起重機(jī)的電氣干擾分析及抗干擾措施

張建明

（華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州450015）

0 引言

在現(xiàn)代起重機(jī)電氣變頻控制系統(tǒng)中，變頻器整流電路和逆變電路中主要使用的是半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件，其輸入／輸出的電壓和電流中除了基波成分外，還含有一定的高次諧波，這些高次諧波將給起重機(jī)上集成在一起的其他電氣設(shè)備帶來(lái)不同程度的影響，使起重機(jī)的操作運(yùn)行存在極大的安全隱患和功能障礙。

1 起重機(jī)設(shè)備干擾源綜述

干擾的來(lái)源可用“多、雜、亂”來(lái)概括，既有來(lái)自供電電網(wǎng)、非線性用電設(shè)備等外部的電氣干擾，也有設(shè)備布置、電纜敷設(shè)及接地方式等內(nèi)部引起的干擾，它們以電場(chǎng)耦合、磁場(chǎng)耦合、公共阻抗耦合中的一種或多種方式疊加影響部分用電設(shè)備、控制系統(tǒng)和通訊設(shè)備正常運(yùn)作。

起重機(jī)設(shè)備的干擾主要由供電電網(wǎng)、變頻器自身及設(shè)備布置和電纜敷設(shè)引起。而干擾源一旦存在，其排查消除難度就大大增加，故需在方案設(shè)計(jì)及施工時(shí)就考慮干擾源的排除。以下就這幾種干擾的影響及需采取的措施作進(jìn)一步闡述。

2 起重機(jī)電氣干擾分析及相應(yīng)解決措施

2.1 電網(wǎng)干擾及解決措施

起重設(shè)備的電網(wǎng)干擾主要來(lái)自電網(wǎng)內(nèi)部，如大型電力設(shè)備啟停、工地電焊機(jī)等高頻干擾及具有瞬變過(guò)程的電氣設(shè)備等，它們會(huì)通過(guò)輸電線路傳到設(shè)備電源端，從而引起線路過(guò)電壓、欠電壓、瞬時(shí)掉電、尖峰電壓脈沖等現(xiàn)象而導(dǎo)致設(shè)備損壞。

為避免這類(lèi)干擾引起電源不穩(wěn)定，可加設(shè)浪涌保護(hù)器、過(guò)／欠壓保護(hù)繼電器等設(shè)備，以保障電源突變時(shí)設(shè)備的安全。

2.2 變頻器自身的干擾及解決措施

起重機(jī)用變頻器均是交—直—交變頻器，不管是電壓型還是電流型變頻器，其逆變輸出電流和電壓波形均一個(gè)近似正弦波，另一個(gè)是正弦規(guī)律分布的系列方波或階梯波，除了能構(gòu)成電源無(wú)功損耗的較低次諧波外，還有許多頻率很高的諧波成分，而這些高次諧波不僅降低了供電電源質(zhì)量、污染電源，還會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)、自身系統(tǒng)穩(wěn)定性及負(fù)載產(chǎn)生較大的影響。

（1）對(duì)于變頻器電源進(jìn)線端，為避免變頻器污染電網(wǎng)及減少對(duì)周?chē)姎庠O(shè)備的干擾，必要時(shí)可增設(shè)進(jìn)線電抗器或進(jìn)線濾波器。進(jìn)線電抗器實(shí)際是從外部增加變頻器供電電源的內(nèi)阻抗，是依靠線圈的感抗來(lái)阻礙電流變化的電器，抑制含量較高的低頻諧波電流。進(jìn)線濾波器是通過(guò)增加電源輸入端阻抗，降低變頻器輸入端阻抗，使大部分高頻諧波電流回流到變頻器而抑制對(duì)電源及周?chē)姎庠O(shè)備的干擾。

（2）對(duì)于變頻器負(fù)載電機(jī)，隨著變頻器輸出電纜長(zhǎng)度的增加，其分布電容明顯增大，從而會(huì)造成變頻器逆變輸出的容性尖峰電流過(guò)大，引起變頻器跳閘保護(hù)，因此需要使用輸出電抗器或正弦波濾波器等裝置對(duì)這種容性尖峰電流進(jìn)行限制。一般長(zhǎng)度超過(guò)50m予以考慮，不過(guò)起重設(shè)備一般不存在這么長(zhǎng)距離的電纜。

2.3 設(shè)備及設(shè)備布置安裝引起的干擾及其解決措施

由于變頻器可產(chǎn)生高能量的諧波，這些諧波通過(guò)電磁輻射、電路耦合、電磁感應(yīng)方式傳播，嚴(yán)重時(shí)不但會(huì)造成傳感器或電子設(shè)備不能正常工作，還會(huì)導(dǎo)致變頻器自身出現(xiàn)接地故障不能正常工作。另外，高次諧波電流還通過(guò)電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設(shè)備。這也是PLC控制系統(tǒng)最大的外部干擾源。這就要求變頻設(shè)備和PLC設(shè)備要分開(kāi)隔離布置并保持一定間距。但由于起重設(shè)備平臺(tái)空間有限，不像供配電室那樣有足夠的空間，在布置柜體時(shí)只能盡量將變頻柜按照功率大小順序布置，而將PLC柜布置在靠近功率較小的變頻柜側(cè)或盡量遠(yuǎn)離變頻柜。

電纜敷設(shè)上同樣由于平臺(tái)空間有限導(dǎo)致很多不同類(lèi)型的電纜同向并行敷設(shè)，并不能滿足主、控電纜30cm間距的要求，導(dǎo)致干擾相當(dāng)嚴(yán)重。

