變頻調(diào)速系統(tǒng)抗靜電干擾性的研究和分析

趙冬梅

ZHAO Dong-mei

（河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，唐山 063004）

0 引言

我國(guó)是一個(gè)電力資源比較貧乏的能源消耗國(guó)，如何發(fā)掘現(xiàn)有電力資源的潛力，提高用電設(shè)備的運(yùn)行效率，是解決電力缺乏問題的一個(gè)有效途徑。采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，可以使驅(qū)動(dòng)負(fù)載類的電機(jī)運(yùn)行效率明顯提高，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的目的。近年來(lái)隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，各種高頻大功率電子器件的出現(xiàn)，變頻器電源供電的交流調(diào)速系統(tǒng)，即變頻調(diào)速系統(tǒng)，在上述各工程領(lǐng)域中已經(jīng)得到了日益廣泛的應(yīng)用。

本文以開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為例，通過(guò)介紹對(duì)于變頻調(diào)速系統(tǒng)的抗靜電干擾試驗(yàn)測(cè)試方法以及結(jié)果，并對(duì)增強(qiáng)變頻器的抗靜電干擾能力提出一些建議和方法。

1 變頻器的構(gòu)造

變頻器主要由主電路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制器組成。控制器常由運(yùn)算電路、檢測(cè)電路、控制信號(hào)的輸入、輸出電路和驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成。其主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器的開關(guān)控制、對(duì)整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能等?？刂品椒梢圆捎媚M控制或數(shù)字控制。高性能的變頻器目前已經(jīng)采用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行全數(shù)字控制，這樣可在盡可能簡(jiǎn)單的硬件電路基礎(chǔ)上，主要靠軟件來(lái)完成各種功能。

圖1為DITO靜電發(fā)生器，可以產(chǎn)生最高達(dá)16.5KV的放電，并且根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)精確地模擬靜電放電脈沖。圖1及圖2為靜電發(fā)生器的外觀及原理圖。

圖2 靜電發(fā)生器原理圖

2 試驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)室的地面應(yīng)設(shè)置接地參考平面，它是一種最小厚度為0.25mm金屬薄板，接地參考平面的最小尺寸為1*1m，實(shí)際尺寸取決于受試設(shè)備的尺寸，而且每邊至少應(yīng)伸出受試設(shè)備或耦合板之外0.5m，并將它與保護(hù)接地系統(tǒng)相連。耦合板應(yīng)采用和接地參考平面相同的金屬和厚度，而且經(jīng)過(guò)每端設(shè)置一個(gè)470?的電阻電纜與接地參考平面連接，當(dāng)電纜置于接地參考平面上時(shí)，這些電阻器應(yīng)能耐受住放電電壓且具有良好的絕緣，以避免對(duì)接地參考平面的短路。

試驗(yàn)配置包括一個(gè)放在接地參考平面上的0.8m高的木桌放在水平耦合板（HCP）面積為1.6m*0.8m，并用一個(gè)厚0.5mm的絕緣襯墊將受試設(shè)備和電纜與耦合板隔離，經(jīng)過(guò)另一根帶電阻電纜接到接地參考平面上，如圖3所示。

圖3 抗靜電試驗(yàn)臺(tái)

2.2 試驗(yàn)方法

靜電放電僅施加于操作人員正常使用受試設(shè)備時(shí)可能接觸的點(diǎn)和表面上，本次試驗(yàn)所測(cè)試的試驗(yàn)點(diǎn)包括：

1）控制器金屬外殼與地絕緣的點(diǎn)。

2）塑料面板與金屬殼體的連接螺栓。

3）控制區(qū)域內(nèi)的操作按鈕，液晶屏等。

為了確定故障的臨界值，試驗(yàn)電壓應(yīng)從最小值到選定的試驗(yàn)電壓值逐漸增加，最后的試驗(yàn)值不應(yīng)超過(guò)產(chǎn)品的規(guī)范值，以避免損壞設(shè)備。本次試驗(yàn)選定的最高試驗(yàn)電壓為：空氣放電時(shí)8KV，接觸放電時(shí)6KV。試驗(yàn)以單次放電和連續(xù)放電兩種方式進(jìn)行測(cè)試。在預(yù)選點(diǎn)上，每次試驗(yàn)至少施加十次單次放電；連續(xù)放電之間的時(shí)間間隔至少1S,但為了確定系統(tǒng)是否會(huì)發(fā)生故障，需要較長(zhǎng)的間隔，試驗(yàn)中選擇1.5S。

注意：

1）在實(shí)施放電的時(shí)候，發(fā)生器的放電回路電纜與受試設(shè)備的距離至少為0.2m。

2）在接觸放電的情況下，放電電極的頂端應(yīng)在操作放電開頭之前接觸受試設(shè)備。

3）在放電電極觸及耦合板的情況下，應(yīng)將靜電放電發(fā)生器垂直地置于與受試設(shè)備距離為0.1m處，耦合板平行于受試設(shè)備放置且與其保持0.1m的距離，用來(lái)模擬人體靜電對(duì)設(shè)備的放電現(xiàn)象。

3 防護(hù)措施

電子系統(tǒng)/設(shè)備的性能判據(jù)分為如下三類。

A類：設(shè)備/分系統(tǒng)在測(cè)試中允許系統(tǒng)功能暫時(shí)完全喪失,但要求功能可自行恢復(fù)；

B類：設(shè)備/分系統(tǒng)在測(cè)試中允許出現(xiàn)性能降級(jí),但其性能下降不影響系統(tǒng)正常工作狀態(tài)和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)；

