单晶炉电气控制系统干扰浅析

北方华创真空技术有限公司■陈世斌

0 引言

近年来，随着光伏发电平价上网的推进，作为光伏组件的上游供应商，晶体硅厂家发生了井喷式地扩张。在众多的单、多晶硅生产厂家中，单晶硅厂的扩张最为迅速。在单晶硅厂扩产的同时，整个单晶硅厂房呈现出装机量大、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)直流开关电源柜密集的状态，而在关断和打开IGBT的瞬间会产生大量的谐波，谐波的产生会对设备造成损害。因此，在此种现状下，单晶硅厂的主力设备——单晶炉电气控制系统(下文简称“电控系统”)在设计初期即考虑其抗干扰能力就显得尤为重要。本文结合单晶硅厂的现场情况，以装机量大、IGBT直流开关电源柜密集的厂房易出现的两大类干扰为例，对其产生的原因及造成的影响分别进行了分析。

1 干扰源分析

单晶炉电控系统在完成电气设计后，在实际使用时会面临各种各样的干扰，但对可编程逻辑控制器(PLC)与模拟信号的干扰主要为谐波干扰和触点分断干扰。

1.1 谐波干扰

在生产过程中，单晶炉设备整个产线会产生大量的谐波干扰。在无谐波测试仪的情况下，可使用电压表和示波器分别测量整个电控系统的220 V输入端，由于测量点扫描频率的差异，会得到不同的结果，以此来证明现场设备存在高频次谐波。具体操作步骤如下：

1)使用电压表测量电控系统的220 V输入端，如图1所示。

图1 电压表测量的电控系统220 V输入端电压

从图1可以看出，电压表测得的电控系统输入端的电压为标准的220 V，这说明电控系统输入端没有问题。

2)使用示波器测量电控系统输入端电压。当使用示波器测量时，部分峰的峰值为508 V，如图2所示；若以中性点为参考点，单相交流电的等效电压就是254 V。

通过对比可知，电压表的测量值与示波器的测量值相差34 V。

图2 示波器测量的电控系统输入端电压波形

通过对比分析图1、图2可以发现，电压表的采样时间为1～2 s，而示波器的扫描频率为2.5 ms，是电压表的800倍左右，可捕捉到所有瞬时发生的谐波。因此，所有叠加在220 V、50 Hz市电基波上的高频次谐波都可将市电峰的峰值拉高到508 V，即单相交流电的等效电压为254 V。

谐波产生的原因较多，也较为复杂。但分析当前在单晶硅产线产生谐波的原因，主要是由于与单晶硅厂并联的其他工厂带电母线的高压隔离开关切合时，对供电系统产生电压冲击造成的。每次产生的电压冲击都会造成谐波电流和谐波电压。由于电路分断造成的谐波电流、谐波电压的频谱范围很广，几乎覆盖整个频率范围，且高频次谐波的穿透效应非常强，在单晶炉供电系统中以物理连接路径向各个容性、阻性负载的模块辐射传播，所以这些电压、电流波会在每个不同导体(如端子台等)的连接处产生反射，多次反射的叠加会引发更高频次的谐波干扰。

单晶炉电控系统大多采用大功率直流开关电源柜，而此种电源柜的逆变方式与整流调压方式都是通过IGBT采用PWM方式调压。PWM方式调压即为IGBT的高速开合，而在关断和打开IGBT的瞬间，会导致大量的谐波产生。

通过测试发现，在前期使用时，单晶炉设备的电气功能不受影响，但在投入使用几个月后，便会出现模拟信号随机干扰、大量用电部件不规律损坏的现象。

1.2 触点分断干扰

此处的触点分断干扰是指单晶炉电控系统内部的继电器、交流接触器在断开负载电源时，功率侧的干扰会在断开瞬间沿供电线路对其他用电部件造成干扰。通过现场测试发现，仅1个交流接触器的开合，就会造成模拟信号的大幅度跳动，从而对整个模拟信号系统造成干扰。

