造紙機變頻傳動控制系統電磁兼容性的分析與設計

王紅艷

（陜西科技大學，陜西 西安，710021）

造紙機變頻傳動控制系統電磁兼容性的分析與設計

王紅艷

（陜西科技大學，陜西 西安，710021）

在對電磁兼容原理介紹的基礎上，詳細分析了變頻調速系統電磁干擾產生的原因與途徑，并進一步提出了抑制電磁干擾的幾類基本措施，最后對造紙機變頻傳動控制系統的電磁兼容性做了分析和設計，提出了一些可供電氣傳動系統設計時的參考措施。

電磁兼容 分析與設計 造紙傳動

1 引言

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

紙機變頻電氣傳動控制系統一般有變頻器、電機、PLC、編碼器、操作屏（觸摸屏）及相關控制元器件組成。有的還有上位機。控制方式大都采用通信網絡控制。變頻器的發展經歷了VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻三個階段，它們都是交—直—交變頻中的一種。其共同特點是輸入功率因數低，諧波電流大，直流回路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網，即不能進行四象限運行 （因目前紙機變頻傳動系統中所用變頻器絕大部分屬電壓源型的。因此，無法回饋電能）。

紙機變頻電氣傳動控制系統中電磁干擾是較嚴重的，如果不采取一定的措施，整個系統可能因為電磁干擾的影響而不能正常運行。如：通信延遲，高速時編碼器的反饋信號被干擾掩蓋，觸摸屏通信中斷等。

2 變頻調速系統電磁干擾的分析

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）、接受電磁干擾的響應者。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—干擾源的強度；C—干擾源通過某途徑到達受干擾處的耦合因數；I—受干擾電路的抗干擾性能。

這三個環節相當復雜，不同的場合有不同的表現，總起來說，根據電磁感應、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等。

2.1 主電路干擾分析[4][5]

（a）變頻傳動裝置的功率電路含有非線性元件（開關動作）將通過在電動機電纜和電動機內部寄生的電容CP對地產生一個脈沖型噪聲電流而產生高次諧波，整流橋產生的低次諧波也應加以考慮，它通過電網傳導，將導致電網電壓波形畸變。諧波電流按各自的阻抗分流到電源系統以及電網中并聯的其它負載，使輸入電源的電壓及電流波形產生畸變。

（b）動力電纜及電機電纜產生對地之間的寄生電容，對地流過一個高頻噪聲電流，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）及其引線開關產生較高的過電壓。

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，在電纜中長生的電勢即為靜電干擾。

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

（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生的電勢即為輻射干擾。

（d)傳導干擾：從接于統一電源的電氣設備產生的干擾，通過電源線進入變頻裝置的控制電源，變頻裝置即可作為噪聲發射源向周圍電氣設備傳播噪聲干擾。對電氣設備的控制信號產生干擾，也可作為噪聲接收器遭受來自周圍電器設備的各種噪聲對控制回路造成的干擾。

變頻調速電氣控制系統中電機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。其中變頻裝置中產生的電磁干擾是最嚴重的。

3 提高電磁兼容性及抗干擾措施

電磁干擾的產生和耦合，敏感設備是不可能完全避免電磁干擾的。因此必須在敏感設備上應用抗干擾措施。即在系統設計、制造、安裝和調試中，消除其中一個，干擾即被克服了。因此依據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的技術處理，如空間方位分離、濾波、吸收和旁路等等，這些都是有經驗的工程技術人員經常采用的控制方法。而且在解決電磁干擾問題的時候，應該和整個電氣系統設計、布線、安裝、調試過程同時進行，不能僅僅在調試階段處理。

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。電磁屏蔽不僅要求有良好的接地，而且還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無關。 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，電纜的屏蔽層會吸收外在的電磁干擾，在傳導后向外輻射）。因此，電磁干擾的屏蔽處理中接地是較重要的一環。

3.2 電磁干擾的接地

接地過程看似簡單，但卻是很難掌握和處理的問題，因為至今接地還沒有形成一個很系統的理論或模型。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好使。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。

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的結構和功能。常用的方法有以下三種：

（a)單點接地：單點接地是為許多在一起的電路提供公共電位參考點的方法，這樣信號就可以在不同的電路之間傳輸。該點常常以地球為參考。由于只存在一個參考點，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。這是因為多點接地時，每條地線可以很短，并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1/20。

