電氣控制系統(tǒng)電磁干擾及抑制策略

肖棟軍，張軍鋒，趙志強(qiáng)，胡淑霞

（西安利雅得電氣股份有限公司，陜西 西安 710075）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來越廣泛，涵蓋了冶金、石油、煤炭、化工、航天等各個(gè)領(lǐng)域。電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，而系統(tǒng)的抗干擾能力是整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)有的是集中安裝在控制室，有的是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場和各種機(jī)電設(shè)備上，大多數(shù)處在強(qiáng)電電路和強(qiáng)電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中。要提高系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，專業(yè)人員只有預(yù)先了解各種電磁干擾的產(chǎn)生、傳輸途徑，才能有效保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

2 電磁干擾的產(chǎn)生

工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中的電磁干擾一般來源以下幾個(gè)方面：①在大電流或高電壓劇烈變化的部位導(dǎo)致感應(yīng)電子劇烈移動(dòng)的部位；②半導(dǎo)體電力電子器件形成的具有整流、逆變過程的交直流調(diào)速、控制設(shè)備工作時(shí)，由于電子器件具有非線性特點(diǎn)，使得回路電流形成方波，利用傅立葉級數(shù)分解為基波和各次諧波，而高次諧波也是電磁干擾源；③空間輻射電磁場（EMI）主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、無線電廣播、電視、雷達(dá)等產(chǎn)生的，通常稱為輻射干擾源。一般①、③屬于偶發(fā)性干擾源，而②屬于持續(xù)干擾源。

3 電磁干擾的危害及傳播途徑

3.1 電磁干擾的危害

工業(yè)現(xiàn)場電磁干擾的各種危害是通過電氣裝置（設(shè)備）的性能、技術(shù)指標(biāo)及可靠性下降來反映的。電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的裝置（設(shè)備）在電磁干擾作用下的表現(xiàn)是多種多樣的，下面僅就常見的幾種作簡要介紹。

（1）現(xiàn)場總線系統(tǒng)

使得現(xiàn)場總線的傳輸速率變慢、傳輸距離縮短甚至不間斷通訊中斷，造成語音系統(tǒng)、圖像顯示系統(tǒng)模糊不清，圖像質(zhì)量變差、清晰度變低和誤差變大，總控室不能真實(shí)反映現(xiàn)場級的實(shí)時(shí)狀況，致使監(jiān)控系統(tǒng)失去意義。

（2）數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)

使得交直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速精度下降，速度波動(dòng)較大，可能出現(xiàn)失控、誤控或誤動(dòng)作，嚴(yán)重時(shí)造成觸發(fā)脈沖邏輯紊亂，導(dǎo)致功率器件擊穿或燒斷快速熔斷器件。電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性和有效性降低，并危及安全。

（3）現(xiàn)場檢測保護(hù)系統(tǒng)

使得現(xiàn)場級檢測器件的精度、靈敏度降低或無法正常使用。如：電壓電流互感器、霍爾器件、熱電偶、料位、液位計(jì)等。致使電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)無法得到有效信號。PLC系統(tǒng)收到的電壓、電流以及脈沖信號紊亂，造成保護(hù)誤動(dòng)作甚至系統(tǒng)崩潰無法正常使用。

（4）現(xiàn)場電機(jī)、變壓器、電抗器等設(shè)備

使得驅(qū)動(dòng)回路的電機(jī)、變壓器、電抗器等設(shè)備產(chǎn)生噪音，鐵耗和銅損增大，發(fā)熱增加，影響設(shè)備的使用壽命，給企業(yè)正常生產(chǎn)帶來不利因素。

3.2 電磁干擾的傳播途徑

電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)電磁干擾的傳播一般為回路擴(kuò)散、輻射、感應(yīng)耦合，傳播途徑與其產(chǎn)生有密切關(guān)系，下面從電磁干擾的產(chǎn)生介紹幾種常見的傳播方式。

（1）高次諧波電磁干擾

高次諧波是由現(xiàn)場使用的交直流調(diào)速設(shè)備產(chǎn)生，在電網(wǎng)側(cè)及主回路流動(dòng)，引起電網(wǎng)畸變，影響電網(wǎng)的其他供電設(shè)備和系統(tǒng)的正常運(yùn)行。如表1所示為1250kW變頻器使用中的電流諧波量。表2為該變頻項(xiàng)目加裝濾波電抗器后的電流諧波量。