将示波器的探头接到单晶炉电控系统中的0～10 V模拟信号输出端，以检测在无继电器动作时的电压输出情况。检测结果显示，模拟信号稳定输出，如图3中的T1区域所示。此时，按下操作台按钮，继电器动作，带负载的触点释放，在释放的瞬间，示波器显示屏上出现了如图3中T2区域所示的情况，稳定的T1区域模拟量电压直线波形输出信号上叠加了峰-峰值398 mV的干扰，这个干扰直接导致了操作台触摸屏上模拟信号的跳动，从而导致了部分报警信号误报。

图3 模拟信号输出

2 抗干扰措施

单晶炉电控系统抗干扰的目标是：无论是外界干扰还是内部干扰，都应确保数字信号、模拟信号和通信信号稳定，并尽可能提高各个电气部件的使用寿命。为达到此目的，减少上文提出的两大类干扰的影响，我们通常以“强弱分离”为原则，对总配线进行布局设计；且在电气盒的内部设计上，采取有效接地等措施。结合单晶炉电控系统的现场配电环境，为提高电控系统的抗干扰能力，采取电气布局与回路保护设计、电控系统内部设计的具体措施。

2.1 电气布局与回路保护设计

在电缆布线时，需寻找便利的接地点，同时需考虑接地点的电阻率是否能满足系统设计的要求，如方钢、管道等铁质空间。在选用远距离信号传送电缆时，模拟信号与数字信号应选择屏蔽电缆；电缆屏蔽层应由电阻率低的材料制成，且其两端都需可靠接地。而交流供电需尽量选择屏蔽双绞线供电，以防止交流电对其他功能回路造成空间干扰。传播路径较长的模拟信号，一定要在模拟信号输出端进行抗干扰处理，如加装瓷片滤波电容，如图4所示，滤波电容的大小应根据使用的炉台及现场干扰情况确定。

图4 模拟信号输出端安装有滤波电容

对于含IGBT的逆变系统(如电源柜)，应以IGBT的开关频率与整流功率为切入点进行抗干扰处理。目前，抗干扰处理主要是集中式谐波处理；未来在成本允许的情况下，对于单晶炉电源柜最好采用分离式单独谐波治理的方式，如图5所示。

图5中，每个电气负载对应1个谐波治理模块，以此来预防高频次谐波对电控系统的干扰。

图5 分离式单独谐波治理方式

2.2 电控系统内部设计

每个电气控制盒的外壳必须做到可靠接地，对于电气盒内部有同一回路、同一电压等级的模拟信号电源，要根据信号接收终端的情况，将其直流电源负极统一接地，如图6所示；然后再根据每个开关电源的负载特性和负载要求，判断是否需要在直流侧加装隔离滤波装置。

图6 负极统一接地的情况

在市电的进线引入点设计安装浪涌保护器，可在市电不稳定发生浪涌时，对供电回路形成保护。在无源元件构成电路电源侧增加π型滤波器，如图7所示。

图7 浪涌保护器与π型滤波器电路

图7所示的电路不仅能减弱传导干扰，还能对辐射干扰有显著的屏蔽作用。使用滤波器，并在关键信号导线外侧增加磁环(铁氧体材料铁芯)，即可提高抑制干扰频率范围的作用。由于电源回路和负载要求的不同，某些特定场合可能不适合采用π型滤波器，但可以选择合适的电阻和电容组成RC滤波器电路，如图8所示。

图8 RC滤波器电路

图8所示的电路可抑制主线路开关、接触器等器件分断时对模拟量信号源造成的电压冲击，还可对PLC的输出、输入开关量信号产生的瞬变干扰起到抑制作用。

3 结语

本文针对单晶炉设备产线在实际运行中出现的谐波干扰和触点分断干扰这两类电气干扰现象，分析了干扰产生的原因并做了定性判断；在抗干扰措施方面，给出了电气布局与回路保护设计、电控系统内部设计两种方案，都可起到抑制谐波和抑制阶跃性干扰的作用。

随着单晶硅厂的不断扩容及设备自动化程度的提高，电控系统的稳定性与可靠性将面临越来越多的挑战。因此，在电气设计初期，必须以电气特性、电磁兼容性结合使用环境，综合考虑系统的抗干扰能力。