起重機的電氣干擾分析及抗干擾措施

張建明

（華電鄭州機械設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州450015）

0 引言

在現(xiàn)代起重機電氣變頻控制系統(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上集成在一起的其他電氣設(shè)備帶來不同程度的影響，使起重機的操作運行存在極大的安全隱患和功能障礙。

1 起重機設(shè)備干擾源綜述

干擾的來源可用“多、雜、亂”來概括，既有來自供電電網(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，它們以電場耦合、磁場耦合、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)備正常運作。

起重機設(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)計及施工時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一步闡述。

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

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

2.2 變頻器自身的干擾及解決措施

起重機用變頻器均是交—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近似正弦波，另一個是正弦規(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，還會對控制系統(tǒng)、自身系統(tǒng)穩(wěn)定性及負(fù)載產(chǎn)生較大的影響。

（1）對于變頻器電源進線端，為避免變頻器污染電網(wǎng)及減少對周圍電氣設(shè)備的干擾，必要時可增設(shè)進線電抗器或進線濾波器。進線電抗器實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阻礙電流變化的電器，抑制含量較高的低頻諧波電流。進線濾波器是通過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電源及周圍電氣設(shè)備的干擾。

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

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，這些諧波通過電磁輻射、電路耦合、電磁感應(yīng)方式傳播，嚴(yán)重時不但會造成傳感器或電子設(shè)備不能正常工作，還會導(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)備要分開隔離布置并保持一定間距。但由于起重設(shè)備平臺空間有限，不像供配電室那樣有足夠的空間，在布置柜體時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)上同樣由于平臺空間有限導(dǎo)致很多不同類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)時要保證主、控電纜盡量不敷設(shè)于同一管道或線槽，對于采用線槽的敷設(shè)方式可在中間加一隔板，實現(xiàn)主、控電路的分開布線，對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，分開捆扎固定，盡量增大二者間距，減少干擾。對于交叉走線的情況，可盡量保證不同電纜垂直交叉，將控制電纜穿過鋼管敷設(shè)，以減少電纜絞合，弱化電場耦合。控制電源、數(shù)字輸入量、數(shù)字輸出量及模擬信號不要共用一根電纜，且應(yīng)分開布線，以減少相互的干擾。交、直流信號也應(yīng)分開布線。

2.4 接地方式及屏蔽措施

接地是另一個可能的干擾源，鑒于起重機的電氣設(shè)備全部在設(shè)備平臺上，一般是將鋼架機構(gòu)當(dāng)作接地導(dǎo)體，這樣一來，接地點實際上只能保證一個，不能實現(xiàn)主、控系統(tǒng)的接地點分離，雜散電流的流動更使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，同時變頻器與PLC系統(tǒng)共地，也加劇了對控制系統(tǒng)的干擾。為此，很有必要對現(xiàn)有的接地系統(tǒng)進行改進：

（1）對于PLC等控制回路電源采用屏蔽隔離變壓器，通過屏蔽層的合理接地，實現(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）為保障中性點電位的穩(wěn)定，避免中性點電位漂移，對電源供電系統(tǒng)從起升設(shè)備電源配電箱由TN－C系統(tǒng)轉(zhuǎn)為TN－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)或電纜路徑穿過敏感電氣設(shè)備）干擾嚴(yán)重時，可采用屏蔽主電纜減少輻射干擾，并在電機側(cè)及變頻器側(cè)兩端接地，以減少對周圍設(shè)備的電磁干擾；對于數(shù)字控制信號優(yōu)先采用信號接收端單端接地方式；模擬信號優(yōu)先采用單端（靠近PLC側(cè)）接地方式，效果不佳時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_信號進行隔離或糾錯處理。通過觀察干擾現(xiàn)象及系統(tǒng)控制程序，采取屏蔽、置位、復(fù)位或延時動作等控制邏輯對干擾信號進行隔離或糾錯，防止輸出元件誤動作。

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

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

3 結(jié)語

本文通過分析起重機電氣干擾產(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施的項目中效果比較明顯，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)計及現(xiàn)場調(diào)試人員提供一定的參考意見，從而使起重設(shè)備在應(yīng)用中更加安全、可靠、方便。

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