作環境中保持通風、除塵，工作人員穿著靜電防護服，佩戴靜電護腕，也可以起到防止ESD產生的作用。

對控制器本身進行改造，防止ESD的產生。具體方法有：

1）對殼體的改造，在塑料面板內部涂抹一層導電材料，并且加墊導電襯墊，這樣既可以防止因操作者對金屬外殼的直接接觸放電造成干擾,又可以使面板內部導電層和金屬殼體形成屏蔽層，防止操作者對周圍物體放電時形成的電磁干擾（EMI）耦合到內部形成干擾。

2）按鈕和液晶屏面板的設計，將耐高壓的絕緣材料構成的薄膜覆蓋到操作按鈕和液晶屏表面，可有效防止ESD通過按鍵和液晶屏進入內部電路形成干擾。

3）電路設計，在I/O信號線上接入一個對地的電容，能夠將接口線路上感應的靜電放電電流分流到PCB板的接地處（連接金屬殼體），避免流到電路上。但這個電容也會將機殼上的電流分流到信號線上。為了避免這種情況的發生，可以在旁路電容與線路板之間接入一只鐵氧體磁珠，增加流向線路板的路徑阻抗。如果容易受到靜電干擾的按鈕或者孔隙，狹槽處有連接敏感元件的線路，也可以在上面加蓋一層絕緣材料，或者通過過孔將線路引到PCB板的下層。

4）對PCB板的優化設計，板上的走線是靜電放電產生電磁干擾的發射天線。因此線長要求盡可能的短，包圍的面積要盡可能的小 ，以減小天線的耦合，降低對其他靈敏元件產生的電磁干擾。

采取以上方法進行改造后，再將控制器安裝到原試驗臺上，在靜電干擾下，控制器正常工作，液晶屏無閃爍、跳動、復位等現象，對輸入端電壓進行測量，結果如圖5所示。

圖5 經過抗靜電干擾處理后的電壓波形

4 結束語

靜電放電是造成核心控制器工作失常或功能失效的一個重要原因,隨著技術的發展和控制器內部電路復雜程度的提高,ESD的危害也越來越被大家重視。本文分析了ESD產生的原因,并介紹了基于新的國家標準的ESD抗擾性試驗方法,從控制器的設計和工作環境兩個方面提出了ESD的防護措施,為開關磁阻電機調速系統的安全設計和穩定運行提供了參考。

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