劉旭龍，張志鵬，趙世平

（1.四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065；2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 第一研究所，四川 成都610044）

隨著電力技術(shù)和工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，電子技術(shù)和液壓工業(yè)的結(jié)合也日益緊密， 變頻器技術(shù)的出現(xiàn)和成熟向我們提供了一種調(diào)節(jié)液壓定量泵輸出流量以達(dá)到變量泵的效果的新思路[1]。變頻器正是這種變頻調(diào)速方式的執(zhí)行者。變頻器不僅能實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，而且還有控制方便、控制精度高、工作安全可靠、可以軟啟動(dòng)和軟關(guān)閉，節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)。所以，變頻器越來(lái)越普遍地應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中。但是，變頻器由于其特殊的工作原理，產(chǎn)生了大量的電磁干擾，對(duì)同一系統(tǒng)內(nèi)的其他設(shè)備產(chǎn)生不同程度的干擾。

根據(jù)某型液壓作動(dòng)器的測(cè)試要求，設(shè)計(jì)研制了一套綜合測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)，以檢測(cè)其各項(xiàng)性能及耐久能力。綜合測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)主要由液壓泵站、液壓閥站、配電柜、變頻器柜、性能試驗(yàn)臺(tái)、耐久試驗(yàn)臺(tái)、控制柜組成，是一套集機(jī)械、電子電氣，液壓技術(shù)為一體的綜合測(cè)試系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)要能夠提供連續(xù)可調(diào)的油液流量，根據(jù)以前的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)選擇使用變頻調(diào)速技術(shù)以滿足此要求。但變頻器的電磁干擾問(wèn)題給試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)帶來(lái)了很多麻煩，對(duì)傳感器的信號(hào)產(chǎn)生了干擾，影響了系統(tǒng)的正常功能。文中對(duì)變頻器電磁干擾的傳播途徑進(jìn)行了分析，進(jìn)而提出了一系列抗干擾措施，并進(jìn)行實(shí)踐測(cè)試，以解決變頻器電磁干擾問(wèn)題。

1 變頻調(diào)速技術(shù)及其干擾

變頻調(diào)速技術(shù)以其優(yōu)異的調(diào)速性能和節(jié)電效果成為最流行的交流調(diào)速方式[2]；變頻器結(jié)合定量泵能夠?qū)崿F(xiàn)變量泵的功能，其原理如示意圖1所示。由系統(tǒng)控制柜內(nèi)的工控機(jī)通過(guò)控制板卡輸出一個(gè)控制信號(hào)給變頻器，變頻器根據(jù)控制信號(hào)的大小，相應(yīng)地調(diào)節(jié)變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即控制了定量泵的轉(zhuǎn)速，從而控制了定量泵輸出的流量，實(shí)現(xiàn)了油液流量的連續(xù)可調(diào)，Q=n×q，Q為流量，n為轉(zhuǎn)速，q為泵每轉(zhuǎn)的排量。而且變頻器的軟啟動(dòng)，可以減少電機(jī)和設(shè)備的機(jī)械損耗，延長(zhǎng)電機(jī)和設(shè)備的使用壽命；另外，變頻器還具有很多的自保護(hù)功能，如過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)載保護(hù)等等，能夠保證變頻器安全可靠地進(jìn)行工作。但是，變頻器對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的電子、電氣設(shè)備來(lái)說(shuō)是一個(gè)強(qiáng)電磁干擾源。因?yàn)樽冾l器中的整流電路對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)非線性負(fù)載，其產(chǎn)生的諧波會(huì)對(duì)同一電網(wǎng)的其他設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾。另外，變頻器中的逆變器基本都使用PWM技術(shù)，當(dāng)其工作于開(kāi)關(guān)模式并作高速切換時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的耦合性噪聲[3]。

圖1 示意圖Fig.1 Schematic diagram

在試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的初始調(diào)試階段，當(dāng)變頻器開(kāi)始工作時(shí)，溫度、液位、流量、位移，拉壓力等傳感器的信號(hào)都會(huì)產(chǎn)生劇烈的抖動(dòng)，但當(dāng)變頻器停止工作時(shí)，各傳感器都恢復(fù)正常。從而可以斷定是變頻器帶來(lái)的電磁干擾，這種電磁干擾嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的可靠性，不得不采取適當(dāng)?shù)拇胧?duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造。更為重要的是，該試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)采用了液壓伺服控制技術(shù)[4]作為核心控制技術(shù)，而液壓伺服控制系統(tǒng)需要采集位移和拉壓力信號(hào)來(lái)完成閉環(huán)控制，但由于傳感器信號(hào)的抖動(dòng)，使被控對(duì)象也相應(yīng)的產(chǎn)生抖動(dòng)，使其不能達(dá)到一個(gè)有效、穩(wěn)定的控制狀態(tài)，嚴(yán)重影響了試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的功能。

2 變頻器干擾的傳播途徑

從變頻器的電磁干擾途徑入手，對(duì)干擾進(jìn)行分析。變頻器的電磁干擾途徑主要可以分為電路耦合 （傳導(dǎo)）、電磁輻射、感應(yīng)耦合三種傳播方式[3]。下面進(jìn)行具體分析：

