風(fēng)光高壓變頻器的電快速脈沖群干擾特點(diǎn)及抑制方法

1引言

EFT是電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗的簡(jiǎn)稱(chēng)。EFT試驗的目的是驗證由閃電、接地故障、電源開(kāi)關(guān)動(dòng)作、或電路中繼電器等電感性負載動(dòng)作而引起的瞬時(shí)擾動(dòng)對整個(gè)控制回路中產(chǎn)生干擾時(shí)，控制箱（和PLC等器件）的抗干擾能力。這類(lèi)干擾的特點(diǎn)是：脈沖成群出現、脈沖的重復頻率較高、脈沖波形的上升時(shí)間短暫、單個(gè)脈沖的能量較低。所以有可能會(huì )因為某路電路中，機械開(kāi)關(guān)對電感性負載的切換，對同一電路的其它電氣和電子設備產(chǎn)生干擾，所以必須對本公司高壓變頻器做EFT試驗。

2 EFT波形特點(diǎn)

測量條件：接60dB衰減器，衰減器阻抗50Ω；示波器阻抗選50Ω。脈沖群幅值1kV，以重復頻率5kHz為例。單個(gè)脈沖的波形，如下圖1所示。上升時(shí)間5ns±30%，脈寬50ns±30%

圖1

注：示波器上看到的電壓幅值=（干擾的幅值/60dB）*（50/(50+50)）

脈沖的重復頻率（即兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間）5kHz時(shí)，如下圖2所示。

圖2

脈沖群（75個(gè)脈沖組成一個(gè)脈沖群）寬度15ms，如下圖3所示

圖3

脈沖群周期300ms，如下圖4所示。

圖4

3 標準中規定的試驗等級

上面4個(gè)波形就是在1kV，5kHz等級2（紅色字體表示的）下測量的EFT波形

試驗等級的含義：

1級，具有良好保護的環(huán)境。計算機機房可代表此類(lèi)環(huán)境；

2級，受保護的環(huán)境。工廠(chǎng)和發(fā)電廠(chǎng)的控制室可代表此類(lèi)環(huán)境；

3級，典型工業(yè)環(huán)境。發(fā)電廠(chǎng)和戶(hù)外高壓變電站的繼電器房可代表此類(lèi)環(huán)境；

4級，嚴酷的工業(yè)環(huán)境。為采取特別安裝措施的電站或工作電壓較高的開(kāi)關(guān)設備可代表此類(lèi)環(huán)境；

4標準規定的實(shí)驗框圖

圖5

耦合去耦網(wǎng)絡(luò )分析：

干擾的注入方式：EFT干擾信號是通過(guò)耦合去耦網(wǎng)絡(luò )中的33nF的電容耦合到主電源線(xiàn)上面（而信號或控制電纜是通過(guò)電容耦合夾施加干擾，等效電容是100pF）。對于33nF的電容，它的截止頻率為100kHz，也就是100kHz以上的干擾信號可以通過(guò)；而100pF的電容，截止頻率為30MHz，僅允許30MHz頻率以上的干擾通過(guò)。電快速脈沖的干擾波形為5ns/50ns，重復頻率5K，脈沖持續時(shí)間15ms，脈沖群重復周期300ms。根據傅立葉變換，它的頻譜是從5K--100MHz的離散譜線(xiàn)，每根譜線(xiàn)的距離是脈沖的重復頻率。

所以說(shuō)，施加干擾的耦合電容扮演了一個(gè)高通濾波器的角色，因為電容的阻抗隨著(zhù)頻率的升高而下降，那么干擾中的低頻成分不會(huì )被耦合到EUT，而只有頻率較高的干擾信號才會(huì )進(jìn)入EUT。當我們在EUT電路中再加入共模電感（特別要注意的是，這里的共模電感一定要加在主電源線(xiàn)及其回線(xiàn)上，否則會(huì )發(fā)生飽和從而達不到衰減干擾的目的）就可以衰減掉一些高頻干擾成分，因為電感的阻抗隨著(zhù)頻率的增加而升高。因此，實(shí)際施加到EUT上面的干擾信號只有中間頻率部分。

