提升机电控系统电磁兼容性研究

2015-02-07天地科技股份有限公司崔义森倪文婧

电子世界 2015年16期

关键词：干扰源大功率变流器

天地科技股份有限公司刘辉崔义森倪文婧

提升机电控系统电磁兼容性研究

天地科技股份有限公司刘辉崔义森倪文婧

针对电磁环境对矿井提升机电控系统工作及安全可靠性的影响，对电磁干扰的各种形式进行分析，重点研究了大功率变流器产生干扰的原因、作用方式和应对措施。现场应用结果表明电控系统所采取的抗干扰对策效果明显。

提升机电控系统；电磁环境；大功率变流器

1 引言

随着电磁兼容相关标准在国内外的制定和普遍实施，电磁兼容问题在工业信息化和工业自动化应用领域引起了科研人员的广泛关注。目前，针对高速动车组系统、高速通信系统、汽车电子系统、电力系统等的电磁兼容问题，国内外学者已经做了相关的研究。提升机电控系统是矿山安全生产的重要组成部分，提升机电控系统电磁兼容性研究可以提高系统的安全工作可靠性，为矿山生产提供安全保障。

提升机电控系统主要由控制单元和传动单元组成，其电磁干扰特性与上述多个系统的电磁干扰特性没有本质的区别。对提升机电控系统电磁兼容性的研究就是要保证系统减少对外产生电磁辐射，并且在一定的电磁辐射范围内可以正常工作。大功率变流器是提升机电控系统中重要的电磁干扰源，若电磁兼容问题处理不当，其产生的辐射电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）和传导电磁干扰会对控制单元及电机的正常工作产生破坏性影响。

2 提升机电控系统EMC分析

2.1 提升机电控系统电磁兼容性情况介绍

提升机电控系统主要分为控制单元和传动单元两部分，控制单元主要包括PLC模块、通讯模块、继电控制模块、模块电源、控制电路板以及多种传输电缆等；传动单元主要包括大功率变频器和电机两部分。

其中，大功率变频器是提升机电控系统的主要电磁干扰源，另外，模块电源和继电器的开通和关断也会产生部分电磁辐射。PLC模块、通讯模块以及控制电路板均为弱电系统，工作电压电流较低，容易受到周围磁场变化的影响。因此，我们的主要研究内容是减少大功率变流器产生的电磁辐射，降低电磁干扰对周边易受干扰设备的影响。

2.2 大功率变流器产生EMI的原因

功率开关器件的导通和关断产生的高电压电流变化率，它们通过电路中的寄生电容和电感产生强烈的瞬态噪声，虽然大功率变流器（图1）的开关频率远低于通信系统的信号传输频率，但是由于其处理的电压、电流和功率都比较大，所以在开关状态变化的过程中会产生更加严重的电磁干扰辐射，这些EMI以传导或近场干扰源的形式出现，对处于电磁辐射范围内的电子电气设备造成干扰，影响其正常工作性能。

图1 变频器电路结构图

脉宽调制方式是目前大功率变流器常用的调制方式：脉宽调制（PWM）的控制原理决定了变流器会给电网和电机带来大量的谐波，从而污染同一电网下的其他负载。使用脉宽调制方式影响变频器电磁兼容性能的主要原因是变频器的输出波形为阶梯波组成的近似正弦波，其中含有大量的谐波，变频器的输出波形加到电机上，使得电机在产生电磁转矩的同时向外界环境发出大量的电磁波，对处于电磁环境中的控制系统产生干扰，影响控制信号的传送精度，为了改善变频器的输出波形，目前的变频调速系统都采用了SPWM调制技术，与其它调制技术相比，SPWM控制技术可以减少转矩脉冲，加快系统调节速度、简化逆变器结构、降低电机谐波损耗。但由于SPWM技术在很短的时间内电压脉冲快速上升或下降，产生电压变化率dv/dt值比较大，将会给提升机电控系统带来过大的冲击，造成系统不稳定工作。

3 提升机电控系统电磁兼容设计

在提升机电控系统的电磁兼容设计方案中，主要包括隔离、屏蔽、接地、加装滤波器等常用的抗干扰方法及软件抗干扰技术。

3.1 提升机电控电磁兼容设计方法

3．1．1 接地

提升机电控系统电磁兼容设计中有许多需要接地的部分，由于电路的性质和接地的目的不同，必须加以严格区分，需要分成若干子系统，然后连接在一起进行总接地，接地大体可分为以下三类:

