風(fēng)光高壓變頻器的電快速脈沖群干擾特點(diǎn)及抑制方法

1引言

EFT是電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)的簡稱。EFT試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證由閃電、接地故障、電源開關(guān)動(dòng)作、或電路中繼電器等電感性負(fù)載動(dòng)作而引起的瞬時(shí)擾動(dòng)對(duì)整個(gè)控制回路中產(chǎn)生干擾時(shí)，控制箱（和PLC等器件）的抗干擾能力。這類干擾的特點(diǎn)是：脈沖成群出現(xiàn)、脈沖的重復(fù)頻率較高、脈沖波形的上升時(shí)間短暫、單個(gè)脈沖的能量較低。所以有可能會(huì)因?yàn)槟陈冯娐分?，機(jī)械開關(guān)對(duì)電感性負(fù)載的切換，對(duì)同一電路的其它電氣和電子設(shè)備產(chǎn)生干擾，所以必須對(duì)本公司高壓變頻器做EFT試驗(yàn)。

2 EFT波形特點(diǎn)

測量條件：接60dB衰減器，衰減器阻抗50Ω；示波器阻抗選50Ω。脈沖群幅值1kV，以重復(fù)頻率5kHz為例。單個(gè)脈沖的波形，如下圖1所示。上升時(shí)間5ns±30%，脈寬50ns±30%

圖1

注：示波器上看到的電壓幅值=（干擾的幅值/60dB）*（50/(50+50)）

脈沖的重復(fù)頻率（即兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間）5kHz時(shí)，如下圖2所示。

圖2

脈沖群（75個(gè)脈沖組成一個(gè)脈沖群）寬度15ms，如下圖3所示

圖3

脈沖群周期300ms，如下圖4所示。

圖4

3 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)等級(jí)

上面4個(gè)波形就是在1kV，5kHz等級(jí)2（紅色字體表示的）下測量的EFT波形

試驗(yàn)等級(jí)的含義：

1級(jí)，具有良好保護(hù)的環(huán)境。計(jì)算機(jī)機(jī)房可代表此類環(huán)境；

2級(jí)，受保護(hù)的環(huán)境。工廠和發(fā)電廠的控制室可代表此類環(huán)境；

3級(jí)，典型工業(yè)環(huán)境。發(fā)電廠和戶外高壓變電站的繼電器房可代表此類環(huán)境；

4級(jí)，嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境。為采取特別安裝措施的電站或工作電壓較高的開關(guān)設(shè)備可代表此類環(huán)境；

4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的實(shí)驗(yàn)框圖

圖5

耦合去耦網(wǎng)絡(luò)分析：

干擾的注入方式：EFT干擾信號(hào)是通過耦合去耦網(wǎng)絡(luò)中的33nF的電容耦合到主電源線上面（而信號(hào)或控制電纜是通過電容耦合夾施加干擾，等效電容是100pF）。對(duì)于33nF的電容，它的截止頻率為100kHz，也就是100kHz以上的干擾信號(hào)可以通過；而100pF的電容，截止頻率為30MHz，僅允許30MHz頻率以上的干擾通過。電快速脈沖的干擾波形為5ns/50ns，重復(fù)頻率5K，脈沖持續(xù)時(shí)間15ms，脈沖群重復(fù)周期300ms。根據(jù)傅立葉變換，它的頻譜是從5K--100MHz的離散譜線，每根譜線的距離是脈沖的重復(fù)頻率。

所以說，施加干擾的耦合電容扮演了一個(gè)高通濾波器的角色，因?yàn)殡娙莸淖杩闺S著頻率的升高而下降，那么干擾中的低頻成分不會(huì)被耦合到EUT，而只有頻率較高的干擾信號(hào)才會(huì)進(jìn)入EUT。當(dāng)我們在EUT電路中再加入共模電感（特別要注意的是，這里的共模電感一定要加在主電源線及其回線上，否則會(huì)發(fā)生飽和從而達(dá)不到衰減干擾的目的）就可以衰減掉一些高頻干擾成分，因?yàn)殡姼械淖杩闺S著頻率的增加而升高。因此，實(shí)際施加到EUT上面的干擾信號(hào)只有中間頻率部分。

