造纸机变频传动控制系统电磁兼容性的分析与设计

王红艳

（陕西科技大学，陕西 西安，710021）

造纸机变频传动控制系统电磁兼容性的分析与设计

王红艳

（陕西科技大学，陕西 西安，710021）

在对电磁兼容原理介绍的基础上，详细分析了变频调速系统电磁干扰产生的原因与途径，并进一步提出了抑制电磁干扰的几类基本措施，最后对造纸机变频传动控制系统的电磁兼容性做了分析和设计，提出了一些可供电气传动系统设计时的参考措施。

电磁兼容 分析与设计 造纸传动

1 引言

EMC是电磁兼容性，是指电子设备或网络系统具有一定的抵抗电磁干扰的能力，同时不能产生过量的电磁辐射。也就是说，既要求该设备或网络系统能够在比较恶劣的电磁环境中正常工作，同时又不能因辐射过量的电磁波干扰(IEEE C63.12-1987)影响周围其它设备及网络的正常工作[1—3]。

纸机变频电气传动控制系统一般有变频器、电机、PLC、编码器、操作屏（触摸屏）及相关控制元器件组成。有的还有上位机。控制方式大都采用通信网络控制。变频器的发展经历了VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频三个阶段，它们都是交—直—交变频中的一种。其共同特点是输入功率因数低，谐波电流大，直流回路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行 （因目前纸机变频传动系统中所用变频器绝大部分属电压源型的。因此，无法回馈电能）。

纸机变频电气传动控制系统中电磁干扰是较严重的，如果不采取一定的措施，整个系统可能因为电磁干扰的影响而不能正常运行。如：通信延迟，高速时编码器的反馈信号被干扰掩盖，触摸屏通信中断等。

2 变频调速系统电磁干扰的分析

电磁干扰一般包含三个环节，即电磁干扰源、电磁干扰传递途径（传导、辐射、耦合）、接受电磁干扰的响应者。电路受干扰的程度可用下式描述：

式中：S—电子线路受干扰的程度；W—干扰源的强度；C—干扰源通过某途径到达受干扰处的耦合因数；I—受干扰电路的抗干扰性能。

这三个环节相当复杂，不同的场合有不同的表现，总起来说，根据电磁感应、电磁振荡与电磁波传播等基本物理规律可知，电磁物理量随时间变化越快，越容易感生电磁干扰；频率越高越容易产生辐射；电磁场强度与距离平方成反比；一些灵敏度高的未屏蔽电路容易产生耦合等等。

2.1 主电路干扰分析[4][5]

（a）变频传动装置的功率电路含有非线性元件（开关动作）将通过在电动机电缆和电动机内部寄生的电容CP对地产生一个脉冲型噪声电流而产生高次谐波，整流桥产生的低次谐波也应加以考虑，它通过电网传导，将导致电网电压波形畸变。谐波电流按各自的阻抗分流到电源系统以及电网中并联的其它负载，使输入电源的电压及电流波形产生畸变。

（b）动力电缆及电机电缆产生对地之间的寄生电容，对地流过一个高频噪声电流，噪声电流所造成的电压降能够作用到其它电气装置上。

（c）大电感线圈（继电器、接触器、电抗器等）及其引线开关产生较高的过电压。

2.2 控制回路干扰分析

（a）静电耦合干扰：由于变频装置控制电缆与周围电气回路的静电容耦合，在电缆中长生的电势即为静电干扰。

（b）电磁感应干扰：周围电气回路产生的磁通变化控制电缆中感应的电势即为电磁感应干扰。

（c)辐射干扰：控制电缆成为天线，有外来电磁向空中传播在电缆中产生的电势即为辐射干扰。

（d)传导干扰：从接于统一电源的电气设备产生的干扰，通过电源线进入变频装置的控制电源，变频装置即可作为噪声发射源向周围电气设备传播噪声干扰。对电气设备的控制信号产生干扰，也可作为噪声接收器遭受来自周围电器设备的各种噪声对控制回路造成的干扰。

变频调速电气控制系统中电机电枢传输线和其它传输线间的电容性耦合，电感性耦合都是重要的干扰源。其中变频装置中产生的电磁干扰是最严重的。

3 提高电磁兼容性及抗干扰措施

电磁干扰的产生和耦合，敏感设备是不可能完全避免电磁干扰的。因此必须在敏感设备上应用抗干扰措施。即在系统设计、制造、安装和调试中，消除其中一个，干扰即被克服了。因此依据引起干扰的三要素可采取下面控制方法，如屏蔽、接地、合理布线等方法以外，还可以采取回避和疏导的技术处理，如空间方位分离、滤波、吸收和旁路等等，这些都是有经验的工程技术人员经常采用的控制方法。而且在解决电磁干扰问题的时候，应该和整个电气系统设计、布线、安装、调试过程同时进行，不能仅仅在调试阶段处理。

