浅析纸机变频调速电气控制系统的电磁兼容性

1 引言
EMC是电磁兼容性，是电子设备的一种功能，电子设备在电磁环境中能完成其功能而不产生不能容忍的干扰。即该设备或系统能够在比较恶劣的电磁环境中正常工作，同时又不能辐射过量的电磁波干扰影响周围其它设备及系统的正常工作。
纸机变频调速电气传动控制系统一般有整流单元、逆变器、电机、PLC、编码器、触摸屏(操作屏)操作员站、工程师站、通信网络及相关控制元气件、ET200 等组成。现场总线一般采用Profibus-DP 型式, 控制系统总线一般采用Ethernet 结构，逆变器为SIEMENS 公司矢量控制型式。

在变频调速电气传动控制系统中存在大功率开关器件，电磁干扰是较严重的，如果不采取一定的措施，整个控制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(操作屏)通信中断等。因此分析变频调速电气传动控制系统中的电磁干扰问题，找出合理解决的方案。即保证本系统正常工作，又要希望该系统对其他系统或电气设备的影响减少到允许的程度。
基于SIEMENS 公司SIPAPER CIS概念的纸机控制全集成统一解决方案，使用全球统一的硬件平台和软件平台，开放的系统网络，整体电气控制系统完全符合国际电磁兼容性的标准。将会最大限度地降低系统整个生命周期的费用，并给客户带来稳定、可靠的最大投资收益。

2 变频调速系统电磁干扰的种类
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)、及接受电磁干扰的响应者。电路受干扰的程度可用下式描述:
S=WC/I
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、趋肤效应、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。
2.1 变频调速系统电磁干扰按其频率分为高频干扰和低频干扰两类
(1) 高频干扰
由于采用IGBT等电力电子器件，变频器输出波形、谐波成分、功率因数及使用效率得到了较大地改善和提高，但快速半导体开关也有一个先天不足，即半导体开关的每一次打开和关闭都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，即较强的电磁干扰。
(2) 低频干扰
系统整流单元产生的低次谐波，它通过电网传导，将导致电网电压畸变。对于低频干扰可以用进线侧加装进线电抗器的办法加以抑制。另外，进线电抗器还可以减少其他用电设备对变频器的干扰。
2.2 变频调速系统电磁干扰按传播形式分为传导型干扰和辐射型干扰两大类
(1) 传导干扰是电磁干扰通过电源线路，接地线和信号线传播到对象所造成的干扰。
(2) 辐射干扰是指通过电磁源空间传播到达敏感设备的干扰。
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，其中变频器在工作中产生的电磁干扰是最严重的。
2.3 变频调速系统电磁干扰按主电路，控制回路分析
(1) 变频调速系统电磁干扰按主电路分析
l 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对地产生一个脉冲型噪声电流而产生高次谐波，整流单元产生的低次谐波也应考虑，它通过电网传导，将导致电网电压畸变。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。
l 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。
l 大电感线圈(继电器、接触器、电抗器等)及其引线开合产生较高的过电压。
(2) 变频调速系统电磁干扰按控制电路分析
l 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。
l 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。
l 辐射干扰
控制电缆成为天线，有外来电磁波向空中传播在电缆中产生的电势即为辐射干扰。
l 传导干扰
从接于统一电源的电气设备产生的干扰，通过电源线传播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。

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。屏蔽、滤波、合理接地合理布局等抑制干扰的措施都是很有效的。根据电磁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，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，应该由整个电气系统设计、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 屏蔽一般分为两种类型
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。电磁屏蔽不但要求有良好的接地，而且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)。
3.2 接地
接地是看试简单，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系统的理论或模型。实际中在一个场合运行效果很好的解决方案运用到另一场合效果就不一定好。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以及各项工作的真正实施到位情况。
(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:
l 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，因此可以相信没有地回路存在，因而也就没有干扰问题。
l 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。
l 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。
(2) 接地要求
按接地要求分下面几种:
l 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。