5干擾波形的理論分析

5.1脈沖群干擾等級(jí)中重復(fù)頻率的分析

重復(fù)頻率從5kHz，增至100kHz（單脈沖的頻率提高了20倍），

圖6

重復(fù)頻率100kHz時(shí)，單個(gè)脈沖之間周期是10us，如圖6所示

但脈沖群的持續(xù)時(shí)間卻從15ms縮減到750us（持續(xù)時(shí)間縮減為原來的1/20），如下圖7所示。

圖7

重復(fù)頻率100kHz時(shí)，單個(gè)群的寬度是750us，如上圖7所示。因此注入受試設(shè)備的脈沖總量沒變（仍為75個(gè)），注入受試設(shè)備的干擾能量也就沒變，只是單位時(shí)間內(nèi)的脈沖密集程度增加?？紤]到國外專家對(duì)脈沖群試驗(yàn)的故障機(jī)理解釋為是干擾脈沖對(duì)線路結(jié)電容的充電，因此，脈沖頻率越高，單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)越多，對(duì)結(jié)電容的電荷累積也越快，越容易達(dá)到線路出錯(cuò)的閾限。故100kHz的干擾的嚴(yán)酷程度比5kHz的高20倍。（實(shí)驗(yàn)的過程中對(duì)5kHz和100kHz的對(duì)比也印證了這一點(diǎn)）。

5.2EFT干擾脈沖波形特點(diǎn)的分析

由于脈沖群的單個(gè)脈沖波形前沿tr達(dá)到5ns，脈寬達(dá)到50ns，這就注定了脈沖群干擾具有極其豐富的諧波成分。幅度較大的諧波頻率至少可以達(dá)到1/πtr，亦即可以達(dá)到64MHz左右，相應(yīng)的信號(hào)波長為5m。對(duì)于一根載有60MHz以上頻率的電源線來說，如果長度有1m，由于導(dǎo)線長度已經(jīng)可以和信號(hào)的波長可比，不能再以普通傳輸線來考慮，信號(hào)在線上的傳輸過程中，部分依然可以通過傳輸線進(jìn)入受試設(shè)備（傳導(dǎo)發(fā)射）；部分要從線上逸出，成為輻射信號(hào)進(jìn)入受試設(shè)備（輻射發(fā)射）。因此，受試設(shè)備受到的干擾實(shí)際上是傳導(dǎo)與輻射的結(jié)合。

很明顯，傳導(dǎo)和輻射的比例將和電源線的長度有關(guān)，線路越短，傳導(dǎo)成分越多，而輻射比例越小；反之，輻射比例就大。這正是同等條件下，為什么金屬外殼的設(shè)備要比非金屬外殼設(shè)備更容易通過測試的道理，因?yàn)榻饘偻鈿さ脑O(shè)備抗輻射干擾能力較強(qiáng)。并且輻射的強(qiáng)弱還和電源線與參考接地板之間的相對(duì)距離有關(guān)（它反映了受試設(shè)備與接地板之間的分布電容），EUT離參考接地板越近，則分布電容就越大（容抗越?。?，干擾信號(hào)越不容易以輻射方式逸出；反之亦反。由此可見，試驗(yàn)用的電源線長短，電源線離參考接地板的高度，乃至電源線與受試設(shè)備的相對(duì)位置，會(huì)改變傳導(dǎo)發(fā)射的比例，所以我在試驗(yàn)中很注意上述問題，使實(shí)驗(yàn)配置在同等條件下進(jìn)行。

6 EFT干擾的抑制方法分析

根據(jù)上面的分析，EFT干擾，的傳輸過程中，會(huì)有一部分干擾從傳輸?shù)木€纜中逸出這樣設(shè)備最終受到的是傳導(dǎo)和輻射的復(fù)合干擾。但由于傳導(dǎo)的量占絕大部分，可控可觀，所以針對(duì)脈沖群干擾來說，最通用的脈沖群干擾抑制辦法主要采用濾波（電源線和信號(hào)線的濾波）及吸收（用鐵氧體磁芯來吸收）。其中采用鐵氧體磁芯吸收的方案非常便宜也非常有效。而輻射的量可以通過改變傳輸線纜的位置盡量的減小，輻射的可控和可觀性非常差，只能在同等條件下作比較試驗(yàn)，后面做詳細(xì)說明。

因?yàn)榇嬖谥椛涑煞?，輻射干擾的逸出情況各不相同，難以捉摸，濾波器和鐵氧體磁芯的位置就不能隨意更改。最有效的位是將濾波器和鐵氧體磁芯用在干擾的源頭和設(shè)備的入口處。前者是對(duì)干擾源的徹底處理；后者是把緊抑制干擾的大門，使經(jīng)過濾波器和鐵氧體磁芯處理后的電源線和信號(hào)線不再含有輻射的成分。