2.1 電路耦合（傳導(dǎo)）

電磁干擾可以通過(guò)與其相連接的導(dǎo)線向外發(fā)射，也可通過(guò)接地回路耦合或阻抗耦合將電磁干擾信號(hào)引入其它電路[3]，對(duì)其驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)造成電磁噪聲，使得電動(dòng)機(jī)銅耗和鐵耗增加，并影響電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性；并使電磁干擾傳導(dǎo)到電源，通過(guò)電源網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)給系統(tǒng)內(nèi)的其他設(shè)備，影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行。例如，變頻器通過(guò)電源網(wǎng)絡(luò)把電磁干擾傳導(dǎo)給同一電網(wǎng)的其他設(shè)備，影響其正常工作；由于接地線的混亂，變頻器的電磁干擾通過(guò)地線傳導(dǎo)到其他儀表或設(shè)備，影響其精度和可靠性。

2.2 電磁輻射

如果變頻器不是處于一個(gè)全封閉的金屬外殼內(nèi)，它就能通過(guò)空間向外輻射電磁波。其輻射場(chǎng)強(qiáng)由干擾源的電流強(qiáng)度、干擾源的發(fā)射頻率以及裝置的等效輻射阻抗。如果變頻器的金屬外殼有孔洞或縫隙，則其輻射強(qiáng)度與干擾信號(hào)的波長(zhǎng)有關(guān)：當(dāng)孔洞的大小與電磁波的波長(zhǎng)接近時(shí)，會(huì)形成干擾輻射源向四周輻射[3]。

2.3 感應(yīng)耦合

當(dāng)變頻器的輸入線路或輸出線路與其他設(shè)備的電路距離比較近時(shí)，變頻器所產(chǎn)生的高次諧波干擾信號(hào)會(huì)通過(guò)感應(yīng)耦合的方式干擾其他設(shè)備；干擾的大小由干擾源電纜產(chǎn)生的磁通所決定，即取決于控制電纜所形成的閉環(huán)面積和干擾源電纜與控制電纜之間的相對(duì)角度[3]。舉例說(shuō)明，如果變頻器的控制線接近其電源線布置，則有可能會(huì)受到電磁干擾，從而導(dǎo)致變頻器的誤操作。

3 抗干擾措施與對(duì)策

在工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，必須采用適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)降低電磁干擾，把電磁干擾抑制在允許的范圍內(nèi)。電磁干擾的形成需具備三要素：電磁干擾源、電磁干擾途徑以及對(duì)電磁干擾敏感的系統(tǒng)。相應(yīng)地抗干擾的基本原則有3個(gè)：1)從源頭入手，抑制干擾源；2)切斷干擾對(duì)系統(tǒng)的傳播途徑；3)降低系統(tǒng)對(duì)干擾信號(hào)的敏感性[5]。根據(jù)抗干擾的基本原則，采取了以下抗干擾對(duì)策：

3.1 從源頭入手，削弱干擾源

安裝輸入交流電抗器，其作用原理是增加了電源阻抗，可以抑制變頻器產(chǎn)生的諧波向電網(wǎng)傳播，減小變頻器產(chǎn)生的諧波對(duì)其他設(shè)備的干擾，同時(shí)限制電網(wǎng)上的沖擊電流和電網(wǎng)電壓的異常波動(dòng)，減小其對(duì)變頻器的影響。

給變頻器做一個(gè)單獨(dú)的放置柜，使放置柜發(fā)揮一個(gè)屏蔽罩的作用。推薦使用0.75～1.5mm的無(wú)銹蝕剛性鋼板作為放置柜外殼的材料[3]。應(yīng)保證表面板與板，柜體與門(mén)之間的良好電氣接觸，并可靠接地。

3.2 從傳播途徑入手

1)接地。設(shè)備接地的主要目的是為了安全，但對(duì)于具有高頻干擾信號(hào)的設(shè)備來(lái)說(shuō)，能夠把高頻干擾信號(hào)引入大地。正確的接地方法既可以使系統(tǒng)有效地抑制外部干擾，又能減小設(shè)備本身對(duì)外界的干擾。在實(shí)際應(yīng)用中，由于電源零線、地線不分，控制系統(tǒng)屏蔽線的混亂連接，大大降低了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。對(duì)于變頻器，良好的接地是提高變頻器抑制干擾能力和減小變頻器的干擾的重要手段。在接地時(shí)，應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

①接地線應(yīng)盡量地粗一些，以減小電阻，一般應(yīng)不小于2.5 mm2，長(zhǎng)度應(yīng)在20 m以內(nèi)。變頻器的接地點(diǎn)應(yīng)盡量靠近變頻器，而接地線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離電源線。

②弱電系統(tǒng)的接地線必須有單獨(dú)的接地點(diǎn)。

③變頻器的接地線和其他設(shè)備的接地線應(yīng)分開(kāi)接地，不能共地。

④接地端子不能和電源的零線相接。

2)凈化弱電系統(tǒng)的電源。電源線是電磁干擾傳入和傳出設(shè)備的主要途徑，通過(guò)電源線，電網(wǎng)的電磁干擾可以傳入設(shè)備，干擾設(shè)備的正常工作，所以凈化電源也是一項(xiàng)必要的措施。

