風洞實驗室的自動化控制系統電磁兼容問題分析與解決


   摘要

    本文介紹了某風洞自動化控制系統中變頻器干擾測控系統的實例分析及干擾處理方法。通過在變頻器輸入、輸出端以及其他控制部分電路中加裝匹配的濾波器,及對整個供電系統進行一系列屏蔽和良好接地,有效解決了變頻器工作時產生的電磁干擾(EMI)。經過多次整機調試及試驗,實現了風洞試驗室自動化控制系統的電磁兼容(EMC)。

    關鍵詞:變頻調速 測控系統  電磁干擾  擬制措施  電磁兼容

    風洞試驗研究的應用在社會生產中占有十分重要的地位。隨著生產領域和技術的不斷發展,對風洞動力需求具備寬調速范圍、高穩速精度、快速動態響應等相應的要求,隨著電力電子技術的飛躍發展,各種容量和型式的變頻電源、整流裝置的研制成功以及計算機技術、控制理論的發展,使得交流調速傳動在調速系統中應用領域不斷拓寬,如何維護好變頻調速器控制系統的正常工作,是從事工業自動化專業的工程技術人員所面臨的實際問題,也是風洞試驗數據精度提高的保證。

    1、風洞工作原理

    風洞是能人工產生和控制氣流以模擬飛行器或物體周圍氣體的洞,并可量度氣流對物體的作用以及觀察物理現象的一種管道試驗設備。風洞的動力段裝有電機及風扇系統,電機在交流變頻調速下旋轉,帶動槳葉,電能轉變為槳葉的機械能,槳葉的機械能轉變為空氣介質的壓力能,在風洞管道內產生介質的流動。通過對氣流的修整,使之成為均勻平穩的氣流,以便滿足試驗用流場。

    2、風洞控制系統

    2.1 風速控制

    由變頻器、PID調節器、配套低壓電器及壓力傳感器組成了變頻調速系統如圖1所示,系統中壓力傳感器負責檢測系統壓力差,將壓力信號變換為電阻信號作為反饋輸入PID調節器,經過與給定信號進行比較后其偏差值采用優化的PI算法輸出控制信號控制變頻器的輸出頻率,保證風速的恒定。

    2.2 角度控制

風洞試驗過程中時常要改變試驗模型的角度,從而可以不間斷測量各個角度對應的試驗量,節省了時間,提高了效率和精度,實現全部自動化。

    3、電磁兼容問題三要素

    3.1 電磁騷擾源:任何形式的自然或電能裝置所發射的電磁能量,能使共享同一環境的人或其它生物受到傷害,或使其它設備、分系統或系統發生電磁危害,導致性能降級或失效,即稱為電磁騷擾源。

    3.2 耦合途徑:即傳輸騷擾的通路或媒介。

    3.3 敏感設備(Victim):是指當受到電磁騷擾源所發出的電磁能量的作用時,會受到傷害的人或其它生物,以及會發生電磁危害,導致性能降級或失效的器件、設備、分系統或系統。許多器件、設備、分系統或系統既是電磁騷擾源又是敏感設備。

    系統要發生電磁兼容性問題,必須存在三個因素,即電磁干擾源、耦合途徑、敏感設備。所以,在遇到電磁兼容問題時,要從這三個因素入手,對癥下藥,消除其中某一個因素,就能解決電磁兼容問題。

    4、風洞實驗室的變頻器控制系統電磁兼容問題分析與解決

    4.1 變頻器干擾產生機理

變頻器的主電路一般為交--交組成,外部輸入380V/50Hz的工頻電源經三相橋路不可控整流成直流電壓信號,經濾波電容濾波及大功率晶體管開關元件逆變為頻率可變的交流信號。在整流回路中,輸入電流的波形為不規則的矩形波,波形按傅立葉級數分解為基波和各次諧波,其中的高次諧波將干擾輸入供電系統。在逆變輸出回路中,輸出電流信號是受PWM載波信號調制的脈沖波形,對于GTR大功率逆變元件,其 PWM的載波頻率為23kHz,而IGBT大功率逆變元件的PWM最高載頻可達15kHz。同樣,輸出回路電流信號也可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波,而高次諧波電流對負載直接干擾。另外高次諧波電流還通過電纜向空間輻射,干擾鄰近電氣設備。

    4.2 干擾傳播主要方式及預防:

    4.2.1 輻射干擾

輻射干擾是指控制電纜與周圍電氣回路的靜電容耦合,在電纜中產生的電勢。輻射干擾與現場設備布置及設備所產生的電磁場大小有關,特別是頻率有關,一般通過設置屏蔽電纜和控制系統局部屏蔽及高壓泄放元件進行保護。

    4.2.2 接觸不良干擾

    接觸不良干擾是指變頻器控制電纜的電接點及繼電器觸點接觸不良,電阻發生變化在電纜中產生的干擾。其可采用并聯觸點、鍍金觸點或選用密閉式繼電器,對電纜連接點應定期做擰緊加固處理,以防干擾。

    4.2.3 電源線傳導干擾

    控制系統的正常供電電源均來自電網,由于電網覆蓋范圍廣,它將受到空間輻射的電磁干擾而在線路上產生感應電壓和無用雜波。尤其是電網內部變化,入開關操作浪涌、大型電力設備起停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網短路暫態沖擊等,都通過輸入線路傳到電源周邊。一般設備的電源均采用外系統供電,在輸入側裝超級隔離變壓器或濾波器,并且屏蔽接地,以防干擾。

