梭車電控系統的電磁兼容性設計

摘要: 本文就梭車電控系統提出一種電磁兼容性的設計方案。首先闡述下梭車的工作原理和工作環境。著重分析了電磁的干擾源產生機理，干擾源分析和解決的方案。參照相應的國家標準，對梭車電控系統進行了EMC的抗擾度的試驗， 試驗的結果比較理想。

關鍵詞：梭車、EMC、電控系統

中圖分類號: TP271 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2011)10(b)-0000-00

1 前言

梭車用隔爆兼本質安全型變頻調速電控箱是整個梭車電控系統的核心，控制各個電機的啟、停，可實時檢測系統電壓、電機電流、電機溫度、液壓油溫、油箱液位、制動壓力等工況信息。梭車電控系統采用大功率變頻器，同時采用了通信技術和計算機控制技術， 其工作的環境是一個十分復雜的電磁環境。因此，在整個電控箱的設計中，電磁兼容性（EMC）的設計就顯得十分重要。在梭車的電控系統的設計和實施中， 本文從系統總體設計到具體的單元設計，電磁兼容性設計原則的貫穿著自始至終， 取得了非常理想的效果。

2 電磁干擾產生機理

在交流變頻調速系統中，造成高頻電磁干擾的主要原因是半導體功率器件的高速開斷造成的電壓或者電流的非線性。因此有很多高次諧波存在于變頻器的輸入輸出電壓或者電流中。

2.1 輸入側

按照主次可以把煤礦用的梭車系統分為兩大類， 其中一類就是各主要機構的變頻調速系統(見圖1)， 其就是功率元件采用IGBT的， 與晶閘管整流器相比， 它主動控制著輸入(回饋) 電流， 輸入(回饋)電流的諧波含量被通過前置的電抗元件進行了有效地控制。下面我們分別ABB和西門子的變頻調速系統輸入側的實際測量表明， 其5次、7次電壓諧波和電流諧波分別在都在1%以內和1% ~3%之間， 當然高次諧波依然富含在電抗原件下。

另一類就是組成變頻器各種輔助機構。通常其整流采用的是三相不可控橋(晶閘管組成的)， 其輸入電流的波形為正弦波， 它的高次諧波成分極強， 其5次、7次諧波達到了基波的70% ~ 80%。

圖2.1 電磁干擾的串擾耦合

Fig. 2.1 Crosstalk coupling of electromagnetic interference

圖2.2 電纜中大電流的電磁感應耦合

Fig. 2.2 The electromagnetic induction coupling of cable cuhk current

2.2 輸出側

對于電壓型變頻器(目前在煤礦用梭車上使用的都是電壓型變頻器)而言， 其輸出電壓波形為非標準的正弦波， 而由于變頻器的負載-電動機呈電感性， 所以其輸出電流通常為正弦波。顯然， 根據傅立葉級數變換可以得到：變頻器的輸出側的電壓和電流均含有各次諧波。

3 梭車干擾源分析

由于梭車動力來源是煤礦的供電系統，所以它的外部干擾源主要來自供電系統。其供電電源是公共的電網。所以就存在著公用電網的一些通病：高頻諧波的噪聲、脈沖噪聲和持續噪聲等。那么供電線路產生脈沖的有很多種原因，其中主要原因有：熔斷器熔斷、用電設備的通斷和接觸器、繼電器、變壓器、電磁閥等感性負載的斷開。供電線路產生脈沖噪聲的主要原因是投入了容性負載。持續噪聲產生的主要原因是過載或短路時斷路器動作產生的瞬時停電， 次要原因是大型交流異步電動機啟動造成的短時擾動， 電壓缺口（晶閘管整流器換相時造成的）也是造成持續噪聲的原因。高頻諧波噪聲產生的主要原因是存在于電網中晶閘管整流器等諧波源造成的。

4 采取的主要技術措施

4.1 接地

正確的接地既能抑制外部電磁干擾， 又能防止電子電氣設備向外部發射電磁波和靜電而對人員和設備造成危害， 所以接地對于系統的抗干擾能力至關重要。在接地設計、施工時應充分考慮如下幾點:

