提升機電控系統電磁兼容性研究

天地科技股份有限公司 劉 輝 崔義森 倪文婧

提升機電控系統電磁兼容性研究

天地科技股份有限公司 劉 輝 崔義森 倪文婧

針對電磁環境對礦井提升機電控系統工作及安全可靠性的影響，對電磁干擾的各種形式進行分析，重點研究了大功率變流器產生干擾的原因、作用方式和應對措施。現場應用結果表明電控系統所采取的抗干擾對策效果明顯。

提升機電控系統；電磁環境；大功率變流器

1 引言

隨著電磁兼容相關標準在國內外的制定和普遍實施，電磁兼容問題在工業信息化和工業自動化應用領域引起了科研人員的廣泛關注。目前，針對高速動車組系統、高速通信系統、汽車電子系統、電力系統等的電磁兼容問題，國內外學者已經做了相關的研究。提升機電控系統是礦山安全生產的重要組成部分，提升機電控系統電磁兼容性研究可以提高系統的安全工作可靠性，為礦山生產提供安全保障。

提升機電控系統主要由控制單元和傳動單元組成，其電磁干擾特性與上述多個系統的電磁干擾特性沒有本質的區別。對提升機電控系統電磁兼容性的研究就是要保證系統減少對外產生電磁輻射，并且在一定的電磁輻射范圍內可以正常工作。大功率變流器是提升機電控系統中重要的電磁干擾源，若電磁兼容問題處理不當，其產生的輻射電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）和傳導電磁干擾會對控制單元及電機的正常工作產生破壞性影響。

2 提升機電控系統EMC分析

2.1 提升機電控系統電磁兼容性情況介紹

提升機電控系統主要分為控制單元和傳動單元兩部分，控制單元主要包括PLC模塊、通訊模塊、繼電控制模塊、模塊電源、控制電路板以及多種傳輸電纜等；傳動單元主要包括大功率變頻器和電機兩部分。

其中，大功率變頻器是提升機電控系統的主要電磁干擾源，另外，模塊電源和繼電器的開通和關斷也會產生部分電磁輻射。PLC模塊、通訊模塊以及控制電路板均為弱電系統，工作電壓電流較低，容易受到周圍磁場變化的影響。因此，我們的主要研究內容是減少大功率變流器產生的電磁輻射，降低電磁干擾對周邊易受干擾設備的影響。

2.2 大功率變流器產生EMI的原因

功率開關器件的導通和關斷產生的高電壓電流變化率，它們通過電路中的寄生電容和電感產生強烈的瞬態噪聲，雖然大功率變流器（圖1）的開關頻率遠低于通信系統的信號傳輸頻率，但是由于其處理的電壓、電流和功率都比較大，所以在開關狀態變化的過程中會產生更加嚴重的電磁干擾輻射，這些EMI以傳導或近場干擾源的形式出現，對處于電磁輻射范圍內的電子電氣設備造成干擾，影響其正常工作性能。

圖1 變頻器電路結構圖

脈寬調制方式是目前大功率變流器常用的調制方式：脈寬調制（PWM）的控制原理決定了變流器會給電網和電機帶來大量的諧波，從而污染同一電網下的其他負載。使用脈寬調制方式影響變頻器電磁兼容性能的主要原因是變頻器的輸出波形為階梯波組成的近似正弦波，其中含有大量的諧波，變頻器的輸出波形加到電機上，使得電機在產生電磁轉矩的同時向外界環境發出大量的電磁波，對處于電磁環境中的控制系統產生干擾，影響控制信號的傳送精度，為了改善變頻器的輸出波形，目前的變頻調速系統都采用了SPWM調制技術，與其它調制技術相比，SPWM控制技術可以減少轉矩脈沖，加快系統調節速度、簡化逆變器結構、降低電機諧波損耗。但由于SPWM技術在很短的時間內電壓脈沖快速上升或下降，產生電壓變化率dv/dt值比較大，將會給提升機電控系統帶來過大的沖擊，造成系統不穩定工作。

3 提升機電控系統電磁兼容設計

在提升機電控系統的電磁兼容設計方案中，主要包括隔離、屏蔽、接地、加裝濾波器等常用的抗干擾方法及軟件抗干擾技術。

3.1 提升機電控電磁兼容設計方法

3．1．1 接地

提升機電控系統電磁兼容設計中有許多需要接地的部分，由于電路的性質和接地的目的不同，必須加以嚴格區分，需要分成若干子系統，然后連接在一起進行總接地，接地大體可分為以下三類:

①保護接地：電氣設備的金屬外殼、底盤、機座用良好的導體與大地連接成等電位，成為保護接地，它對電氣設備的安全運行和維護人員的生命安全起著十分重要的作用。

②屏蔽接地：為了抑制變化的電磁場的干擾而采用的多種屏蔽層、屏蔽體都必須接地，才能起到良好的屏蔽作用。

③系統接地：要使電氣設備能安全可靠的工作，還必須處理好等電位點的接地問題，這類接地稱為系統接地。由于工作性質和用途不同又可分為信號地、模擬地、電源地等。

3．1．2 屏蔽

屏蔽就是對兩個空間區域之間進行金屬隔離，其主要目的是限制內部的輻射電磁能越出某一區域并且防止外來的輻射進入該區域。使用屏蔽體將元器件、電路、組合件、電纜或整個系統的干擾源包圍起來，防止干擾電磁場向外擴撒或受到外部電磁場的干擾。

