变频控制系统电磁干扰分析及对策
1 引言
电磁干扰对控制系统的可靠性,稳定性构成很大隐患。如何防止电磁干扰,提高系统可靠性是大家普遍关注的问题。本文针对某水厂变频控制系统中涉及的变频器、流量计等设备的电磁干扰问题进行分析,给出抗干扰措施,实际运行结果表明经过抗干扰处理后,系统通讯正常,稳定性和可靠性大大提高。
2 变频控制系统概述
水厂设有1个总站,8个分站组成。总站与分站之间采用无线传输、轮询方式通讯。每个分站均由一台PLC管理，负责与多台变频器通讯，实现对相关设备的控制和对模拟量的处理。系统结构框图如图1所示。电台及PLC(可编程逻辑控制器)的供电电源分别来自于经控制变压器隔离的AC 220V和DC 24V。PLC与变频器通过RS-485总线通讯,从而实现对泵的变频调速,恒压供水。
图1 水厂控制系统框图
3 干扰分析
根据电磁的基本原理，形成电磁干扰（EMI）须具备三要素：电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统。因此，一般从抗和防两方面入手来抑制干扰，其总原则是抑制和消除干扰源、切断干扰对系统的耦合通道、降低系统干扰信号的敏感性[1]。结合水厂实际情况，对干扰的三要素进行分析。
3.1 电磁干扰源
（1）变频器干扰
变频器是控制系统实现变频恒压供水的*关键部分。变频器输入部分是整流电路，输出部分是逆变电路，它们都是由起开关作用的非线性元件组成。运行过程中，非线性元件要进行快速开关动作，产生高次谐波，从而使变频器输入电源和输出的电压波形和电流波形产生畸变，进而对其他设备和控制电路中的检测元件和控制器件产生干扰[2][3]。
（2）电磁流量计干扰
电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电性液体体积流量的仪表，其基本工作原理是电磁感应定律[4]。因此电磁耦合、静电感应是电磁流量计产生干扰噪声的重要来源[5]。在电磁流量变送器中，由于两电极的引线处于交变磁场中，当变送器通电后，在引线的闭合回路内就产生出感应电动势[4]。这种干扰信号叠加到测量信号中，影响系统的运行。电磁流量计以数字脉冲量的形式输出累计流量，输出信号设有源和无源，本系统中，设为DC 24V的有源输出[6]。所以若与其他直流电源共地将产生干扰。
3.2 电磁干扰途径
为了抑止干扰源对其他设备、检测元件、控制设备的干扰，必须从传播途径上将干扰切断。一般而言，电磁干扰传播的三个主要途径为辐射、传导、感应耦合。
（1）辐射
干扰以电磁干扰方式向空中幅射，辐射场强取决于干扰源的电流强度、装置的等效辐射阻抗以及干扰源的发射频率。对于高频谐波而言，辐射是其主要的传播方式[3]。变频器作为主要的干扰源，在运行过程的输出电压、输出电流含有大量的高次谐波，开关器件所作的高速切换使辐射更加严重[7]。
相对于变频器而言，电磁流量计由于不用作高速切换，作为数字输出的累计脉冲流量，其输出的直流电压不超过24V,且脉冲速度不快。因而其电磁辐射强度小。
（2）传导
电磁干扰除了通过与其相连的导线向外部发射，也可以通过阻抗耦合或接地回路耦合将干扰带入其它电路。与辐射干扰相比，传导干扰传播的路程可以更远[7]。
（3）感应耦合
感应耦合是介于辐射与传导之间的第三条传播途径。当干扰源的频率较低时，干扰的电磁波辐射有限，该干扰源不直接与其它导体连接，但此时的电磁干扰能量可以通过干扰源输入、输出导线与其相邻的其他导线或导体产生感应耦合，在邻近导线或导体内感应出干扰电流或电压[1]。
感应耦合以导体间的电容耦合的形式出现，也可以电感耦合的形式或电容、电感混合的形式出现，因而有电流耦合、电感耦合、电容耦合[8]。感应耦合与干扰源的频率、与相邻导体的距离以及设备供电电路等因素有关[3][8]。
3.3 对电磁干扰敏感的系统
电磁干扰的存在影响设备的正常运行，对于敏感系统而言，电磁干扰将导致其发生致命性错误。本变频控制系统，当干扰严重时，导致PLC发出错误的控制命令，并使编程通讯中断；同时干扰无线数传电台，使其发送信号出错；对于敏感的电子设备，强干扰会使设备无法运行甚至损坏，如作为通讯转换使用的RS-485-RS-232转换器就出现多次损坏现象。
从电磁干扰的三要素来研究抗干扰措施是有效的途径。
4.1 干扰源的抗干扰
对于干扰源，一般采用屏蔽、接地等措施将干扰源的电磁干扰向外传播的可能性给切除。
4.2 传播过程的抗干扰
