電氣控制系統電磁干擾及抑制策略

肖棟軍，張軍鋒，趙志強，胡淑霞

（西安利雅得電氣股份有限公司，陜西 西安 710075）

1 引言

隨著科學技術的發展，電氣傳動控制系統在工業控制中的應用越來越廣泛，涵蓋了冶金、石油、煤炭、化工、航天等各個領域。電氣傳動控制系統的可靠性直接影響到工業企業的安全生產和經濟運行，而系統的抗干擾能力是整個系統可靠運行的關鍵因素之一。電氣傳動控制系統有的是集中安裝在控制室，有的是安裝在生產現場和各種機電設備上，大多數處在強電電路和強電設備所形成的惡劣電磁環境中。要提高系統的抗電磁干擾能力，專業人員只有預先了解各種電磁干擾的產生、傳輸途徑，才能有效保證系統可靠運行。

2 電磁干擾的產生

工業現場環境中的電磁干擾一般來源以下幾個方面：①在大電流或高電壓劇烈變化的部位導致感應電子劇烈移動的部位；②半導體電力電子器件形成的具有整流、逆變過程的交直流調速、控制設備工作時，由于電子器件具有非線性特點，使得回路電流形成方波，利用傅立葉級數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）主要是由電力網絡、無線電廣播、電視、雷達等產生的，通常稱為輻射干擾源。一般①、③屬于偶發性干擾源，而②屬于持續干擾源。

3 電磁干擾的危害及傳播途徑

3.1 電磁干擾的危害

工業現場電磁干擾的各種危害是通過電氣裝置（設備）的性能、技術指標及可靠性下降來反映的。電氣傳動控制系統的裝置（設備）在電磁干擾作用下的表現是多種多樣的，下面僅就常見的幾種作簡要介紹。

（1）現場總線系統

使得現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、圖像顯示系統模糊不清，圖像質量變差、清晰度變低和誤差變大，總控室不能真實反映現場級的實時狀況，致使監控系統失去意義。

（2）數字控制調速系統

使得交直流調速系統的調速精度下降，速度波動較大，可能出現失控、誤控或誤動作，嚴重時造成觸發脈沖邏輯紊亂，導致功率器件擊穿或燒斷快速熔斷器件。電氣傳動控制系統的可靠性和有效性降低，并危及安全。

（3）現場檢測保護系統

使得現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、液位計等。致使電氣傳動控制系統無法得到有效信號。PLC系統收到的電壓、電流以及脈沖信號紊亂，造成保護誤動作甚至系統崩潰無法正常使用。

（4）現場電機、變壓器、電抗器等設備

使得驅動回路的電機、變壓器、電抗器等設備產生噪音，鐵耗和銅損增大，發熱增加，影響設備的使用壽命，給企業正常生產帶來不利因素。

3.2 電磁干擾的傳播途徑

電氣傳動控制系統電磁干擾的傳播一般為回路擴散、輻射、感應耦合，傳播途徑與其產生有密切關系，下面從電磁干擾的產生介紹幾種常見的傳播方式。

（1）高次諧波電磁干擾

高次諧波是由現場使用的交直流調速設備產生，在電網側及主回路流動，引起電網畸變，影響電網的其他供電設備和系統的正常運行。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

電磁輻射是由現場大容量的交直流設備瞬間啟動、制動或大電流運行時，對空間或線纜槽架產生的強電磁場，直接輻射到其他的電氣控制設備而形成的，造成其他設備瞬間停機或擊毀器件。

（3）感應耦合電磁干擾

感應耦合電磁干擾往往伴隨在輻射干擾情況下，但其較為復雜而難以抑制，強電磁場輻射設備、線纜過程中，因為電磁感應原理，在其他設備和線纜上感應耦合出持續型、脈沖型及無序的電壓、電流信號，這些信號的出現，導致電氣傳動系統的邏輯控制、邏輯保護發生錯誤而無法正常運行。

4 電氣傳動控制系統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、提高電氣傳動系統設備的EMC。針對具體的項目，要從電氣傳動系統設計、柜體組裝、現場柜體安裝以及現場調試各個環節都必須加以考慮，才能有效地抑制電磁干擾。