C類：設(shè)備/分系統(tǒng)在測(cè)試中可以按預(yù)定的要求工作,不出現(xiàn)性能降級(jí)和功能喪失。

通過(guò)本次試驗(yàn)，我們得出以下結(jié)果：

1）控制器金屬殼體進(jìn)行接觸放電和空氣放電，儀器工作正常。

2）對(duì)螺栓和操作按鈕進(jìn)行接觸放電，儀器停止工作，液晶屏閃爍并出現(xiàn)復(fù)位現(xiàn)象，但人員操作干預(yù)后儀器恢復(fù)正常工作，無(wú)需斷電重新啟動(dòng)。

3）對(duì)液晶屏進(jìn)行接觸放電，儀器工作正常。

在實(shí)驗(yàn)中對(duì)控制器輸入端電壓波形進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)疊加靜電干擾后的電壓波形上出現(xiàn)了很多尖峰脈沖。具體如圖4所示。

在本次試驗(yàn)中，功能或性能有暫時(shí)的降低或失去是容許的，但其性能下降不應(yīng)影響系統(tǒng)正常工作狀態(tài)和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。但當(dāng)靜電放電結(jié)束后,控制器應(yīng)能正常工作，其準(zhǔn)確度仍能滿足要求，而不是需要操作人員的干預(yù)后才能恢復(fù)正常。

根據(jù)以上基本原則，我們提出下列解決方法。

利用泄露、調(diào)節(jié)環(huán)境濕度、屏蔽等措施，阻止ESD的產(chǎn)生。具體方法有：

1）采用直接接地的方法，將控制器的保護(hù)接地與地相連，使控制器內(nèi)所產(chǎn)生的靜電電荷迅速向大地泄漏，以防止其靜電電壓上升而產(chǎn)生的靜電帶電。

2）提高環(huán)境的濕度，能夠促使靜電電荷從絕緣體上自行消失。但是應(yīng)注意濕度過(guò)大將降低運(yùn)行設(shè)備的絕緣性能，一般把濕度控制在45%～65%效果比較良好。

3）屏蔽措施，利用接地的金屬箱或屏蔽罩可以使放電電流局限在控制器的外表面,阻止ESD電弧以及相應(yīng)的電磁場(chǎng),并且保護(hù)設(shè)備免受間接放電的影響。

4）另外，在儀器工作環(huán)境中保持通風(fēng)、除塵，工作人員穿著靜電防護(hù)服，佩戴靜電護(hù)腕，也可以起到防止ESD產(chǎn)生的作用。

對(duì)控制器本身進(jìn)行改造，防止ESD的產(chǎn)生。具體方法有：

1）對(duì)殼體的改造，在塑料面板內(nèi)部涂抹一層導(dǎo)電材料，并且加墊導(dǎo)電襯墊，這樣既可以防止因操作者對(duì)金屬外殼的直接接觸放電造成干擾,又可以使面板內(nèi)部導(dǎo)電層和金屬殼體形成屏蔽層，防止操作者對(duì)周圍物體放電時(shí)形成的電磁干擾（EMI）耦合到內(nèi)部形成干擾。

2）按鈕和液晶屏面板的設(shè)計(jì)，將耐高壓的絕緣材料構(gòu)成的薄膜覆蓋到操作按鈕和液晶屏表面，可有效防止ESD通過(guò)按鍵和液晶屏進(jìn)入內(nèi)部電路形成干擾。

3）電路設(shè)計(jì)，在I/O信號(hào)線上接入一個(gè)對(duì)地的電容，能夠?qū)⒔涌诰€路上感應(yīng)的靜電放電電流分流到PCB板的接地處（連接金屬殼體），避免流到電路上。但這個(gè)電容也會(huì)將機(jī)殼上的電流分流到信號(hào)線上。為了避免這種情況的發(fā)生，可以在旁路電容與線路板之間接入一只鐵氧體磁珠，增加流向線路板的路徑阻抗。如果容易受到靜電干擾的按鈕或者孔隙，狹槽處有連接敏感元件的線路，也可以在上面加蓋一層絕緣材料，或者通過(guò)過(guò)孔將線路引到PCB板的下層。

4）對(duì)PCB板的優(yōu)化設(shè)計(jì)，板上的走線是靜電放電產(chǎn)生電磁干擾的發(fā)射天線。因此線長(zhǎng)要求盡可能的短，包圍的面積要盡可能的小 ，以減小天線的耦合，降低對(duì)其他靈敏元件產(chǎn)生的電磁干擾。

采取以上方法進(jìn)行改造后，再將控制器安裝到原試驗(yàn)臺(tái)上，在靜電干擾下，控制器正常工作，液晶屏無(wú)閃爍、跳動(dòng)、復(fù)位等現(xiàn)象，對(duì)輸入端電壓進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖5所示。

圖5 經(jīng)過(guò)抗靜電干擾處理后的電壓波形

4 結(jié)束語(yǔ)

靜電放電是造成核心控制器工作失?；蚬δ苁У囊粋€(gè)重要原因,隨著技術(shù)的發(fā)展和控制器內(nèi)部電路復(fù)雜程度的提高,ESD的危害也越來(lái)越被大家重視。本文分析了ESD產(chǎn)生的原因,并介紹了基于新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的ESD抗擾性試驗(yàn)方法,從控制器的設(shè)計(jì)和工作環(huán)境兩個(gè)方面提出了ESD的防護(hù)措施,為開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)和穩(wěn)定運(yùn)行提供了參考。

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