DCS自動控制系統與變頻器的電磁兼容


 摘要

本文介紹了制藥廠發酵罐用變頻器干擾DCS自動控制系統的實例分析及干擾處理方法。通過在變頻器輸入、輸出端加裝匹配的電源濾波器,有效解決了變頻器工作時產生的電磁干擾。經過多次整機調試及試驗,實現了制藥廠發酵車間DCS自動化控制系統與變頻器的電磁兼容。

關鍵詞:電磁干擾 抑制措施 電磁兼容

1、引言

變頻器的應用日益普及,為各行業的工業自動化控制提供了良好的生產及工藝效益。但隨著自動化程度的不斷提高,自動化設備對電源污染的程度也越來越深,相應的對自動控制系統的干擾也越來越強,對電源濾波、凈化,取得相對穩定的綠色電源的要求也越來越高。

國際上對電磁兼容(EMCEMI)的設計及應用已有比較明確的法律及法規,對電子設備的干擾及被干擾、電源的諧波含量都有明確的規定。由于我國電子設備的自動化發展相對較慢,對其諧波含量對電網的污染還沒有一定的認識,因此這一方面的認知還沒有發展到法律化的程度。但是,在一些工業生產自動化程度相對較高的場合,電磁兼容的意義已相對明顯,有些電子設備對電磁干擾非常的敏感,以至于無法正常工作。

在河南新鄉華星制藥廠我們安裝變頻器設備時就遇到了該類問題,我們利用濾波措施,經過多次調試,已順利解決。這里我們把問題解決的方法談一下,供業界人士共同探討。

2 、發酵車間自動控制系統簡介

河南新鄉華星制藥廠青霉素發酵107車間,采用北京康拓生化工程有限公司設計制造的全自動DCS控制系統,對每臺發酵罐的溫度、壓力、酸堿度(PH值)進行全方位監控,并對發酵過程中的補料、出料,包括加糖、苯乙酸、加氨等進行全自動操作,有三個傳感器進行檢測,發出電信號至微機控制系統。由微機控制系統根據檢測的電壓(或電流)值適時發出脈沖信號(+5V),控制電磁閥的開閉(電磁閥工作電壓為+24V),來實現進出料的補給。這樣每臺發酵罐就有三項進出料控制的六個電磁閥,三個傳感器,兩塊檢測儀表,在微機上全部實行遠距離監控,并將全部數據全面顯示于一面大屏幕墻上。全車間共有18個發酵罐。由此可想而知該類系統結構龐大,控制繁雜,布線稠密,安裝時考慮必須十分周到、細致。

3、電磁干擾問題分析及解決方法

由于用戶已試用了一臺變頻器,根據更換皮帶輪,調整電機轉速,對用變頻器節能已有一定的認識,因此決定安裝我公司的變頻器,以實現節能增效的目的。

我們第一次安裝變頻器時,由于未考慮到電磁兼容的嚴重性,變頻器開機后干擾原控制系統,在微機上多臺發酵罐發出報警信號,后來加了輸入、輸出電抗器,也沒能解決問題。后來我們觀察用戶原應用的變頻器,他采用了濟南菲奧特電子設備有限公司生產的變頻器輸入端及輸出端專用電源濾波器,已正常運行一 年,于是制藥廠建議我公司購買該類同型號的電源濾波器。

變頻器輸入端電源濾波器是采用高導磁率的鐵氧體磁心及鐵粉芯,配接一定的電容,構成LC濾波器,將變頻器產生的高次諧波(在某一頻帶內的)濾掉,而使臨近或同一電網工作的電器設備不受干擾,能夠正常工作。其原理圖如圖1所示:


1 輸入濾波器電路原理圖

變頻器輸出端電源濾波器采用電感(L)濾波,抑制變頻器輸出的傳導干擾和減少輸出線上低頻輻射干擾,使直接驅動的電機電磁噪聲減小,使電機的銅損、鐵損大幅減少。其原理圖如圖2所示。

2 輸出濾波器電路原理圖

購買了該類濾波器后,我們去現場進行調試。由于對該類現場接觸較少,技術人員準備不太充分,雖然增加了濾波器,但濾波效果仍不理想,在重載時仍存在干擾,DCS系統不能正常工作,變頻器仍無法運行。于是我們對問題做了具體的分析。