3.1 电磁干扰的屏蔽处理方法

屏蔽分为两类：一类是静电屏蔽，主要用于防治静电场和恒定磁场的影响，静电屏蔽应具有完善的屏蔽体和良好的接地；另一类是电磁屏蔽，主要用于防止交变电场、交变磁场以及交变电磁场的影响。电磁屏蔽不仅要求有良好的接地，而且还要求屏蔽体具有良好的导电连续性，对屏蔽体的导电性要求要比静电屏蔽高得多。屏蔽电缆的屏蔽层即使不接地，仍然具有屏蔽功效。屏蔽层的屏蔽作用与接地无关。 但是如果接地不好，屏蔽电缆的屏蔽层将成为干扰源（即如果接地不良，电缆的屏蔽层会吸收外在的电磁干扰，在传导后向外辐射）。因此，电磁干扰的屏蔽处理中接地是较重要的一环。

3.2 电磁干扰的接地

接地过程看似简单，但却是很难掌握和处理的问题，因为至今接地还没有形成一个很系统的理论或模型。实际上在一个场合运行效果很好的方案拿到另一场合就不一定好使。接地设计在很大程度上依赖工程技术人员对“接地”概念的理解和实际工作经验。

3.2.1 接地的方法

接地的方法很多，具体使用那一种方法取决于系统的结构和功能。常用的方法有以下三种：

（a)单点接地：单点接地是为许多在一起的电路提供公共电位参考点的方法，这样信号就可以在不同的电路之间传输。该点常常以地球为参考。由于只存在一个参考点，因此可以相信没有非接地回路存在，因而也就没有干扰问题。

（b)多点接地：设备内电路都以机壳为参考点，而各个设备的机壳又都以地为参考点。这种接地结构能够提供较低的接地阻抗。这是因为多点接地时，每条地线可以很短，并且多根导线并联能够降低接地导体的总电感。在高频电路中必须使用多点接地。并且要求每根接地线的长度小于信号波长的1/20。

（c)混合接地：混合接地既包含了单点接地的特性，又包含了多点接地的特性。例如，系统内的电源需要单点接地，而射频信号又要求多点接地，这时就可以采用混合接地。

3.2.2 接地要求

安全接地：使用交流电的设备必须通过黄绿色安全地线接地，否则当设备内的电源与机壳之间的绝缘电阻变小时，会导致电击伤害。

电磁兼容接地：出于电磁兼容设计而要求的接地。包括：

（a)屏蔽接地：为了防止电路之间由于寄生电容存在产生相互干扰、电路辐射电场或对外界电场敏感，必须进行必要的隔离和屏蔽，这些隔离和屏蔽的金属必须接地。

（b)滤波器接地：滤波器中一般都包含信号线或电源线到地的旁路电容，当滤波器不接地时，这些电容就处于悬浮状态，起不到旁路的作用。

（c)噪声和干扰抑制：对内部噪声和外部干扰的控制需要设备或系统上的许多点与地相连，从而为干扰信号提供“最低阻抗”通道。

（d)电路参考：电路之间信号要正确传输，必须有一个公共电位参考点，这个公共电位参考点就是地。因此所有互相连接的电路必须接地。

3.3 滤波

滤波是压缩干扰频谱的一种有效方法，当干扰频谱不同于有用信号的频带时，可以用电磁干扰滤波器将无用的干扰滤除。因此，恰当地选择和正确地使用滤波器对抑制传导干扰是十分重要的。滤波将信号频谱分为有用频率分量和干扰分量二段，剔除干扰部分。滤波器一般分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器几类。在主电路交流侧的滤波器主要是用于滤除电网的电磁干扰。在直流回路的滤波器主要是减少线路的电感效应引起的干扰。

使用电源滤波器时，应尽量靠近电源入口处安装，并使滤波器的输入／输出端之间屏蔽隔离，避免电磁干扰从输入端直接耦合到滤波器的输出端。此外，滤波器的接地点还应尽量靠近设备的接地点。

3.4 隔离

隔离是消除因地环路而引起的公共阻抗干扰而采取的有效措施。一般有变频隔离器，光电耦合隔离器等。光电耦合隔离器具有单方向传递信号且频带宽、抗干扰能力强、绝缘电压高、体积小、成本低、耐冲击等优点。因此在控制系统中应用十分广泛。

此外差分电路和平衡电路均可减少地环流，起到抑制干扰的作用。

4 纸机变频调速电气控制系统中解决电磁干扰的措施

变频器在工作中由于整流和逆变，周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对纸机系统PLC、触摸屏、数字仪表、编码器等有一定的干扰。因此为了抑制变频器对其它设备、仪表的干扰，而不影响它们的工作，所有的元器件均应可靠接地之外，各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层应接地。并采取隔离、滤波等措施。整个纸机电气系统可采取以下措施抑制电磁干扰，使整个变频调速系统正常工作。