（c)混合接地：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。

3.2.2 接地要求

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。

電磁兼容接地：出于電磁兼容設計而要求的接地。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。

（b)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。

（c)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。

（d)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，這個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。

3.3 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，可以用電磁干擾濾波器將無用的干擾濾除。因此，恰當地選擇和正確地使用濾波器對抑制傳導干擾是十分重要的。濾波將信號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。在主電路交流側的濾波器主要是用于濾除電網的電磁干擾。在直流回路的濾波器主要是減少線路的電感效應引起的干擾。

使用電源濾波器時，應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，濾波器的接地點還應盡量靠近設備的接地點。

3.4 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。因此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。

4 紙機變頻調速電氣控制系統中解決電磁干擾的措施

變頻器在工作中由于整流和逆變，周圍產生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對紙機系統PLC、觸摸屏、數字儀表、編碼器等有一定的干擾。因此為了抑制變頻器對其它設備、儀表的干擾，而不影響它們的工作，所有的元器件均應可靠接地之外，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。并采取隔離、濾波等措施。整個紙機電氣系統可采取以下措施抑制電磁干擾，使整個變頻調速系統正常工作。

4.1 合理布線和元器件

正確布置系統中的元器件及導線，可以增強整個傳動控制系統的抗干擾性能，還可以減少各種寄生耦合，并使結構簡化。

電動機電纜采用屏蔽電纜，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（所謂趨膚效應是指電流在導體截面的分布隨頻率的升高而趨于導體表面分布，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（EMC）特性。

4.2 整個系統必須進行良好接地處理

動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，接地導線截面積應不小于2mm2，長度應控制在20m以內。變頻器的接地必須與控制設備接地點分開，不能共地。信號輸入線的屏蔽層，應接至PE上，其另一端絕不能接于地端，否則會引起信號變化波動，使系統振蕩不止。變頻器與控制柜之間應電氣連通，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。

4.3 系統增設電抗器

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

4.4 濾波器

在變頻器輸出側如裝電源濾波器也可以抑制高頻干擾。在控制回路中和網絡回路中設置濾波器可以抑制中低頻電磁干擾。如有可能增設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。如果使用同一個走線槽，中間加裝隔離板,隔板沿其長度上必須有幾個接地點。在控制電纜與動力電纜必須交叉時，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到控制網絡上。其電源采用單獨的開關電源或UPS不間斷電源供電，減少電網干擾對PLC的影響。

此外，還有器件抗干擾問題，即控制柜內的接觸器、繼電器、時間繼電器等線圈上須使用抑制元件，如：使用RC、二極管、壓敏電阻來加強屏蔽 ；電纜選型上，應采用標準的通訊電纜，將各種干擾對通訊信號的影響降到最低的程度等措施來提高紙機變頻傳動控制系統抗電磁干擾的能力。

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的抗電磁干擾的能力。為了使紙機電氣傳動控制系統的中心控制單元PLC可靠地工作，進行軟件內數字濾波處理，即信號多次讀出，提高系統抗干擾能力。如：算術平均值法，取連續N個采樣數據（i=1,2,3,…,N）的算術平均值作為輸入信號y；還可以采用軟件容錯技術、冗余技術使系統穩定、可靠。

當然并不是所有的紙機的電氣控制系統都要同時完全采用以上各條措施。有時要根據紙廠的實際條件和具體情況采取靈活的措施。目的是紙機控制系統正常工作為標準要求。

5 結論

在紙機變頻調速電氣系統中，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生，如不加以抑制，將影響整個系統的正常的工作。但要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的系統，不同的使用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，不能為了單純追求電磁干擾抑制指標而采取復雜的措施。因為電磁干擾的抑制能力的強弱與投資是成正比的。由于變頻調速電氣系統的電磁兼容性是一項十分復雜的系統問題，要想較好地解決這個問題，尚有許多實際的工作經驗需要總結，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,劉進軍.諧波抑制和無功功率補償.北京：機械工業出版社,2002.2.

[3]許家群.交流傳動系統中電磁兼容性問題.電氣傳動，2002.2.

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

[5]ABB公司.ACS800多傳動系統安裝手冊.ACS 800多傳動模塊，2011.

2012－5－18

草類原料清潔制漿專欄