7實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

7.1測試原主控箱的抗EFT干擾的能力

原控制箱施加EFT干擾（干擾等級(jí)1級(jí)100kHz）后出現(xiàn)誤動(dòng)作，然后死機(jī)。

隨著干擾的累積，開停機(jī)輸出信號(hào)時(shí)有時(shí)無，故障燈閃爍，PWM信號(hào)時(shí)有時(shí)無，運(yùn)行燈閃爍。干擾累積到一定程度時(shí)，開停機(jī)信號(hào)和PWM信號(hào)都消失，運(yùn)行燈熄滅，故障燈點(diǎn)亮。試驗(yàn)說明，原主控箱的抗干擾的能力非常差。

7.2加入鐵氧體磁環(huán)吸收干擾的措施

圖8

未加鐵氧體磁環(huán)時(shí)220VAC電源電壓波形，其中有很大的EFT干擾峰峰值1.82kV,如圖8所示。

在電源輸入端逐個(gè)增加鐵氧體磁環(huán)，從一個(gè)，增加到二個(gè)，到三個(gè)……在每個(gè)關(guān)鍵位置（開關(guān)電源輸入端前，濾波板輸入端前，主控板電源輸入端前）都放一個(gè)鐵氧體磁環(huán)后，干擾死機(jī)出現(xiàn)的時(shí)間普遍由原來的幾秒延長到十幾秒了，說明鐵氧體磁環(huán)有一定效果，但由于數(shù)量少，吸收能力有限，不能完全消除干擾。由鐵氧體吸收的原理知，增加匝數(shù)與增加鐵氧體的個(gè)數(shù)是等效的結(jié)果。所以，把匝數(shù)提高到10匝，將鐵氧體的個(gè)數(shù)減少，節(jié)省了鐵氧體，方便了安裝。

圖9

加鐵氧體磁環(huán)后的波形，220VAC中有干擾峰峰值降為808V,如圖9所示。

從圖8與圖9的對(duì)比，很明顯的看出鐵氧體磁環(huán)把干擾吸收了1kV左右。效果較明顯。

7.3加入TVS管的措施

圖10

未加TVS管時(shí)5VDC電源電壓波形，其中有很大的EFT干擾峰峰值45V,如圖10所示。

在主控板的電源輸入端+5V與GND之間，+12V與GND之間，-12V與GND之間接入TVS管（電壓值選電源電壓的1.4倍），加入此措施后，干擾死機(jī)出現(xiàn)的時(shí)間延長到十幾秒。試驗(yàn)說明加入TVS管對(duì)抗干擾能力有所提升。

圖11

并聯(lián)一個(gè)TVS管后電源電壓波形，EFT干擾峰峰值降為24.9V,如圖11所示。

圖12

并聯(lián)二個(gè)TVS管后電源電壓波形，EFT干擾峰峰值降為12.6V,如圖12所示。

從圖10，圖11與圖12的對(duì)比，很明顯的看出TVS管將EFT干擾吸收效果較明顯。

7.4加入脈沖群抑制器的措施

圖13

未加脈沖群抑制器時(shí)220VAC電源電壓波形，其中有很大的EFT干擾峰峰值1.82kV,如圖13所示。

在電源輸入端增加脈沖群抑制器，脈沖群抑制器能對(duì)2kV、3kV、4kV，5ns/50ns脈沖群進(jìn)行抑制；能抑制范圍從5kHz到500MHz；適用于各種敏感數(shù)字設(shè)備；有效的抑制系統(tǒng)出現(xiàn)的死機(jī)、復(fù)位、亂碼等現(xiàn)象的發(fā)生。

圖14

加脈沖群抑制器時(shí)220VAC電源電壓波形，EFT干擾峰峰值降為740V,如圖14所示。

從圖13與圖14的對(duì)比，很明顯的看出脈沖群抑制器把干擾吸收了1.1kV左右。效果較明顯。

7.5帶載實(shí)驗(yàn)

安裝前門的方法比較了加入整改措施后比加整改措施前干擾得到了有效的抑制。最后進(jìn)行了帶載實(shí)驗(yàn)，在加入最高等級(jí)（四級(jí)）的干擾4kV，100kHz，的EFT干擾過程中，主控箱發(fā)出信號(hào)給單元調(diào)試，單元帶載正常。

8 結(jié)束語

通過電快速脈沖群實(shí)驗(yàn)研究和改進(jìn)，山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的高壓大功率變頻器的電磁兼容性得到了進(jìn)一步的提升，可靠性更高，適應(yīng)各種工業(yè)應(yīng)用場合。

作者簡介：曹公正男碩士研究生，畢業(yè)于長春工業(yè)大學(xué)電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)，供職于山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司，從事技術(shù)研發(fā)工作。