天地科技股份有限公司 劉 輝 崔義森 倪文婧

提升機電控系統(tǒng)電磁兼容性研究

天地科技股份有限公司 劉 輝 崔義森 倪文婧

針對電磁環(huán)境對礦井提升機電控系統(tǒng)工作及安全可靠性的影響，對電磁干擾的各種形式進行分析，重點研究了大功率變流器產(chǎn)生干擾的原因、作用方式和應(yīng)對措施。現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明電控系統(tǒng)所采取的抗干擾對策效果明顯。

提升機電控系統(tǒng)；電磁環(huán)境；大功率變流器

1 引言

隨著電磁兼容相關(guān)標準在國內(nèi)外的制定和普遍實施，電磁兼容問題在工業(yè)信息化和工業(yè)自動化應(yīng)用領(lǐng)域引起了科研人員的廣泛關(guān)注。目前，針對高速動車組系統(tǒng)、高速通信系統(tǒng)、汽車電子系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等的電磁兼容問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了相關(guān)的研究。提升機電控系統(tǒng)是礦山安全生產(chǎn)的重要組成部分，提升機電控系統(tǒng)電磁兼容性研究可以提高系統(tǒng)的安全工作可靠性，為礦山生產(chǎn)提供安全保障。

提升機電控系統(tǒng)主要由控制單元和傳動單元組成，其電磁干擾特性與上述多個系統(tǒng)的電磁干擾特性沒有本質(zhì)的區(qū)別。對提升機電控系統(tǒng)電磁兼容性的研究就是要保證系統(tǒng)減少對外產(chǎn)生電磁輻射，并且在一定的電磁輻射范圍內(nèi)可以正常工作。大功率變流器是提升機電控系統(tǒng)中重要的電磁干擾源，若電磁兼容問題處理不當(dāng)，其產(chǎn)生的輻射電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）和傳導(dǎo)電磁干擾會對控制單元及電機的正常工作產(chǎn)生破壞性影響。

2 提升機電控系統(tǒng)EMC分析

2.1 提升機電控系統(tǒng)電磁兼容性情況介紹

提升機電控系統(tǒng)主要分為控制單元和傳動單元兩部分，控制單元主要包括PLC模塊、通訊模塊、繼電控制模塊、模塊電源、控制電路板以及多種傳輸電纜等；傳動單元主要包括大功率變頻器和電機兩部分。

其中，大功率變頻器是提升機電控系統(tǒng)的主要電磁干擾源，另外，模塊電源和繼電器的開通和關(guān)斷也會產(chǎn)生部分電磁輻射。PLC模塊、通訊模塊以及控制電路板均為弱電系統(tǒng)，工作電壓電流較低，容易受到周圍磁場變化的影響。因此，我們的主要研究內(nèi)容是減少大功率變流器產(chǎn)生的電磁輻射，降低電磁干擾對周邊易受干擾設(shè)備的影響。

2.2 大功率變流器產(chǎn)生EMI的原因

功率開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷產(chǎn)生的高電壓電流變化率，它們通過電路中的寄生電容和電感產(chǎn)生強烈的瞬態(tài)噪聲，雖然大功率變流器（圖1）的開關(guān)頻率遠低于通信系統(tǒng)的信號傳輸頻率，但是由于其處理的電壓、電流和功率都比較大，所以在開關(guān)狀態(tài)變化的過程中會產(chǎn)生更加嚴重的電磁干擾輻射，這些EMI以傳導(dǎo)或近場干擾源的形式出現(xiàn)，對處于電磁輻射范圍內(nèi)的電子電氣設(shè)備造成干擾，影響其正常工作性能。