( 1)應使用盡可能粗而短的接地電纜， 以保證盡可能低的接地阻抗。

( 2)接地線的兩端都應有良好的接觸， 以做到低阻抗連接。

( 3)電控箱體上的地線的接線柱上應盡可能的光滑，防止電控箱上的油漆的而造成的虛接。

4.2 屏蔽

屏蔽是解決電磁干擾問題最為通用也是最為有效的方法之一。關于屏蔽， 我們時常困惑于屏蔽層應該一端接地還是兩端接地， 對于控制電纜單端接地，可以有效的屏蔽干擾。控制電纜的兩端連接就相當于等電位。屏蔽層成為導體，干擾通過信號線和屏蔽層（地）形成通路。因此在梭車電控箱的動力線上，我們采用錫箔包起來，并采用單端接地的方法。主要措施如下:

在電控箱內的動力線上采用錫箔包扎的方式，接地的方式采用的是單線接地。

接線腔的設計：對于輸入和輸出的接線柱采用隔板隔開，使其單獨的在一個腔體內。并用錫箔把隔板包扎起來。

4.3 電源濾波

在煤礦用的梭車上， 電磁干擾信號通過電源網絡干擾網絡上的其他設備是電磁干擾的主要傳播方式之一， 因此在電源線串入濾波器，這樣可以有效的抑制此類的干擾。

(1)所有變頻(整流)設備的輸入側都必須裝設電源濾波器， 而輔助機構變頻器的輸入側往往被忽略， 所以我們在選擇濾波器上必須選擇專門用于變頻器的電源濾波器。它是解決變頻器干擾的一個重要的部件。因此在兩端分別加入濾波器的優點如下：Ⅰ)輸入端專用濾波器優點：1、降低主電源諧波和換相缺口； 2、保護驅動裝置電力電子元件不受主電源尖峰電流沖擊； 3、抑制變頻器輸出的諧波干擾； 4、具有良好的干擾抑制能力，提高系統可靠性。Ⅱ)輸出濾波器安裝在變頻器的輸出側與電機之間優點1、減小輸出電流中的高次諧波成份，2、抑制變頻器的輸出側的浪涌電壓，減小電機由高頻諧波引起的，附加轉矩；3、減小電機噪音。

( 2)電源濾波器應盡可能靠近設備(如變頻器、控制變壓器等) ， 間隙一般不要大于30 cm。

( 3)濾波器應有良好的接地。

( 4)應盡量避免已濾波的導線與未經濾波的導線之間重新耦合， 濾波器與設備之間的電纜應采用屏蔽電纜。

4.4 布線

優化布線: 電動機動力電纜遠離通信、控制電纜， 控制、通信電纜全部采用優質屏蔽電纜， 屏蔽電纜的屏蔽層一端接地。

4.5 磁環

在電控箱喇叭口的輸入的電源線上套上三個較大的磁環，用于濾除感生的高頻。磁環有很高的電阻率和磁導率，它等效于電阻和電感串聯，但電阻值和電感值都隨頻率變化。 他比普通的電感有更好的高頻濾波特性，在高頻時呈現阻性，所以能在相當寬的頻率范圍內保持較高的阻抗，從而提高調頻濾波效果。所以在國外的有些電纜上內置有磁環。另外在輸出的接線腔內的電機線也加了三個小的磁環。實驗的效果得到了明顯的改善。

5 試驗分析

通過采取上述綜合技術措施， 以較少的硬件成本， 達到了很高的電磁兼容性水平。按照國家標準GB12668.3-1990的規定的試驗方法和要求進行電磁輻射騷擾試驗和傳導騷擾電壓試驗。試驗結果表明， 梭車的電控系統在標準規定的低頻、中頻和高頻下的電磁干擾值和干擾的平均值均在規定的范圍之內，順利通過了國家檢測中心的檢驗。梭車電控系統在現場投入使用2年來， 運行情況良好。

參考文獻

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