表1 1250kW變頻器使用中的電流諧波量

表2 加裝濾波電抗器后的電流諧波量

（2）輻射電磁干擾

電磁輻射是由現(xiàn)場大容量的交直流設(shè)備瞬間啟動(dòng)、制動(dòng)或大電流運(yùn)行時(shí)，對空間或線纜槽架產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場，直接輻射到其他的電氣控制設(shè)備而形成的，造成其他設(shè)備瞬間停機(jī)或擊毀器件。

（3）感應(yīng)耦合電磁干擾

感應(yīng)耦合電磁干擾往往伴隨在輻射干擾情況下，但其較為復(fù)雜而難以抑制，強(qiáng)電磁場輻射設(shè)備、線纜過程中，因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)原理，在其他設(shè)備和線纜上感應(yīng)耦合出持續(xù)型、脈沖型及無序的電壓、電流信號，這些信號的出現(xiàn)，導(dǎo)致電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的邏輯控制、邏輯保護(hù)發(fā)生錯(cuò)誤而無法正常運(yùn)行。

4 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)抑制電磁干擾的策略

為了抑制電磁干擾，總的原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾的傳播途徑、提高電氣傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備的EMC。針對具體的項(xiàng)目，要從電氣傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、柜體組裝、現(xiàn)場柜體安裝以及現(xiàn)場調(diào)試各個(gè)環(huán)節(jié)都必須加以考慮，才能有效地抑制電磁干擾。

4.1 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)抑制電磁干擾的設(shè)計(jì)策略

電氣傳動(dòng)控制項(xiàng)目最初設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)工程師要考慮到所有可能發(fā)生的干擾現(xiàn)象。一般注意以下幾個(gè)方面：①接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，安裝電控系統(tǒng)設(shè)備的建筑物必須有專門的接地極，一般包括防雷接地、強(qiáng)電接地，如變壓器中性點(diǎn)；弱電接地如計(jì)算機(jī)、交換機(jī)等接地，接地電阻值不大于4Ω。②線纜的設(shè)計(jì)，應(yīng)選合適的信號線、通訊線，作保守的管路設(shè)計(jì)，通訊管路最好采用全程金屬管，通訊線進(jìn)行隔離或最好采用光纖。③控制電源設(shè)計(jì)，在有諧波的場合，需特別注意控制電源的隔離，采用隔離變壓器或交流凈化穩(wěn)壓電源。④控制系統(tǒng)不同設(shè)備采用的各種直流電源的“共零線”需認(rèn)真考慮，“共零線”能有效提高電氣控制系統(tǒng)的抗擾性。⑤使用變頻調(diào)速設(shè)備要充分考慮諧波影響，必須加裝電抗器、隔離變壓器等，必要時(shí)配置動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置。

4.2 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)抑制電磁干擾的柜體安裝方面的策略

柜內(nèi)安裝元器件時(shí)要注意：①柜內(nèi)所有金屬板件盡可能連接于一體，且柜內(nèi)設(shè)專門的接地母排，柜門要有專門接地電纜連接到柜體上。②柜內(nèi)如使用接觸器、電磁閥等線圈類器件，必須安裝吸收元件，如RC元件、壓敏電阻和二極管等。③柜內(nèi)配線要使線纜的長度盡可能短，以減少耦合電感、電容。強(qiáng)電和弱電分開走線，信號電纜的屏蔽要接地。④柜體在工業(yè)現(xiàn)場安裝時(shí)，保證所有柜體單獨(dú)接地良好，采用焊接扁鋼或大于16mm2的接地線。

4.3 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)抑制電磁干擾的現(xiàn)場線纜安裝方面的策略

（1）電氣傳動(dòng)控制設(shè)備安裝前，施工單位須依據(jù)設(shè)計(jì)要求做好控制室的接地網(wǎng)，包括防雷接地、電氣接地，二者最好單獨(dú)做好專用接地極且保持有效距離。防雷接地主要防止自然雷爆放電，消除對電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的損害。電氣接地分為安全接地、系統(tǒng)接地、信號屏蔽接地。