3．1．3 濾波

電源線濾波器主要由無源集中參數元件（電阻、電感、電容）構成。它在工作時不消耗能量，主要作用是濾波，利用電容在高頻時的低阻抗特性，將傳輸電纜上的高頻干擾導入地線，同時利用電感線圈在高頻時的高阻抗特性，將高頻干擾波反射回干擾源。

圖2 普通濾波器電路結構圖

圖3 單相電源線濾波器電路結構圖

圖2所示是典型的單相電源線濾波器的線路結構，這種濾波器使得差模電流產生的磁通相互抵消，不會產生磁路飽和，而對共模電流則變現為一個很大的電感，可以獲得比較好的濾波效果，所以這種濾波器在很大程度上是用來對付共模干擾的。

圖3所示為典型的單相電源濾波器的線路結構，其中Cx位于相線與中線之間，用于衰減差模干擾，故稱為差模電容，C位于相線對地和中線對地處，與共模電感一起用于衰減共模干擾，故稱為共模電容。前端電阻的作用是用來釋放可能積聚在電容上的靜電荷。

3.2 提升機電控系統電磁干擾建模及抑制技術

3．2．1 提升機電控系統電磁干擾建模

針對提升機電控系統電磁兼容技術的研究，近年來的主要工作集中在大功率變流器EMI建模及抑制技術的研究；EMI濾波器性能優化；電機傳動系統電磁干擾建模及抑制技術研究；PCB電路分布參數優化；電磁干擾數值分析技術等。

傳導電磁干擾是提升機電控系統中的主要干擾源，而大功率變流器的EMI主要是由功率開關器件的狀態變化引起的，所以對功率開關器件瞬時狀態的模擬是建立EMI模型的關鍵，使用分段線性化的方法模擬功率開關器件的電壓和電流暫態波形，將非線性的開關狀態特征用多段的電壓和電流變化率來組合描述，這大大提高了電磁干擾預測在高頻段的準確性。

傳導EMI建模的關鍵除了需要考慮元器件和PCB的高頻特性意外，還需要考慮近場耦合干擾的影響，由于受到變流器電路特性的限制，其近場耦合高頻特性的建模比較復雜，針對這個問題，有文獻提出了功率電路的開關頻率環流干擾模型，對大功率變流器內部的控制電路和驅動電路之間產生的強烈的電磁耦合干擾進行分析，對解決傳導電路之間近場耦合電磁干擾建模的難題提供了幫助。

3．2．2 大功率變流器電磁干擾抑制技術

軟開關技術：軟開關技術的主要作用是減少功率開關器件的開關損耗，軟開關技術的應用可以使得功率開關器件的電壓和電流變化率變緩，減少電磁干擾的產生。經研究發現，低頻范圍內使用軟開關技術產生的傳導電磁干擾并沒有明顯的減少，而在高頻工作條件下效果更佳明顯。

調制技術：目前大功率變流器的調制技術主要是脈寬調制技術（PWM），為了滿足變流器低諧波輸出的需要，在PWM技術的基礎上運用特定的改進方法獲取更好的變流器電磁兼容性能。例如：特定諧波消除技術，它是利用特定的數學算法來消除3、5、7、9等特定次數的諧波，從而達到降低輸出電磁干擾的目的；空間矢量脈寬調制技術，它是通過對電機的旋轉磁場進行更為精確的擬合，從而減少變流器向電機輸出的電磁干擾。

傳導干擾反相抵消技術：其核心思想是在系統中認為構建兩個電位變化幅度相同且相位相反的動態節點從而對共模干擾產生有效的抑制效果。

4 結論

為確保礦井提升機的安全可靠運行，我們采用上述電磁干擾抑制方法對提升機電控系統進行設計及生產，按此設計生產的提升機電控系統按國家標準《GB/ T17626.4-2008電磁兼容 試驗和測量技術》中規定的試驗方法和要求進行了相關測試，達到了標準要求，并在煤礦已投入運行，效果良好。

[1]張友德．電磁干擾及控制[M]．北京:電子工業出版社,2004．

[2]白同云．電磁兼容設計案例精選[M]．北京：中國電力出版社, 2008．

[3]馬偉明．電力電子系統中的電磁兼容技術[M]．武漢：武漢水利電力大學出版社，1999．

[4]王華平．單片機電磁干擾噪聲抑制及優化方案[J]．工礦自動化，2011(5)．

[5]孫繼平． 煤礦用電工電子產品電磁兼容性要求及試驗方法[J]．煤炭科學技術，2013(6)．

劉輝（1978-），男，安徽宿州人，副研究員，現供職于天地科技股份有限公司，主要研究方向為電力電子及自動化控制。

中國煤炭科工集團有限公司科技創新基金青年基金項目（2014QN014）。