①保护接地：电气设备的金属外壳、底盘、机座用良好的导体与大地连接成等电位，成为保护接地，它对电气设备的安全运行和维护人员的生命安全起着十分重要的作用。

②屏蔽接地：为了抑制变化的电磁场的干扰而采用的多种屏蔽层、屏蔽体都必须接地，才能起到良好的屏蔽作用。

③系统接地：要使电气设备能安全可靠的工作，还必须处理好等电位点的接地问题，这类接地称为系统接地。由于工作性质和用途不同又可分为信号地、模拟地、电源地等。

3．1．2 屏蔽

屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属隔离，其主要目的是限制内部的辐射电磁能越出某一区域并且防止外来的辐射进入该区域。使用屏蔽体将元器件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩撒或受到外部电磁场的干扰。

3．1．3 滤波

电源线滤波器主要由无源集中参数元件（电阻、电感、电容）构成。它在工作时不消耗能量，主要作用是滤波，利用电容在高频时的低阻抗特性，将传输电缆上的高频干扰导入地线，同时利用电感线圈在高频时的高阻抗特性，将高频干扰波反射回干扰源。

图2 普通滤波器电路结构图

图3 单相电源线滤波器电路结构图

图2所示是典型的单相电源线滤波器的线路结构，这种滤波器使得差模电流产生的磁通相互抵消，不会产生磁路饱和，而对共模电流则变现为一个很大的电感，可以获得比较好的滤波效果，所以这种滤波器在很大程度上是用来对付共模干扰的。

图3所示为典型的单相电源滤波器的线路结构，其中Cx位于相线与中线之间，用于衰减差模干扰，故称为差模电容，C位于相线对地和中线对地处，与共模电感一起用于衰减共模干扰，故称为共模电容。前端电阻的作用是用来释放可能积聚在电容上的静电荷。

3.2 提升机电控系统电磁干扰建模及抑制技术

3．2．1 提升机电控系统电磁干扰建模

针对提升机电控系统电磁兼容技术的研究，近年来的主要工作集中在大功率变流器EMI建模及抑制技术的研究；EMI滤波器性能优化；电机传动系统电磁干扰建模及抑制技术研究；PCB电路分布参数优化；电磁干扰数值分析技术等。

传导电磁干扰是提升机电控系统中的主要干扰源，而大功率变流器的EMI主要是由功率开关器件的状态变化引起的，所以对功率开关器件瞬时状态的模拟是建立EMI模型的关键，使用分段线性化的方法模拟功率开关器件的电压和电流暂态波形，将非线性的开关状态特征用多段的电压和电流变化率来组合描述，这大大提高了电磁干扰预测在高频段的准确性。

传导EMI建模的关键除了需要考虑元器件和PCB的高频特性意外，还需要考虑近场耦合干扰的影响，由于受到变流器电路特性的限制，其近场耦合高频特性的建模比较复杂，针对这个问题，有文献提出了功率电路的开关频率环流干扰模型，对大功率变流器内部的控制电路和驱动电路之间产生的强烈的电磁耦合干扰进行分析，对解决传导电路之间近场耦合电磁干扰建模的难题提供了帮助。

3．2．2 大功率变流器电磁干扰抑制技术

软开关技术：软开关技术的主要作用是减少功率开关器件的开关损耗，软开关技术的应用可以使得功率开关器件的电压和电流变化率变缓，减少电磁干扰的产生。经研究发现，低频范围内使用软开关技术产生的传导电磁干扰并没有明显的减少，而在高频工作条件下效果更佳明显。

调制技术：目前大功率变流器的调制技术主要是脉宽调制技术（PWM），为了满足变流器低谐波输出的需要，在PWM技术的基础上运用特定的改进方法获取更好的变流器电磁兼容性能。例如：特定谐波消除技术，它是利用特定的数学算法来消除3、5、7、9等特定次数的谐波，从而达到降低输出电磁干扰的目的；空间矢量脉宽调制技术，它是通过对电机的旋转磁场进行更为精确的拟合，从而减少变流器向电机输出的电磁干扰。

传导干扰反相抵消技术：其核心思想是在系统中认为构建两个电位变化幅度相同且相位相反的动态节点从而对共模干扰产生有效的抑制效果。