（2）產(chǎn)生強(qiáng)磁場及變頻率干擾的系統(tǒng)，如應(yīng)用直流電磁鐵、變頻器等設(shè)備，一般選用鎧裝且屏蔽的線纜，布線時(shí)強(qiáng)電和控制、信號線纜分層布置保留一定距離；同時(shí)電纜槽架的寬度、高度需合理、有效，布線完成后蓋好槽蓋，具有良好的抗擾作用。

（3）線材必須按要求選用，對開關(guān)量信號（如按鈕、限位開關(guān)、接近開關(guān)等提供的信號）一般對電纜無特殊要求，可選用一般的電纜，信號傳輸距離遠(yuǎn)時(shí)，可選用屏蔽電纜。模擬信號和高速信號線（如脈沖傳感器、計(jì)數(shù)碼盤等提供的信號）應(yīng)選擇屏蔽電纜。通訊電纜要求可靠性高，有的通信電纜的信號頻率很高，一般應(yīng)選擇設(shè)備生產(chǎn)廠家推薦的專用電纜，在要求不高或信號頻率較低時(shí)，也可以選用帶屏蔽的雙絞線電纜，但品質(zhì)要好。

（4）管路布線應(yīng)使通訊線、信號線、控制線等弱電信號遠(yuǎn)離強(qiáng)電，間距不得少于20cm。電源電壓220V以上、電流10A以上的電源電纜與信號電纜之間的距離應(yīng)該大于60cm。隔離強(qiáng)電或遠(yuǎn)離高頻干擾源（如大功率可控硅裝置、變頻器、高頻焊機(jī)和大型動(dòng)力線）。在現(xiàn)場可采用線纜上套用金屬管或金屬網(wǎng)的方式。

4.4 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)抑制電磁干擾的現(xiàn)場接地方面的策略

（1）安全地或電源接地：使電源線接地端和柜體連線接地為安全接地。如電源漏電或柜體帶電，可從安全接地導(dǎo)入地下，不會(huì)對人造成傷害。

（2）系統(tǒng)接地：電氣控制器為了與所控的各個(gè)設(shè)備同電位而接地，叫系統(tǒng)接地。接地電阻值不大于4Ω。一般需將電氣設(shè)備系統(tǒng)地和控制柜內(nèi)開關(guān)電源負(fù)端接在一起，為控制系統(tǒng)地。

（3）信號與屏蔽接地：一般要求信號線必須要有唯一的參考地，屏蔽電纜遇到有可能產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾的場合，也要在就地或者控制室唯一接地，具體情況分析如下。

①開關(guān)量信號一般不需要接地。模擬量信號要做接地處理。

②2線制傳送器信號，采用電源接地，如圖1所示。

③3線制傳送器最好加隔離或采用隔離輸入模塊，如圖2所示。

④4線制傳送器最好在傳送端接地，如圖3所示。

⑤傳送模擬信號的屏蔽線單點(diǎn)接地。若為了泄放高頻干擾，數(shù)字信號線的屏蔽層應(yīng)并聯(lián)電位均衡線，其電阻應(yīng)小于屏蔽層電阻的1／10，并將屏蔽層兩端接地。

⑥通訊線一般兩端接地，否則改成全隔離或轉(zhuǎn)成光纖通訊，不受任何干擾。

⑦屏蔽電纜遇到有可能產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾的場合，也要在就地或者控制室唯一接地，防止形成“地環(huán)路”。

圖1 2線制傳送器

圖2 3線制傳送器

圖3 4線制傳送器

5 結(jié)束語

電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的電磁干擾是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，因此對于電磁干擾的抑制要考慮各方面的因素，具體分析，合理、有效地抑制電磁干擾，才能夠使電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)正常工作，保證工業(yè)設(shè)備安全高效運(yùn)行。

［1］電磁干擾屏蔽技術(shù)（二）［J］.電子工藝技術(shù)，1984，（7）.

［2］電磁干擾屏蔽技術(shù)（三）［J］.電子工藝技術(shù)，1984，（8）.

［3］電子設(shè)備中電磁干擾的控制（上）［J］.電信科學(xué)，1985，（7）.

［4］印制電路設(shè)計(jì)中的電磁干擾（EMI）控制［J］.通信技術(shù)，1986，（3）.