試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)選擇使用EMI（電磁干擾）濾波器進(jìn)行濾波抗干擾。EMI濾波器通常置于開(kāi)關(guān)電源與電網(wǎng)相連的前端，是一種低通濾波器[6]，可以把電源功率無(wú)衰減地傳輸?shù)皆O(shè)備，削弱經(jīng)電源傳入的EMI信號(hào)，保護(hù)設(shè)備免受電磁干擾；同時(shí)，又能有效地抑制設(shè)備本身產(chǎn)生的EMI信號(hào)，防止其進(jìn)入電網(wǎng)，污染電磁環(huán)境，危害其他設(shè)備[7]。安裝EMI濾波器時(shí)要注意，不能把濾波器的電源端和負(fù)載端的線纜捆扎在一起，這會(huì)造成濾波器輸入輸出端之間的電磁耦合；其次，要確保濾波器接地端的良好接地。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，EMI濾波器對(duì)變頻器的電磁干擾有良好的抑制作用。

3)屏蔽。在配線時(shí)，信號(hào)線應(yīng)該選用雙芯屏蔽絞合絕緣電纜，并且屏蔽層要單端接地。應(yīng)注意，如果電纜的屏蔽層在電纜的兩端同時(shí)接地，則會(huì)在電纜的兩端存在電位差，其產(chǎn)生的電流將會(huì)流過(guò)屏蔽層，從而導(dǎo)致干擾信號(hào)的產(chǎn)生。其次，電纜須穿入金屬管內(nèi)，作用是吸收和削弱干擾源的電磁輻射，注意應(yīng)把電源線、控制線和信號(hào)線分離開(kāi)，不能在同一配管內(nèi)。為了使屏蔽有效可靠，金屬管應(yīng)可靠單端接地。

4)合理布線。合理布線能夠在相當(dāng)大程度上削弱干擾信號(hào)的強(qiáng)度。布線時(shí)，控制線和信號(hào)線應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)電線，如變頻器的輸入、輸出線或電源線；若不能避免遠(yuǎn)離強(qiáng)電線，應(yīng)在空間上避免與強(qiáng)電線平行，最好是垂直交叉。

5)安裝的注意事項(xiàng)?？刂乒衽c變頻電機(jī)柜不要相鄰放置，應(yīng)盡量增加二者之間的距離，如果條件受限，不能增加二者之間的距離，則應(yīng)在二者之間加設(shè)擋板隔離[6]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)在采取了上述一系列抗干擾措施后，各傳感器的信號(hào)基本恢復(fù)正常，能夠供系統(tǒng)正常使用，排除了變頻器的電磁干擾對(duì)伺服控制系統(tǒng)的影響，使系統(tǒng)抗干擾性能得到大幅提高。由下面的兩張數(shù)據(jù)圖，可以明顯地看出抗干擾措施的效果。圖2是在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試初始階段，采集到的位移傳感器的信號(hào)值，可以看出信號(hào)值有明顯且劇烈的抖動(dòng)，大概在-62±3 mm這個(gè)范圍內(nèi)，還有個(gè)別尖刺，其值為-57 mm和-66.5 mm，這樣的信號(hào)值是不能用于伺服控制的；圖3是在采取了抗干擾措施后，采集到的位移傳感器的信號(hào)值，可以看出信號(hào)值的震蕩幅值相比圖2大幅度減小，信號(hào)值大概在-45±0.5 mm這個(gè)范圍內(nèi)，個(gè)別尖刺的值為-45.8 mm和-44.8 mm。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，位移傳感器的信號(hào)值得到明顯改善，這樣就能夠供給伺服控制系統(tǒng)使用，試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)恢復(fù)正常。

圖2 采取抗干擾措施之前的位移傳感器信號(hào)值Fig.2 The signal value of displacement sensor before taking antiinterference measures

圖3 采取抗干擾措施之后的位移傳感器信號(hào)值Fig.3 The signal value of displacement sensor after taking antiinterference measures

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中遇到的電磁干擾問(wèn)題進(jìn)行分析，確定是變頻器產(chǎn)生的電磁干擾。然后，對(duì)變頻器干擾的傳播途徑進(jìn)行分析，并分別從電磁干擾源和傳播途徑方面提出了一系列抗干擾措施，經(jīng)實(shí)踐證明，實(shí)施效果良好。對(duì)于變頻器在工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)的工程應(yīng)用中的電磁干擾問(wèn)題，有一定的參考價(jià)值；如果遭遇了變頻器的電磁干擾問(wèn)題，可以通過(guò)測(cè)試，來(lái)判斷電磁干擾是主要是通過(guò)什么途徑進(jìn)行傳播的，如：使用示波器來(lái)測(cè)試通過(guò)電磁輻射途徑傳播的電磁干擾，然后從不同的途徑入手，采取相應(yīng)的措施解決干擾問(wèn)題。同時(shí)，完成了該綜合測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到規(guī)定設(shè)計(jì)要求，使用效果良好。

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