4.1 電氣傳動控制系統抑制電磁干擾的設計策略

電氣傳動控制項目最初設計階段，設計工程師要考慮到所有可能發生的干擾現象。一般注意以下幾個方面：①接地系統的設計，安裝電控系統設備的建筑物必須有專門的接地極，一般包括防雷接地、強電接地，如變壓器中性點；弱電接地如計算機、交換機等接地，接地電阻值不大于4Ω。②線纜的設計，應選合適的信號線、通訊線，作保守的管路設計，通訊管路最好采用全程金屬管，通訊線進行隔離或最好采用光纖。③控制電源設計，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壓電源。④控制系統不同設備采用的各種直流電源的“共零線”需認真考慮，“共零線”能有效提高電氣控制系統的抗擾性。⑤使用變頻調速設備要充分考慮諧波影響，必須加裝電抗器、隔離變壓器等，必要時配置動態補償裝置。

4.2 電氣傳動控制系統抑制電磁干擾的柜體安裝方面的策略

柜內安裝元器件時要注意：①柜內所有金屬板件盡可能連接于一體，且柜內設專門的接地母排，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柜內配線要使線纜的長度盡可能短，以減少耦合電感、電容。強電和弱電分開走線，信號電纜的屏蔽要接地。④柜體在工業現場安裝時，保證所有柜體單獨接地良好，采用焊接扁鋼或大于16mm2的接地線。

4.3 電氣傳動控制系統抑制電磁干擾的現場線纜安裝方面的策略

（1）電氣傳動控制設備安裝前，施工單位須依據設計要求做好控制室的接地網，包括防雷接地、電氣接地，二者最好單獨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，消除對電氣傳動控制系統的損害。電氣接地分為安全接地、系統接地、信號屏蔽接地。

（2）產生強磁場及變頻率干擾的系統，如應用直流電磁鐵、變頻器等設備，一般選用鎧裝且屏蔽的線纜，布線時強電和控制、信號線纜分層布置保留一定距離；同時電纜槽架的寬度、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，對開關量信號（如按鈕、限位開關、接近開關等提供的信號）一般對電纜無特殊要求，可選用一般的電纜，信號傳輸距離遠時，可選用屏蔽電纜。模擬信號和高速信號線（如脈沖傳感器、計數碼盤等提供的信號）應選擇屏蔽電纜。通訊電纜要求可靠性高，有的通信電纜的信號頻率很高，一般應選擇設備生產廠家推薦的專用電纜，在要求不高或信號頻率較低時，也可以選用帶屏蔽的雙絞線電纜，但品質要好。

（4）管路布線應使通訊線、信號線、控制線等弱電信號遠離強電，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該大于60cm。隔離強電或遠離高頻干擾源（如大功率可控硅裝置、變頻器、高頻焊機和大型動力線）。在現場可采用線纜上套用金屬管或金屬網的方式。

4.4 電氣傳動控制系統抑制電磁干擾的現場接地方面的策略

（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，可從安全接地導入地下，不會對人造成傷害。

（2）系統接地：電氣控制器為了與所控的各個設備同電位而接地，叫系統接地。接地電阻值不大于4Ω。一般需將電氣設備系統地和控制柜內開關電源負端接在一起，為控制系統地。

（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生傳導干擾的場合，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接地。若為了泄放高頻干擾，數字信號線的屏蔽層應并聯電位均衡線，其電阻應小于屏蔽層電阻的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成光纖通訊，不受任何干擾。

⑦屏蔽電纜遇到有可能產生傳導干擾的場合，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 結束語

電氣傳動控制系統的電磁干擾是一個十分復雜的問題，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，才能夠使電氣傳動控制系統正常工作，保證工業設備安全高效運行。

［1］電磁干擾屏蔽技術（二）［J］.電子工藝技術，1984，（7）.

［2］電磁干擾屏蔽技術（三）［J］.電子工藝技術，1984，（8）.

［3］電子設備中電磁干擾的控制（上）［J］.電信科學，1985，（7）.

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