    4.2.4 接地干擾

    接地不正確可能引起嚴重干擾信號,使系統無法正常工作。接地系統混亂對控制系統的干擾主要是各個接地點電位分布不均,不同接地點間存在地電位差,引起地環路電流,影響系統的正常工作。此外,屏蔽層、接地線和大地有可能構成閉合環路,在變化磁場的作用下, 屏蔽層內會出現感應電流,通過屏蔽層與芯線之間耦合,干擾信號回路。若系統地與其他接地處理混亂,所產生的地環流就有可能在地線上產生不等電位分布,影響控制系統內邏輯電路和模擬電路的正常工作。控制系統工作的邏輯電壓干擾容限較低,邏輯地電位的分布干擾容易影響控制系統的邏輯運算和數據存儲,造成數據混亂、程序跑飛或死機。模擬地電位的分布將導致測量精度下降,引起對信號測控的嚴重失真和誤動作。

    4.3 系統干擾具體分析及其解決措施

1 控制系統原理圖

    傳感器、步進電機、步進電機驅動源、控制儀器及配套低壓電器的工作電源電壓有DC10V AC110VAC220V,在該系統中,用戶要求能夠直觀從控制柜面板觀測風洞風速大小及工作溫度、電機時時轉速等,因此,選用溫度傳感器及自行開發的單片機風速顯示及變角度系統,配合指針式指示表對風洞中的風速、溫度、角度、電機的轉速進行測量和顯示。

    在實際工作中發現,當變頻器起動調速時,數字式轉速表顯示出現錯誤顯示,轉速直接跳到580r/m左右;步進電機抖動,打齒,自行走角度。變頻器停止工作時,控制系統及轉速表恢復正常。很明顯,這是由于變頻器高次諧波分量對電源的干擾造成的,通常,對此最為行之有效的辦法就是對控制電路的供電電源加裝變頻器輸入輸出專用濾波器。整個系統的電氣原理框圖如圖1所示。在變頻器輸入輸出端加裝專用電源濾波器后,起動變頻器,步進電機恢復正常,轉速表影響變小,顯示跳到180r/m。但是隨后在整改轉速表的時候老問題又出現了,步進電機又開始抖動,打齒。而且出現了新問題,控制電路中發給步進電機驅動源的脈沖信號無緣無故被吸收,步進電機失去控制。停電后對電路進行檢查,在電路中沒有發現短路點和其他的連接錯誤等現象。經現場詳細觀察發現,在系統逐漸升速過程中,變頻器運行輸出在某個頻段之間時步進電機出現抖動故障。而且,將變頻器的外控制臺調速電位機線(控制臺內有變頻器引進的線和步進電機控制出線)斷開后,故障仍舊出現。進一步分析變頻器的工作原理可知,在交--交型變頻器中,電網通過三相整流橋給變頻器供電,供電電流利用傅立葉級數可以分解為包含基波和6K±1次諧波(K=123)分量等一系列諧波分量,諧波含量隨進線電抗和直流濾波電抗的電感量增加而減少。具有關資料介紹,通常情況下,加電抗器后五次諧波、七次諧波、十一次諧波和十三次諧波仍然占到40%35%25%20%左右。也就是說變頻器加濾波器后,仍然有一部分諧波存在于線路中。在變頻器配電柜內變頻器的出線很長,靠近變頻器的有信號控制線和轉速表信號線,變頻器起動,測量發現,在信號線上仍然有感應電壓,這是變頻器負載動力線上的高頻信號耦合產生的干擾,屬予空間輻射干擾。在分析清楚故障原因后,針對現場干擾源的主要來源途徑即變頻器的干擾、控制柜內線路混合的干擾及空間電磁干擾等,對控制顯示系統采取了進一步的抗干擾措施。

    首先,針對前述系統的故障狀態,采用小型的信號濾波器分別對轉速表信號線進行濾波。在對轉速表調試的過程中逐漸增加信號濾波器的性能來尋求最佳的抑擾方案,有效的解決了轉速表的顯示錯誤的問題。對于步進電機信號線的干擾,用示波器觀察信號線上的波形,發現在方波基礎上有許多無用的高頻振蕩信號及雜亂波形,在脈沖信號線上串聯信號濾波器后觀察示波器顯示的波形為方波,將脈沖信號線接到步進電機調試打齒和抖動現象沒有了。必須著重指出的是在變頻器的配電柜內,給出的模擬量信號及相應的指示燈應該進行嚴格的金屬屏蔽,并且對信號屏蔽線、金屬屏蔽層進行嚴格的獨立接地,信號線及控制線與電源線應采用金屬管屏蔽隔離,空間位置相對垂直,不要并行敷設線路,這樣能有效的防止空間的電磁干擾的竄入。

    采取上述措施后,整個系統的工作恢復了正常,說明上述措施是完全有效可行的。同時,進一步實踐發現,在解決轉速表的干擾問題時,為了削弱通過線路傳播的干擾信號,在電路中加的濾波器并不是按正常順序直接串聯相加的,而是利用電感電容的諧振特性,交替反相的接入需求最佳效果。

    5、結束語

  綜上所述,在解決風洞實驗室的變頻器控制系統電磁兼容問題時,充分利用了電磁兼容問題三要素。預先抗干擾設計是必須的,系統的布線及連接要仔細;與此同時,必須充分考慮各種電氣設備之間的互相干擾,特別是在小信號測量中,高次諧波對控制電路及測量信號的干擾影響,以及空間的輻射干擾。另外注意控制地與強電地、保護地分開,保持接地良好,營造一個綠色的電磁環境。

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