變頻器產生干擾的原因:

3 變頻器主電路圖

變頻器主電路一般是交流—直流—交流模式(見圖3),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 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。

變頻器干擾的主要傳播途徑:

變頻器工作時,作為一個強大的干擾源,其干擾途徑一般分為輻射、傳導、電磁耦合、二次輻射和邊傳導邊輻射等。主要途徑如圖4所示:

4 變頻器干擾的主要傳播途徑

從上圖可以看出,變頻器產生的輻射干擾對周圍的無線電接收設備產生強烈的影響,傳導干擾使直接驅動的電機產生電磁噪聲,使得銅損、鐵損大幅增加,同時傳導干擾和輻射干擾對電源輸入端所連接或鄰近的電子敏感設備有很大的影響。

針對這兩次調試情況和變頻器產生干擾及干擾的途徑,我們聯合濟南菲奧特電子設備有限公司的工程師進行了分析總結,并與北京康拓生物工程有限公司的工程師多次進行電話溝通,了解了其工作原理、布線情況,分析認為主要還是變頻器輸入端產生的高頻諧波造成的干擾。因裝變頻器后,變頻器的輸入線在原動力線槽內,而輸出線不在線槽內,離電機也比較近。再者,原布線系統不太合理,動力線槽與控制線槽距離較近,只有20cm,按規定應不少于50cm,且兩線槽平行走線,這些都是比較忌諱的。變頻器的地線接的也不太合理,接在了電源線的走線槽上,線槽的作用一是支撐電源線、二是起屏蔽作用,變頻器的干擾又通過地線到了線槽上。變頻器產生的高次諧波通過變頻器的輸入線和地線輻射到其它設備的電源線和信號線上(尤其是比較敏感的傳感器的信號線。這里強調一點:我們的變頻器與DCS控制系統不是同一臺變壓器給電,可以排除直接傳導干擾),干擾了控制系統的正常工作。

分析這些問題,由于原布線系統已成定型,再動幾乎是不可能,因此改變電源線和信號線布線的想法應予以排除,變頻器地線可以另走,拉一根地線直接接至配電室電控柜的地線上,對變頻器的輸入端再加強濾波措施,按理論問題應于解決。

在現場原發酵罐停車后,我們在原濾波器基礎上又增加了一套共模及差模磁環,在輸入、輸出每相線上各套二個差模環,在輸入的三根相線上套兩個共模磁環,并將地線接至配電室的地上。這樣處理后開機運行,在電機空載的情況下運行正常,沒有出現干擾報警現象。

帶載運行時,305、307罐出現干擾報警。將地線改至控制307罐(該罐已使用變頻器,線槽內走的是該變頻器的輸出線)變壓器的地線 上,305罐不再干擾報警,但307罐仍間隔幾分鐘出現干擾報警現象,分析可能是兩臺變頻器產生的共模干擾疊加所至,也可能是地線放在動力線槽內,走線較長引起的,于是在地線上加裝地線濾波器,但效果也不太好。后來將地線拆除(經測量變頻器整機漏電流很小,對人體不會造成危害,所以可以將地線拆除),效果好 一些,但報警現象也是間斷出現,這樣分析應該不是地線引起的,還是輸入端的濾波措施不夠,沒有將高頻干擾濾除干凈。因此停機,在輸入的每相線上再加兩只差模環,在三條輸入相線上再套三個共模環,這樣開機運行,工作正常,整個系統不再出現干擾現象。系統處理后的框圖如圖5所示。

5 系統框圖

4、結束語

這次試驗,為發酵行業自動控制與變頻器兼容(即電磁兼容)問題的解決進行了一次嘗試。據北京康拓生化工程有限公司的工程師講,該類自控系統在制藥行業應用很廣泛。我們付出了努力,同時也得到了鍛煉,使我們在電磁兼容問題的處理上又向前邁出了一步,變頻器必將在醫藥制造行業的應用上獲得較大突破。隨著我國變頻器市場的日益擴大,電磁兼容的意義將更廣泛,其應用的前景將是十分樂觀的。

新風光公司發酵罐部可為制藥廠提供完善的變頻節能方案,濟南菲奧特電子設備有限公司的電磁兼容工程部可為廣大變頻器制造廠商提供免費的技術指導與工程整改服務。

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