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風光高壓變頻器的電快速脈沖群干擾特點及抑制方法

2011/11/15 11:37:47 電源在線網

摘要：本文通過理論和實驗的方法，詳細分析了電快速脈沖群干擾的特點及其抑制方法，以及風光高壓變頻器在此方面所做的努力和提升。

1引言

EFT是電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗的簡稱。EFT試驗的目的是驗證由閃電、接地故障、電源開關動作、或電路中繼電器等電感性負載動作而引起的瞬時擾動對整個控制回路中產生干擾時，控制箱（和PLC等器件）的抗干擾能力。這類干擾的特點是：脈沖成群出現、脈沖的重復頻率較高、脈沖波形的上升時間短暫、單個脈沖的能量較低。所以有可能會因為某路電路中，機械開關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

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。單個脈沖的波形，如下圖1所示。上升時間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（即兩個脈沖之間的時間）5kHz時，如下圖2所示。

圖2

脈沖群（75個脈沖組成一個脈沖群）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，具有良好保護的環境。計算機機房可代表此類環境；

2級，受保護的環境。工廠和發電廠的控制室可代表此類環境；

3級，典型工業環境。發電廠和戶外高壓變電站的繼電器房可代表此類環境；

4級，嚴酷的工業環境。為采取特別安裝措施的電站或工作電壓較高的開關設備可代表此類環境；

4標準規定的實驗框圖

圖5

耦合去耦網絡分析：

干擾的注入方式：EFT干擾信號是通過耦合去耦網絡中的33nF的電容耦合到主電源線上面（而信號或控制電纜是通過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；而100pF的電容，截止頻率為30MHz，僅允許30MHz頻率以上的干擾通過。電快速脈沖的干擾波形為5ns/50ns，重復頻率5K，脈沖持續時間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，每根譜線的距離是脈沖的重復頻率。

所以說，施加干擾的耦合電容扮演了一個高通濾波器的角色，因為電容的阻抗隨著頻率的升高而下降，那么干擾中的低頻成分不會被耦合到EUT，而只有頻率較高的干擾信號才會進入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及其回線上，否則會發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頻率的增加而升高。因此，實際施加到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，單個脈沖之間周期是10us，如圖6所示

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

圖7

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

5.2EFT干擾脈沖波形特點的分析

由于脈沖群的單個脈沖波形前沿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，相應的信號波長為5m。對于一根載有60MHz以上頻率的電源線來說，如果長度有1m，由于導線長度已經可以和信號的波長可比，不能再以普通傳輸線來考慮，信號在線上的傳輸過程中，部分依然可以通過傳輸線進入受試設備（傳導發射）；部分要從線上逸出，成為輻射信號進入受試設備（輻射發射）。因此，受試設備受到的干擾實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的長度有關，線路越短，傳導成分越多，而輻射比例越小；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與參考接地板之間的相對距離有關（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（容抗越小），干擾信號越不容易以輻射方式逸出；反之亦反。由此可見，試驗用的電源線長短，電源線離參考接地板的高度，乃至電源線與受試設備的相對位置，會改變傳導發射的比例，所以我在試驗中很注意上述問題，使實驗配置在同等條件下進行。

6 EFT干擾的抑制方法分析

根據上面的分析，EFT干擾，的傳輸過程中，會有一部分干擾從傳輸的線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，所以針對脈沖群干擾來說，最通用的脈沖群干擾抑制辦法主要采用濾波（電源線和信號線的濾波）及吸收（用鐵氧體磁芯來吸收）。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改變傳輸線纜的位置盡量的減小，輻射的可控和可觀性非常差，只能在同等條件下作比較試驗，后面做詳細說明。

因為存在著輻射成分，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，使經過濾波器和鐵氧體磁芯處理后的電源線和信號線不再含有輻射的成分。

7實驗內容

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）后出現誤動作，然后死機。

隨著干擾的累積，開停機輸出信號時有時無，故障燈閃爍，PWM信號時有時無，運行燈閃爍。干擾累積到一定程度時，開停機信號和PWM信號都消失，運行燈熄滅，故障燈點亮。試驗說明，原主控箱的抗干擾的能力非常差。

7.2加入鐵氧體磁環吸收干擾的措施

圖8

未加鐵氧體磁環時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。

在電源輸入端逐個增加鐵氧體磁環，從一個，增加到二個，到三個……在每個關鍵位置（開關電源輸入端前，濾波板輸入端前，主控板電源輸入端前）都放一個鐵氧體磁環后，干擾死機出現的時間普遍由原來的幾秒延長到十幾秒了，說明鐵氧體磁環有一定效果，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數是等效的結果。所以，把匝數提高到10匝，將鐵氧體的個數減少，節省了鐵氧體，方便了安裝。