圖1 變頻器電路結(jié)構(gòu)圖

脈寬調(diào)制方式是目前大功率變流器常用的調(diào)制方式：脈寬調(diào)制（PWM）的控制原理決定了變流器會給電網(wǎng)和電機帶來大量的諧波，從而污染同一電網(wǎng)下的其他負載。使用脈寬調(diào)制方式影響變頻器電磁兼容性能的主要原因是變頻器的輸出波形為階梯波組成的近似正弦波，其中含有大量的諧波，變頻器的輸出波形加到電機上，使得電機在產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的同時向外界環(huán)境發(fā)出大量的電磁波，對處于電磁環(huán)境中的控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，影響控制信號的傳送精度，為了改善變頻器的輸出波形，目前的變頻調(diào)速系統(tǒng)都采用了SPWM調(diào)制技術(shù)，與其它調(diào)制技術(shù)相比，SPWM控制技術(shù)可以減少轉(zhuǎn)矩脈沖，加快系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度、簡化逆變器結(jié)構(gòu)、降低電機諧波損耗。但由于SPWM技術(shù)在很短的時間內(nèi)電壓脈沖快速上升或下降，產(chǎn)生電壓變化率dv/dt值比較大，將會給提升機電控系統(tǒng)帶來過大的沖擊，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定工作。

3 提升機電控系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計

在提升機電控系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計方案中，主要包括隔離、屏蔽、接地、加裝濾波器等常用的抗干擾方法及軟件抗干擾技術(shù)。

3.1 提升機電控電磁兼容設(shè)計方法

3．1．1 接地

提升機電控系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計中有許多需要接地的部分，由于電路的性質(zhì)和接地的目的不同，必須加以嚴格區(qū)分，需要分成若干子系統(tǒng)，然后連接在一起進行總接地，接地大體可分為以下三類:

①保護接地：電氣設(shè)備的金屬外殼、底盤、機座用良好的導(dǎo)體與大地連接成等電位，成為保護接地，它對電氣設(shè)備的安全運行和維護人員的生命安全起著十分重要的作用。

②屏蔽接地：為了抑制變化的電磁場的干擾而采用的多種屏蔽層、屏蔽體都必須接地，才能起到良好的屏蔽作用。

③系統(tǒng)接地：要使電氣設(shè)備能安全可靠的工作，還必須處理好等電位點的接地問題，這類接地稱為系統(tǒng)接地。由于工作性質(zhì)和用途不同又可分為信號地、模擬地、電源地等。

3．1．2 屏蔽

屏蔽就是對兩個空間區(qū)域之間進行金屬隔離，其主要目的是限制內(nèi)部的輻射電磁能越出某一區(qū)域并且防止外來的輻射進入該區(qū)域。使用屏蔽體將元器件、電路、組合件、電纜或整個系統(tǒng)的干擾源包圍起來，防止干擾電磁場向外擴撒或受到外部電磁場的干擾。

3．1．3 濾波

電源線濾波器主要由無源集中參數(shù)元件（電阻、電感、電容）構(gòu)成。它在工作時不消耗能量，主要作用是濾波，利用電容在高頻時的低阻抗特性，將傳輸電纜上的高頻干擾導(dǎo)入地線，同時利用電感線圈在高頻時的高阻抗特性，將高頻干擾波反射回干擾源。

圖2 普通濾波器電路結(jié)構(gòu)圖

圖3 單相電源線濾波器電路結(jié)構(gòu)圖

圖2所示是典型的單相電源線濾波器的線路結(jié)構(gòu)，這種濾波器使得差模電流產(chǎn)生的磁通相互抵消，不會產(chǎn)生磁路飽和，而對共模電流則變現(xiàn)為一個很大的電感，可以獲得比較好的濾波效果，所以這種濾波器在很大程度上是用來對付共模干擾的。

圖3所示為典型的單相電源濾波器的線路結(jié)構(gòu)，其中Cx位于相線與中線之間，用于衰減差模干擾，故稱為差模電容，C位于相線對地和中線對地處，與共模電感一起用于衰減共模干擾，故稱為共模電容。前端電阻的作用是用來釋放可能積聚在電容上的靜電荷。

3.2 提升機電控系統(tǒng)電磁干擾建模及抑制技術(shù)