為此，在電纜敷設(shè)時(shí)要保證主、控電纜盡量不敷設(shè)于同一管道或線槽，對(duì)于采用線槽的敷設(shè)方式可在中間加一隔板，實(shí)現(xiàn)主、控電路的分開(kāi)布線，對(duì)于采用穿鋼管的敷設(shè)方式要盡量保證主、控電纜分別穿管布線，分開(kāi)捆扎固定，盡量增大二者間距，減少干擾。對(duì)于交叉走線的情況，可盡量保證不同電纜垂直交叉，將控制電纜穿過(guò)鋼管敷設(shè)，以減少電纜絞合，弱化電場(chǎng)耦合?？刂齐娫?、數(shù)字輸入量、數(shù)字輸出量及模擬信號(hào)不要共用一根電纜，且應(yīng)分開(kāi)布線，以減少相互的干擾。交、直流信號(hào)也應(yīng)分開(kāi)布線。

2.4 接地方式及屏蔽措施

接地是另一個(gè)可能的干擾源，鑒于起重機(jī)的電氣設(shè)備全部在設(shè)備平臺(tái)上，一般是將鋼架機(jī)構(gòu)當(dāng)作接地導(dǎo)體，這樣一來(lái)，接地點(diǎn)實(shí)際上只能保證一個(gè)，不能實(shí)現(xiàn)主、控系統(tǒng)的接地點(diǎn)分離，雜散電流的流動(dòng)更使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，同時(shí)變頻器與PLC系統(tǒng)共地，也加劇了對(duì)控制系統(tǒng)的干擾。為此，很有必要對(duì)現(xiàn)有的接地系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)：

（1）對(duì)于PLC等控制回路電源采用屏蔽隔離變壓器，通過(guò)屏蔽層的合理接地，實(shí)現(xiàn)控制回路與電網(wǎng)在電上的高度隔離。隔離變壓器二次側(cè)及與其相連的PLC等控制系統(tǒng)采用公共懸浮接地，切斷兩部分的地線聯(lián)系，以免受到雜散電流的干擾。

（2）變頻器與自身控制柜的外殼相連并采用編制銅網(wǎng)以最短距離與鋼架機(jī)構(gòu)可靠連接，以防干擾引起設(shè)備外殼帶電而危害人身安全。

（3）為保障中性點(diǎn)電位的穩(wěn)定，避免中性點(diǎn)電位漂移，對(duì)電源供電系統(tǒng)從起升設(shè)備電源配電箱由TN－C系統(tǒng)轉(zhuǎn)為T(mén)N－S系統(tǒng)，即采用TN－C－S系統(tǒng)或直接采用TN－S系統(tǒng)供電。

屏蔽措施是處理干擾最重要也最有效的措施，屏蔽層接地方式有單端接地、兩端接地、兩端懸浮、高頻接地及雙層屏蔽層接地等，變頻器的輸出主電纜（距離較遠(yuǎn)或電纜路徑穿過(guò)敏感電氣設(shè)備）干擾嚴(yán)重時(shí)，可采用屏蔽主電纜減少輻射干擾，并在電機(jī)側(cè)及變頻器側(cè)兩端接地，以減少對(duì)周?chē)O(shè)備的電磁干擾；對(duì)于數(shù)字控制信號(hào)優(yōu)先采用信號(hào)接收端單端接地方式；模擬信號(hào)優(yōu)先采用單端（靠近PLC側(cè)）接地方式，效果不佳時(shí)可考慮兩端懸浮或采用雙層屏蔽電纜，外層屏蔽兩端接地，內(nèi)層屏蔽單端接地，具體視現(xiàn)場(chǎng)效果而定。

2.5 其他干擾處理措施

（1）采用控制程序?qū)Ω蓴_信號(hào)進(jìn)行隔離或糾錯(cuò)處理。通過(guò)觀察干擾現(xiàn)象及系統(tǒng)控制程序，采取屏蔽、置位、復(fù)位或延時(shí)動(dòng)作等控制邏輯對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行隔離或糾錯(cuò)，防止輸出元件誤動(dòng)作。

（2）采用控制程序提高輸入信號(hào)的信噪比。對(duì)于有大幅度隨機(jī)干擾的系統(tǒng)，采用程序限幅法（超過(guò)限定值信號(hào)舍棄）并多次采樣求平均值作為最終輸入信號(hào)，可大大提高信號(hào)采集的準(zhǔn)確性。

（3）數(shù)字量輸入信號(hào)并聯(lián)小電容。有時(shí)PLC或其他控制器的開(kāi)關(guān)量輸入由于受外界電涌干擾影響而瞬間輸入錯(cuò)誤，導(dǎo)致PLC誤動(dòng)作，這時(shí)可在PLC的輸入端并聯(lián)上一個(gè)0.1μF的小電容或阻容吸收器來(lái)消除這種干擾。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析起重機(jī)電氣干擾產(chǎn)生的原因，總結(jié)出一些排除干擾的措施，這些處理措施在筆者所實(shí)施的項(xiàng)目中效果比較明顯，大大改善了設(shè)備的應(yīng)用性能。希望這些措施能為電氣設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員提供一定的參考意見(jiàn)，從而使起重設(shè)備在應(yīng)用中更加安全、可靠、方便。

［1］李保國(guó).變頻器的電磁干擾與解決方案［J］.紡織機(jī)械，2010（4）：36～40

［2］張亮.電磁兼容（EMC）技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例詳解［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2014

［3］張質(zhì)文，虞和謙，王金諾，等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1998