4.1 合理布线和元器件

正确布置系统中的元器件及导线，可以增强整个传动控制系统的抗干扰性能，还可以减少各种寄生耦合，并使结构简化。

电动机电缆采用屏蔽电缆，则噪声电流高频分量可以得到部分抑制。屏蔽电缆是在普通非屏蔽导线的外面加上金属屏蔽层，利用金属屏蔽层的反射、吸收及趋肤效应（所谓趋肤效应是指电流在导体截面的分布随频率的升高而趋于导体表面分布，频率越高，趋肤深度越小，即频率越高，电磁波的穿透能力越弱）实现防止电磁干扰及电磁辐射的功能，屏蔽电缆综合利用了双绞线的平衡原理及屏蔽层的屏蔽作用，因而具有非常好的电磁兼容（EMC）特性。

4.2 整个系统必须进行良好接地处理

动力部分的接地和控制部分的接地分开处理。变频器正确接地是提高控制系统灵敏度、抑制噪声能力的重要手段，变频器接地端子PE接地电阻越小越好，接地导线截面积应不小于2mm2，长度应控制在20m以内。变频器的接地必须与控制设备接地点分开，不能共地。信号输入线的屏蔽层，应接至PE上，其另一端绝不能接于地端，否则会引起信号变化波动，使系统振荡不止。变频器与控制柜之间应电气连通，可利用铜芯导线跨接。每台变频器的PE端应连接形成等电位。控制部分的零电位单独连接到接地体。

4.3 系统增设电抗器

条件允许的系统在变频器的交流侧安装交流电抗器或者在直流侧安装直流电抗。更可以同时安装提高变频器的功率因数、抑制变频器输出的电磁干扰，从而提高整个系统的电磁兼容性。

4.4 滤波器

在变频器输出侧如装电源滤波器也可以抑制高频干扰。在控制回路中和网络回路中设置滤波器可以抑制中低频电磁干扰。如有可能增设du/dt滤波器或正滤波器效果更好。

4.5 布线

控制电缆的布线应尽可能远离动力电缆 （最小间隔20cm），最好使用单独的走线槽。如果使用同一个走线槽，中间加装隔离板,隔板沿其长度上必须有几个接地点。在控制电缆与动力电缆必须交叉时，须相互交叉成90度角。将电磁干扰降低到最小。

4.6 电气隔离

PLC与变频器之间加装光电隔离卡，防止变频器将电磁干扰传输到控制网络上。其电源采用单独的开关电源或UPS不间断电源供电，减少电网干扰对PLC的影响。

此外，还有器件抗干扰问题，即控制柜内的接触器、继电器、时间继电器等线圈上须使用抑制元件，如：使用RC、二极管、压敏电阻来加强屏蔽 ；电缆选型上，应采用标准的通讯电缆，将各种干扰对通讯信号的影响降到最低的程度等措施来提高纸机变频传动控制系统抗电磁干扰的能力。

4.7 软件的抗干扰措施

除了以上所描述的硬件抗干扰措施外，还可以通过软件来提高系统的抗电磁干扰的能力。为了使纸机电气传动控制系统的中心控制单元PLC可靠地工作，进行软件内数字滤波处理，即信号多次读出，提高系统抗干扰能力。如：算术平均值法，取连续N个采样数据（i=1,2,3,…,N）的算术平均值作为输入信号y；还可以采用软件容错技术、冗余技术使系统稳定、可靠。

当然并不是所有的纸机的电气控制系统都要同时完全采用以上各条措施。有时要根据纸厂的实际条件和具体情况采取灵活的措施。目的是纸机控制系统正常工作为标准要求。

5 结论

在纸机变频调速电气系统中，由于变频器、逆变器和整流供电单元等装置的存在，致使大量的电磁干扰产生，如不加以抑制，将影响整个系统的正常的工作。但要完全消除电磁干扰是不现实的，电磁干扰的抑制应根据不同的系统，不同的使用环境采取适当的抑制措施。以系统可以正常工作为衡量标准，不能为了单纯追求电磁干扰抑制指标而采取复杂的措施。因为电磁干扰的抑制能力的强弱与投资是成正比的。由于变频调速电气系统的电磁兼容性是一项十分复杂的系统问题，要想较好地解决这个问题，尚有许多实际的工作经验需要总结，还有许多的理论问题需要探讨。

[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,杨军,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿.北京：机械工业出版社,2002.2.

[3]许家群.交流传动系统中电磁兼容性问题.电气传动，2002.2.

[4]ACS 800晶闸管供电部分16至6500KW 用户手册.北京：北京ABB电器传动系统有限公司，2011.

[5]ABB公司.ACS800多传动系统安装手册.ACS 800多传动模块，2011.

2012－5－18

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