变频调速系统抗静电干扰性的研究和分析

赵冬梅

ZHAO Dong-mei

（河北能源职业技术学院 机电工程系，唐山 063004）

0 引言

我国是一个电力资源比较贫乏的能源消耗国，如何发掘现有电力资源的潜力，提高用电设备的运行效率，是解决电力缺乏问题的一个有效途径。采用变频调速系统，可以使驱动负载类的电机运行效率明显提高，进而达到节能的目的。近年来随着电力电子技术的进步，各种高频大功率电子器件的出现，变频器电源供电的交流调速系统，即变频调速系统，在上述各工程领域中已经得到了日益广泛的应用。

本文以开关磁阻电机调速系统为例，通过介绍对于变频调速系统的抗静电干扰试验测试方法以及结果，并对增强变频器的抗静电干扰能力提出一些建议和方法。

1 变频器的构造

变频器主要由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制器组成。控制器常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制，这样可在尽可能简单的硬件电路基础上，主要靠软件来完成各种功能。

图1为DITO静电发生器，可以产生最高达16.5KV的放电，并且根据国际标准精确地模拟静电放电脉冲。图1及图2为静电发生器的外观及原理图。

图2 静电发生器原理图

2 试验条件及实验方法

2.1 试验条件

实验室的地面应设置接地参考平面，它是一种最小厚度为0.25mm金属薄板，接地参考平面的最小尺寸为1*1m，实际尺寸取决于受试设备的尺寸，而且每边至少应伸出受试设备或耦合板之外0.5m，并将它与保护接地系统相连。耦合板应采用和接地参考平面相同的金属和厚度，而且经过每端设置一个470Ω的电阻电缆与接地参考平面连接，当电缆置于接地参考平面上时，这些电阻器应能耐受住放电电压且具有良好的绝缘，以避免对接地参考平面的短路。

试验配置包括一个放在接地参考平面上的0.8m高的木桌放在水平耦合板（HCP）面积为1.6m*0.8m，并用一个厚0.5mm的绝缘衬垫将受试设备和电缆与耦合板隔离，经过另一根带电阻电缆接到接地参考平面上，如图3所示。

图3 抗静电试验台

2.2 试验方法

静电放电仅施加于操作人员正常使用受试设备时可能接触的点和表面上，本次试验所测试的试验点包括：

1）控制器金属外壳与地绝缘的点。

2）塑料面板与金属壳体的连接螺栓。

3）控制区域内的操作按钮，液晶屏等。

为了确定故障的临界值，试验电压应从最小值到选定的试验电压值逐渐增加，最后的试验值不应超过产品的规范值，以避免损坏设备。本次试验选定的最高试验电压为：空气放电时8KV，接触放电时6KV。试验以单次放电和连续放电两种方式进行测试。在预选点上，每次试验至少施加十次单次放电；连续放电之间的时间间隔至少1S,但为了确定系统是否会发生故障，需要较长的间隔，试验中选择1.5S。

注意：

1）在实施放电的时候，发生器的放电回路电缆与受试设备的距离至少为0.2m。

2）在接触放电的情况下，放电电极的顶端应在操作放电开头之前接触受试设备。

3）在放电电极触及耦合板的情况下，应将静电放电发生器垂直地置于与受试设备距离为0.1m处，耦合板平行于受试设备放置且与其保持0.1m的距离，用来模拟人体静电对设备的放电现象。

3 防护措施

电子系统/设备的性能判据分为如下三类。

A类：设备/分系统在测试中允许系统功能暂时完全丧失,但要求功能可自行恢复；

B类：设备/分系统在测试中允许出现性能降级,但其性能下降不影响系统正常工作状态和存储的数据；

C类：设备/分系统在测试中可以按预定的要求工作,不出现性能降级和功能丧失。

通过本次试验，我们得出以下结果：

1）控制器金属壳体进行接触放电和空气放电，仪器工作正常。

2）对螺栓和操作按钮进行接触放电，仪器停止工作，液晶屏闪烁并出现复位现象，但人员操作干预后仪器恢复正常工作，无需断电重新启动。

3）对液晶屏进行接触放电，仪器工作正常。

在实验中对控制器输入端电压波形进行测量，发现叠加静电干扰后的电压波形上出现了很多尖峰脉冲。具体如图4所示。

在本次试验中，功能或性能有暂时的降低或失去是容许的，但其性能下降不应影响系统正常工作状态和存储的数据。但当静电放电结束后,控制器应能正常工作，其准确度仍能满足要求，而不是需要操作人员的干预后才能恢复正常。

根据以上基本原则，我们提出下列解决方法。

利用泄露、调节环境湿度、屏蔽等措施，阻止ESD的产生。具体方法有：

1）采用直接接地的方法，将控制器的保护接地与地相连，使控制器内所产生的静电电荷迅速向大地泄漏，以防止其静电电压上升而产生的静电带电。

2）提高环境的湿度，能够促使静电电荷从绝缘体上自行消失。但是应注意湿度过大将降低运行设备的绝缘性能，一般把湿度控制在45%～65%效果比较良好。

3）屏蔽措施，利用接地的金属箱或屏蔽罩可以使放电电流局限在控制器的外表面,阻止ESD电弧以及相应的电磁场,并且保护设备免受间接放电的影响。

4）另外，在仪器工作环境中保持通风、除尘，工作人员穿着静电防护服，佩戴静电护腕，也可以起到防止ESD产生的作用。

对控制器本身进行改造，防止ESD的产生。具体方法有：

1）对壳体的改造，在塑料面板内部涂抹一层导电材料，并且加垫导电衬垫，这样既可以防止因操作者对金属外壳的直接接触放电造成干扰,又可以使面板内部导电层和金属壳体形成屏蔽层，防止操作者对周围物体放电时形成的电磁干扰（EMI）耦合到内部形成干扰。

2）按钮和液晶屏面板的设计，将耐高压的绝缘材料构成的薄膜覆盖到操作按钮和液晶屏表面，可有效防止ESD通过按键和液晶屏进入内部电路形成干扰。

3）电路设计，在I/O信号线上接入一个对地的电容，能够将接口线路上感应的静电放电电流分流到PCB板的接地处（连接金属壳体），避免流到电路上。但这个电容也会将机壳上的电流分流到信号线上。为了避免这种情况的发生，可以在旁路电容与线路板之间接入一只铁氧体磁珠，增加流向线路板的路径阻抗。如果容易受到静电干扰的按钮或者孔隙，狭槽处有连接敏感元件的线路，也可以在上面加盖一层绝缘材料，或者通过过孔将线路引到PCB板的下层。

4）对PCB板的优化设计，板上的走线是静电放电产生电磁干扰的发射天线。因此线长要求尽可能的短，包围的面积要尽可能的小 ，以减小天线的耦合，降低对其他灵敏元件产生的电磁干扰。

采取以上方法进行改造后，再将控制器安装到原试验台上，在静电干扰下，控制器正常工作，液晶屏无闪烁、跳动、复位等现象，对输入端电压进行测量，结果如图5所示。

图5 经过抗静电干扰处理后的电压波形

4 结束语

静电放电是造成核心控制器工作失常或功能失效的一个重要原因,随着技术的发展和控制器内部电路复杂程度的提高,ESD的危害也越来越被大家重视。本文分析了ESD产生的原因,并介绍了基于新的国家标准的ESD抗扰性试验方法,从控制器的设计和工作环境两个方面提出了ESD的防护措施,为开关磁阻电机调速系统的安全设计和稳定运行提供了参考。

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