对于传导而言，隔离干扰源是有效的措施。当供电电源受污染后含有的谐波成分较大，可以采用电抗器及滤波器有效地抑制干扰信号，良好的接地是提高抗干扰能力的重要措施。
对于辐射干扰，采用屏蔽线或穿管走线可以很好地降低辐射干扰，远离辐射源也是抗干扰的一种有效办法。
耦合通过合理布线、有效屏蔽以及可靠接地等，可以大大提高抗干扰能力。
4.3 对电磁干扰敏感系统的抗干扰
对电磁干扰敏感的系统，如通讯系统、PLC等控制系统，采用屏蔽及洁净无污染的电源供电能提高其抗干扰性能。
5 水厂变频控制系统的抗干扰分析及解决措施
在分析变频控制系统特点及电磁干扰原理的基础上，结合调试情况，分析了干扰原因并给出相应的抗干扰措施。
5.1 变频器抗干扰
实例1：一台PLC与2台变频器组成的控制网络，如图1所示。当变频器停止时，系统通讯正常。单台变频器与PLC通讯正常。两台变频器接入通讯网络后则系统通讯不正常。不能读取任何数据，拆除PLC中所有模拟量信号并将供电电源隔离，通讯还不能建立。
措施：变频器产生的干扰传到通讯网络。将通讯电缆屏蔽层单侧接地，系统不能建立通讯，改成双端接地，通讯正常，系统稳定。分析原因：变频器产生高频磁场干扰信号，在信号线中感应电流，形成干扰，若电缆不接地或单端接地，不能将高频干扰泻放。将屏蔽层双端接地后，外界磁场在原来信号与地线构成的回路中产生感应电流的同时，在屏蔽层与地线中也构成回路产生感应电流Is，同时导体中也产生了感应电流Is，但是这个电流与磁场在信号导体中感应的噪声电流方向是相反的。这样就可以抵消磁场在信号导体上产生的噪声电流，起到屏蔽作用。屏蔽层两端接地抑止外界磁场干扰的原理如图2所示[9]:
图2 通讯电缆屏蔽层两端接地
当屏蔽层的两端地电位不同或有外界磁场时，在屏蔽层中产生电流Is，这时，信号回路的电压方程为：
其中，从自感定义知道：L=φ/I，由互感定义知道：M=φ/I，所以M=Ls，所以通过屏蔽层两端接地可以抑止干扰。但是通过屏蔽层接地也引入了噪声电压RsIs，将电缆屏蔽层和信号地线分开，可以消除这种噪声对系统的影响。
实例2：在7＃变频柜内（PLC和变频器处在同一控制柜），当变频器未运行时，系统通讯正常。变频器运行，干扰严重，上位机与PLC通讯中断，并且PLC有异常输出信号。变频器时启时停。拆除PLC中所有模拟量信号及开关量信号，使PLC只与变频器相连，系统依然无法正常通讯。
措施：PLC供电电源受到干扰，对PLC采取隔离供电的同时调整供电电源布线，通讯有所改善，但仍存在干扰。后将PLC接地线拆除，系统通讯良好。分析原因：变频器产生的谐波干扰传导到24VDC供电电源，同 时通过感应耦合干扰了供电电源线，控制系统不能正常通讯。经隔离供电电源，有效地抑止了传导干扰，缩短供电线路，使走线垂直于变频器输入输出线，减少耦合干扰。处理后系统通讯改善，但仍不能稳定工作，后将PLC接地线拆除，系统通讯良好。
原因：系统采用三相四线制供电，由于没有独立的地线，改动前的PLC地线其实是接到了三相四线制的零线上，PLC地线有浮动电压存在，干扰严重，如图3所示[9]。系统运行时，A点电位为：，B点电位为：，电控系统中水泵等大功率设备的存在，当负载不平衡时，零线电流很大，相对而言，PLC的地线电流很小，基本可以忽略，B点电压影响大。PLC地线悬空后，切除大功率设备对PLC的影响，通讯正常。
图3 串连单点接地
5.2 流量计干扰
实例：电磁流量计输出为4～20mA的电流信号和DC 24V的数字脉冲信号。系统工作时，电台有微弱的发射信号，PLC通讯受到较弱的干扰，拆除瞬时流量信号，干扰依然存在。把脉冲信号从PLC上移除，干扰消失。走线布置如图4所示。
图4 电源布线改动图
分析原因：PLC输��走线，电磁流量计的脉冲信号的M端和24V直流供电电源的M端共用，对于脉冲信号，其DC 24V电源由流量计供电，不同电源共地使系统工作不稳定。流量传感器的交变励磁在传输线上产生耦合干扰，流量计输出的脉冲信号含有大量的谐波成分,这些干扰通过输出线传导出来,24V直流电源M端和脉冲信号线M端共用,把干扰传导到供电电源220VAC,电台供电电源来自于AC 220V交流电源,因而也干扰了无线数传电台。
6 结束语
分析系统的干扰原因，给出合理有效且经济实用的抗干扰措施，系统经过半年多的现场运行表明干扰大大降低，系统通讯基本正常，误动作消除。但是有时还出现通讯滞后现象，要想进一步提高抗干扰能力，需要再增加一些抗干扰设备，如增加滤波环节，完善接地系统等。