3．2．1 提升機電控系統(tǒng)電磁干擾建模

針對提升機電控系統(tǒng)電磁兼容技術(shù)的研究，近年來的主要工作集中在大功率變流器EMI建模及抑制技術(shù)的研究；EMI濾波器性能優(yōu)化；電機傳動系統(tǒng)電磁干擾建模及抑制技術(shù)研究；PCB電路分布參數(shù)優(yōu)化；電磁干擾數(shù)值分析技術(shù)等。

傳導(dǎo)電磁干擾是提升機電控系統(tǒng)中的主要干擾源，而大功率變流器的EMI主要是由功率開關(guān)器件的狀態(tài)變化引起的，所以對功率開關(guān)器件瞬時狀態(tài)的模擬是建立EMI模型的關(guān)鍵，使用分段線性化的方法模擬功率開關(guān)器件的電壓和電流暫態(tài)波形，將非線性的開關(guān)狀態(tài)特征用多段的電壓和電流變化率來組合描述，這大大提高了電磁干擾預(yù)測在高頻段的準確性。

傳導(dǎo)EMI建模的關(guān)鍵除了需要考慮元器件和PCB的高頻特性意外，還需要考慮近場耦合干擾的影響，由于受到變流器電路特性的限制，其近場耦合高頻特性的建模比較復(fù)雜，針對這個問題，有文獻提出了功率電路的開關(guān)頻率環(huán)流干擾模型，對大功率變流器內(nèi)部的控制電路和驅(qū)動電路之間產(chǎn)生的強烈的電磁耦合干擾進行分析，對解決傳導(dǎo)電路之間近場耦合電磁干擾建模的難題提供了幫助。

3．2．2 大功率變流器電磁干擾抑制技術(shù)

軟開關(guān)技術(shù)：軟開關(guān)技術(shù)的主要作用是減少功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗，軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用可以使得功率開關(guān)器件的電壓和電流變化率變緩，減少電磁干擾的產(chǎn)生。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，低頻范圍內(nèi)使用軟開關(guān)技術(shù)產(chǎn)生的傳導(dǎo)電磁干擾并沒有明顯的減少，而在高頻工作條件下效果更佳明顯。

調(diào)制技術(shù)：目前大功率變流器的調(diào)制技術(shù)主要是脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM），為了滿足變流器低諧波輸出的需要，在PWM技術(shù)的基礎(chǔ)上運用特定的改進方法獲取更好的變流器電磁兼容性能。例如：特定諧波消除技術(shù)，它是利用特定的數(shù)學(xué)算法來消除3、5、7、9等特定次數(shù)的諧波，從而達到降低輸出電磁干擾的目的；空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)，它是通過對電機的旋轉(zhuǎn)磁場進行更為精確的擬合，從而減少變流器向電機輸出的電磁干擾。

傳導(dǎo)干擾反相抵消技術(shù)：其核心思想是在系統(tǒng)中認為構(gòu)建兩個電位變化幅度相同且相位相反的動態(tài)節(jié)點從而對共模干擾產(chǎn)生有效的抑制效果。

4 結(jié)論

為確保礦井提升機的安全可靠運行，我們采用上述電磁干擾抑制方法對提升機電控系統(tǒng)進行設(shè)計及生產(chǎn)，按此設(shè)計生產(chǎn)的提升機電控系統(tǒng)按國家標準《GB/ T17626.4-2008電磁兼容 試驗和測量技術(shù)》中規(guī)定的試驗方法和要求進行了相關(guān)測試，達到了標準要求，并在煤礦已投入運行，效果良好。

[1]張友德．電磁干擾及控制[M]．北京:電子工業(yè)出版社,2004．

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劉輝（1978-），男，安徽宿州人，副研究員，現(xiàn)供職于天地科技股份有限公司，主要研究方向為電力電子及自動化控制。

中國煤炭科工集團有限公司科技創(chuàng)新基金青年基金項目（2014QN014）。