5干擾波形的理論分析

5.1脈沖群干擾等級中重復頻率的分析

重復頻率從5kHz，增至100kHz（單脈沖的頻率提高了20倍），

圖6

重復頻率100kHz時(shí)，單個(gè)脈沖之間周期是10us，如圖6所示

但脈沖群的持續時(shí)間卻從15ms縮減到750us（持續時(shí)間縮減為原來(lái)的1/20），如下圖7所示。

圖7

重復頻率100kHz時(shí)，單個(gè)群的寬度是750us，如上圖7所示。因此注入受試設備的脈沖總量沒(méi)變（仍為75個(gè)），注入受試設備的干擾能量也就沒(méi)變，只是單位時(shí)間內的脈沖密集程度增加?？紤]到國外專(zhuān)家對脈沖群試驗的故障機理解釋為是干擾脈沖對線(xiàn)路結電容的充電，因此，脈沖頻率越高，單位時(shí)間內的脈沖個(gè)數越多，對結電容的電荷累積也越快，越容易達到線(xiàn)路出錯的閾限。故100kHz的干擾的嚴酷程度比5kHz的高20倍。（實(shí)驗的過(guò)程中對5kHz和100kHz的對比也印證了這一點(diǎn)）。

5.2EFT干擾脈沖波形特點(diǎn)的分析

由于脈沖群的單個(gè)脈沖波形前沿tr達到5ns，脈寬達到50ns，這就注定了脈沖群干擾具有極其豐富的諧波成分。幅度較大的諧波頻率至少可以達到1/πtr，亦即可以達到64MHz左右，相應的信號波長(cháng)為5m。對于一根載有60MHz以上頻率的電源線(xiàn)來(lái)說(shuō)，如果長(cháng)度有1m，由于導線(xiàn)長(cháng)度已經(jīng)可以和信號的波長(cháng)可比，不能再以普通傳輸線(xiàn)來(lái)考慮，信號在線(xiàn)上的傳輸過(guò)程中，部分依然可以通過(guò)傳輸線(xiàn)進(jìn)入受試設備（傳導發(fā)射）；部分要從線(xiàn)上逸出，成為輻射信號進(jìn)入受試設備（輻射發(fā)射）。因此，受試設備受到的干擾實(shí)際上是傳導與輻射的結合。

很明顯，傳導和輻射的比例將和電源線(xiàn)的長(cháng)度有關(guān)，線(xiàn)路越短，傳導成分越多，而輻射比例越??；反之，輻射比例就大。這正是同等條件下，為什么金屬外殼的設備要比非金屬外殼設備更容易通過(guò)測試的道理，因為金屬外殼的設備抗輻射干擾能力較強。并且輻射的強弱還和電源線(xiàn)與參考接地板之間的相對距離有關(guān)（它反映了受試設備與接地板之間的分布電容），EUT離參考接地板越近，則分布電容就越大（容抗越?。?，干擾信號越不容易以輻射方式逸出；反之亦反。由此可見(jiàn)，試驗用的電源線(xiàn)長(cháng)短，電源線(xiàn)離參考接地板的高度，乃至電源線(xiàn)與受試設備的相對位置，會(huì )改變傳導發(fā)射的比例，所以我在試驗中很注意上述問(wèn)題，使實(shí)驗配置在同等條件下進(jìn)行。

6 EFT干擾的抑制方法分析

根據上面的分析，EFT干擾，的傳輸過(guò)程中，會(huì )有一部分干擾從傳輸的線(xiàn)纜中逸出這樣設備最終受到的是傳導和輻射的復合干擾。但由于傳導的量占絕大部分，可控可觀(guān)，所以針對脈沖群干擾來(lái)說(shuō)，最通用的脈沖群干擾抑制辦法主要采用濾波（電源線(xiàn)和信號線(xiàn)的濾波）及吸收（用鐵氧體磁芯來(lái)吸收）。其中采用鐵氧體磁芯吸收的方案非常便宜也非常有效。而輻射的量可以通過(guò)改變傳輸線(xiàn)纜的位置盡量的減小，輻射的可控和可觀(guān)性非常差，只能在同等條件下作比較試驗，后面做詳細說(shuō)明。

因為存在著(zhù)輻射成分，輻射干擾的逸出情況各不相同，難以捉摸，濾波器和鐵氧體磁芯的位置就不能隨意更改。最有效的位是將濾波器和鐵氧體磁芯用在干擾的源頭和設備的入口處。前者是對干擾源的徹底處理；后者是把緊抑制干擾的大門(mén)，使經(jīng)過(guò)濾波器和鐵氧體磁芯處理后的電源線(xiàn)和信號線(xiàn)不再含有輻射的成分。

