1、引言
變頻器的應(yīng)用日益普及，為各行業(yè)的工業(yè)自動化控制提供了良好的生產(chǎn)及工藝效益。但隨著自動化程度的不斷提高，自動化設(shè)備對電源污染的程度也越來越深，相應(yīng)的對自動控制系統(tǒng)的干擾也越來越強，對電源濾波、凈化，取得相對穩(wěn)定的綠色電源的要求也越來越高。
國際上對電磁兼容（EMC或EMI）的設(shè)計及應(yīng)用已有比較明確的法律及法規(guī)，對電子設(shè)備的干擾及被干擾、電源的諧波含量都有明確的規(guī)定。由于我國電子設(shè)備的自動化發(fā)展相對較慢，對其諧波含量對電網(wǎng)的污染還沒有一定的認(rèn)識，因此這一方面的認(rèn)知還沒有發(fā)展到法律化的程度。但是，在一些工業(yè)生產(chǎn)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(shè)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(xiāng)華星制藥廠我們安裝變頻器設(shè)備時就遇到了該類問題，我們利用濾波措施，經(jīng)過多次調(diào)試，已順利解決。這里我們把問題解決的方法談一下，供業(yè)界人士共同探討。
2 、發(fā)酵車間自動控制系統(tǒng)簡介
河南新鄉(xiāng)華星制藥廠青霉素發(fā)酵107車間，采用北京康拓生化工程有限公司設(shè)計制造的全自動DCS控制系統(tǒng)，對每臺發(fā)酵罐的溫度、壓力、酸堿度（PH值）進(jìn)行全方位監(jiān)控，并對發(fā)酵過程中的補料、出料，包括加糖、苯乙酸、加氨等進(jìn)行全自動操作，有三個傳感器進(jìn)行檢測，發(fā)出電信號至微機(jī)控制系統(tǒng)。由微機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)檢測的電壓（或電流）值適時發(fā)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(xiàn)進(jìn)出料的補給。這樣每臺發(fā)酵罐就有三項進(jìn)出料控制的六個電磁閥，三個傳感器，兩塊檢測儀表，在微機(jī)上全部實行遠(yuǎn)距離監(jiān)控，并將全部數(shù)據(jù)全面顯示于一面大屏幕墻上。全車間共有18個發(fā)酵罐。由此可想而知該類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，控制繁雜，布線稠密，安裝時考慮必須十分周到、細(xì)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(jù)更換皮帶輪，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，對用變頻器節(jié)能已有一定的認(rèn)識，因此決定安裝我公司的變頻器，以實現(xiàn)節(jié)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(yán)重性，變頻器開機(jī)后干擾原控制系統(tǒng)，在微機(jī)上多臺發(fā)酵罐發(fā)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(yīng)用的變頻器，他采用了濟(jì)南菲奧特電子設(shè)備有限公司生產(chǎn)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(dǎo)磁率的鐵氧體磁心及鐵粉芯，配接一定的電容，構(gòu)成LC濾波器，將變頻器產(chǎn)生的高次諧波（在某一頻帶內(nèi)的）濾掉，而使臨近或同一電網(wǎng)工作的電器設(shè)備不受干擾，能夠正常工作。其原理圖如圖1所示：
圖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(dǎo)干擾和減少輸出線上低頻輻射干擾，使直接驅(qū)動的電機(jī)電磁噪聲減小，使電機(jī)的銅損、鐵損大幅減少。其原理圖如圖2所示。
圖2 輸出濾波器電路原理圖
購買了該類濾波器后，我們?nèi)ガF(xiàn)場進(jìn)行調(diào)試。由于對該類現(xiàn)場接觸較少，技術(shù)人員準(zhǔn)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(tǒng)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(chǎn)生干擾的原因：
圖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(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓信號，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅立葉級數(shù)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(tǒng)。在逆變輸出回路中，輸出電流信號是受PWM載波信號調(diào)制的脈沖波形，對于GTR大功率逆變元件，其PWM的載波頻率為2～3kHz， 而IGBT大功率逆變元件的PWM最高載頻可達(dá)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(fù)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(shè)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(dǎo)、電磁耦合、二次輻射和邊傳導(dǎo)邊輻射等。主要途徑如圖4所示：
圖4 變頻器干擾的主要傳播途徑
從上圖可以看出，變頻器產(chǎn)生的輻射干擾對周圍的無線電接收設(shè)備產(chǎn)生強烈的影響，傳導(dǎo)干擾使直接驅(qū)動的電機(jī)產(chǎn)生電磁噪聲，使得銅損、鐵損大幅增加，同時傳導(dǎo)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(shè)備有很大的影響。
針對這兩次調(diào)試情況和變頻器產(chǎn)生干擾及干擾的途徑，我們聯(lián)合濟(jì)南菲奧特電子設(shè)備有限公司的工程師進(jìn)行了分析總結(jié)，并與北京康拓生物工程有限公司的工程師多次進(jìn)行電話溝通，了解了其工作原理、布線情況，分析認(rèn)為主要還是變頻器輸入端產(chǎn)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(nèi)，而輸出線不在線槽內(nèi)，離電機(jī)也比較近。再者，原布線系統(tǒng)不太合理，動力線槽與控制線槽距離較近，只有20cm，按規(guī)定應(yīng)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(chǎn)生的高次諧波通過變頻器的輸入線和地線輻射到其它設(shè)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(diào)一點：我們的變頻器與DCS控制系統(tǒng)不是同一臺變壓器給電，可以排除直接傳導(dǎo)干擾），干擾了控制系統(tǒng)的正常工作。
分析這些問題，由于原布線系統(tǒng)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(yīng)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(yīng)于解決。
在現(xiàn)場原發(fā)酵罐停車后，我們在原濾波器基礎(chǔ)上又增加了一套共模及差模磁環(huán)，在輸入、輸出每相線上各套二個差模環(huán)，在輸入的三根相線上套兩個共模磁環(huán)，并將地線接至配電室的地上。這樣處理后開機(jī)運行，在電機(jī)空載的情況下運行正常，沒有出現(xiàn)干擾報警現(xiàn)象。
帶載運行時，３０５、３０７罐出現(xiàn)干擾報警。將地線改至控制３０７罐（該罐已使用變頻器，線槽內(nèi)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(xiàn)干擾報警現(xiàn)象，分析可能是兩臺變頻器產(chǎn)生的共模干擾疊加所至，也可能是地線放在動力線槽內(nèi)，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(jīng)測量變頻器整機(jī)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(xiàn)象也是間斷出現(xiàn)，這樣分析應(yīng)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(jī)，在輸入的每相線上再加兩只差模環(huán)，在三條輸入相線上再套三個共模環(huán)，這樣開機(jī)運行，工作正常，整個系統(tǒng)不再出現(xiàn)干擾現(xiàn)象。系統(tǒng)處理后的框圖如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)框圖
4、結(jié)束語
這次試驗，為發(fā)酵行業(yè)自動控制與變頻器兼容（即電磁兼容）問題的解決進(jìn)行了一次嘗試。據(jù)北京康拓生化工程有限公司的工程師講，該類自控系統(tǒng)在制藥行業(yè)應(yīng)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(yī)藥制造行業(yè)的應(yīng)用上獲得較大突破。隨著我國變頻器市場的日益擴(kuò)大，電磁兼容的意義將更廣泛，其應(yīng)用的前景將是十分樂觀的。
新風(fēng)光公司發(fā)酵罐部可為制藥廠提供完善的變頻節(jié)能方案，濟(jì)南菲奧特電子設(shè)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(shù)指導(dǎo)與工程整改服務(wù)。