7實(shí)驗內容

7.1測試原主控箱的抗EFT干擾的能力

原控制箱施加EFT干擾（干擾等級1級100kHz）后出現誤動(dòng)作，然后死機。

隨著(zhù)干擾的累積，開(kāi)停機輸出信號時(shí)有時(shí)無(wú)，故障燈閃爍，PWM信號時(shí)有時(shí)無(wú)，運行燈閃爍。干擾累積到一定程度時(shí)，開(kāi)停機信號和PWM信號都消失，運行燈熄滅，故障燈點(diǎn)亮。試驗說(shuō)明，原主控箱的抗干擾的能力非常差。

7.2加入鐵氧體磁環(huán)吸收干擾的措施

圖8

未加鐵氧體磁環(huán)時(shí)220VAC電源電壓波形，其中有很大的EFT干擾峰峰值1.82kV,如圖8所示。

在電源輸入端逐個(gè)增加鐵氧體磁環(huán)，從一個(gè)，增加到二個(gè)，到三個(gè)……在每個(gè)關(guān)鍵位置（開(kāi)關(guān)電源輸入端前，濾波板輸入端前，主控板電源輸入端前）都放一個(gè)鐵氧體磁環(huán)后，干擾死機出現的時(shí)間普遍由原來(lái)的幾秒延長(cháng)到十幾秒了，說(shuō)明鐵氧體磁環(huán)有一定效果，但由于數量少，吸收能力有限，不能完全消除干擾。由鐵氧體吸收的原理知，增加匝數與增加鐵氧體的個(gè)數是等效的結果。所以，把匝數提高到10匝，將鐵氧體的個(gè)數減少，節省了鐵氧體，方便了安裝。

圖9

加鐵氧體磁環(huán)后的波形，220VAC中有干擾峰峰值降為808V,如圖9所示。

從圖8與圖9的對比，很明顯的看出鐵氧體磁環(huán)把干擾吸收了1kV左右。效果較明顯。

7.3加入TVS管的措施

圖10

未加TVS管時(shí)5VDC電源電壓波形，其中有很大的EFT干擾峰峰值45V,如圖10所示。

在主控板的電源輸入端+5V與GND之間，+12V與GND之間，-12V與GND之間接入TVS管（電壓值選電源電壓的1.4倍），加入此措施后，干擾死機出現的時(shí)間延長(cháng)到十幾秒。試驗說(shuō)明加入TVS管對抗干擾能力有所提升。

圖11

并聯(lián)一個(gè)TVS管后電源電壓波形，EFT干擾峰峰值降為24.9V,如圖11所示。

圖12

并聯(lián)二個(gè)TVS管后電源電壓波形，EFT干擾峰峰值降為12.6V,如圖12所示。

從圖10，圖11與圖12的對比，很明顯的看出TVS管將EFT干擾吸收效果較明顯。

7.4加入脈沖群抑制器的措施

圖13

未加脈沖群抑制器時(shí)220VAC電源電壓波形，其中有很大的EFT干擾峰峰值1.82kV,如圖13所示。

在電源輸入端增加脈沖群抑制器，脈沖群抑制器能對2kV、3kV、4kV，5ns/50ns脈沖群進(jìn)行抑制；能抑制范圍從5kHz到500MHz；適用于各種敏感數字設備；有效的抑制系統出現的死機、復位、亂碼等現象的發(fā)生。

圖14

加脈沖群抑制器時(shí)220VAC電源電壓波形，EFT干擾峰峰值降為740V,如圖14所示。

從圖13與圖14的對比，很明顯的看出脈沖群抑制器把干擾吸收了1.1kV左右。效果較明顯。

7.5帶載實(shí)驗

安裝前門(mén)的方法比較了加入整改措施后比加整改措施前干擾得到了有效的抑制。最后進(jìn)行了帶載實(shí)驗，在加入最高等級（四級）的干擾4kV，100kHz，的EFT干擾過(guò)程中，主控箱發(fā)出信號給單元調試，單元帶載正常。

8 結束語(yǔ)

通過(guò)電快速脈沖群實(shí)驗研究和改進(jìn)，山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的高壓大功率變頻器的電磁兼容性得到了進(jìn)一步的提升，可靠性更高，適應各種工業(yè)應用場(chǎng)合。

作者簡(jiǎn)介：曹公正男碩士研究生，畢業(yè)于長(cháng)春工業(yè)大學(xué)電力電子與電力傳動(dòng)專(zhuān)業(yè)，供職于山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司，從事技術(shù)研發(fā)工作。