詳解變頻器的干擾問(wèn)題與處理方法

隨著變頻器應(yīng)用的普及，由變頻器產(chǎn)生的干擾問(wèn)題也變得越來(lái)越突出，本文將為最終用戶詳述EMC的相關(guān)知識(shí)，解決一些工程設(shè)備在工廠測(cè)試時(shí)一切正常，但安裝到現(xiàn)場(chǎng)就會(huì)出現(xiàn)和干擾相關(guān)的問(wèn)題的原因，針對(duì)這些干擾現(xiàn)象將給出相對(duì)應(yīng)的解決方案。

一、電磁兼容的概念

電磁兼容性（EMC）是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁干擾的能力。

因此，EMC包括兩個(gè)方面的要求，一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過(guò)一定的限值；另一方面是指器具對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。

在國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC中，對(duì)電磁兼容EMC（ElectromagneticCompatibility）的定義為系統(tǒng)或設(shè)備在所處的電磁環(huán)境中能正常工作，同時(shí)不會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)和設(shè)備造成干擾。

EMC包括EMI（電磁干擾）及EMS（電磁耐受性）兩部分，所謂EMI電磁干擾，是機(jī)器本身在執(zhí)行應(yīng)有功能的過(guò)程中所產(chǎn)生不利于其它系統(tǒng)的電磁噪聲；而EMS則是指機(jī)器在執(zhí)行應(yīng)有功能的過(guò)程中不受周?chē)姶怒h(huán)境影響的能力。

各種電氣或電子設(shè)備在電磁環(huán)境復(fù)雜的共同空間中，以規(guī)定的安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求的正常工作能力。也稱電磁兼容性。

它的含義包括：

? 電子系統(tǒng)或設(shè)備之間在電磁環(huán)境中的相互兼顧。

? 電子系統(tǒng)或設(shè)備在自然界電磁環(huán)境中能按照設(shè)計(jì)要求正常工作。

EMC在我們生活、工業(yè)設(shè)備等等是非常普遍的，可以說(shuō)是無(wú)處不在，例如我們?cè)诖蜃鶛C(jī)電話時(shí)如果附近有手機(jī)在接收短信時(shí)，聽(tīng)筒會(huì)出現(xiàn)嗞啦嗞啦的噪音，這就是常見(jiàn)的EMC現(xiàn)象。還有日常使用的微波爐，在前面板和外殼必須使用電磁屏蔽，自然界中的閃電，人手上的靜電等等這些都是常見(jiàn)的EMC現(xiàn)象。

另外，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，變頻器、整流器、電焊機(jī)等設(shè)備對(duì)PLC的干擾，步話機(jī)對(duì)其它設(shè)備的干擾等等。

1. 電磁兼容的三要素

系統(tǒng)要發(fā)生電磁兼容性問(wèn)題，必須存在三個(gè)因素，即電磁干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備。所以，在遇到電磁兼容問(wèn)題時(shí)，要從這三個(gè)因素入手，找到造成干擾的根本原因，在工程實(shí)踐中，往往要采取多種措施，才能解決電磁兼容問(wèn)題。

（1）電磁干擾源

電磁干擾源分為自然的和人為的兩種。

自然干擾源主要包括大氣中發(fā)生的各種現(xiàn)象，如雷電等產(chǎn)生的噪聲。自然干擾源還包括來(lái)自太陽(yáng)和外層空間的宇宙噪聲，如太陽(yáng)噪聲、星際噪聲、銀河噪聲等。

人為干擾源是多種多樣的，如電鈴、氣體整流器、手機(jī)、電熱器、步話機(jī)、軟起動(dòng)器、變頻器、伺服、整流器、接觸器、中間繼電器、開(kāi)關(guān)、熒光燈、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)、電弧焊接機(jī)、可控硅、逆變器、電暈放電、各種工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用高頻設(shè)備、電氣鐵道引起的噪聲以及由核爆炸產(chǎn)生的核電磁脈沖等。

（2）耦合途徑

即傳輸電磁干擾的通路或媒介。電磁干擾傳播途徑一般也分為兩種：即傳導(dǎo)耦合方式和輻射耦合方式。耦合途徑的詳細(xì)劃分如圖1所示。

圖 1電磁干擾的耦合途徑劃分

1）傳導(dǎo)耦合

傳導(dǎo)耦合是干擾源與敏感設(shè)備之間的主要耦合途徑之一。

傳導(dǎo)耦合必須在干擾源與敏感設(shè)備之間存在有完整的電路連接，電磁干擾沿著這一連接電路從干擾源傳輸電磁干擾至敏感設(shè)備，產(chǎn)生電磁干擾。

傳導(dǎo)耦合的連接電路包括互連導(dǎo)線、電源線、信號(hào)線、接地導(dǎo)體、設(shè)備的導(dǎo)電構(gòu)件、公共阻抗、電路元器件等。

傳導(dǎo)耦合按其耦合方式可以劃分為三種基本方式：

? 電路性耦合

? 電容性耦合

? 電感性耦合

實(shí)際工程中，這三種耦合方式同時(shí)存在、互相聯(lián)系。

其中：電路性耦合是最常見(jiàn)、最簡(jiǎn)單的傳導(dǎo)耦合方式。最簡(jiǎn)單的電路性傳導(dǎo)耦合模型如圖2所示。

圖 2電路性傳導(dǎo)耦合的一般形式

當(dāng)電路1有電壓U1作用時(shí)，該電壓經(jīng)Z1加到公共阻抗Z12上。當(dāng)電路2開(kāi)路時(shí)，電路1耦合到電路2的電壓為

當(dāng)兩個(gè)電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)，一個(gè)電路的電流在該公共阻抗上形成的電壓就會(huì)影響到另一個(gè)電路，這就是共阻抗耦合，通過(guò)公共地線阻抗的耦合如圖3所示，對(duì)于這種耦合應(yīng)把接地線盡量縮短和加粗，降低公共地線阻抗。

圖 3兩個(gè)設(shè)備同時(shí)接一個(gè)公共地線出現(xiàn)的公共阻抗干擾

多個(gè)接地點(diǎn)因?yàn)閷?duì)地阻抗不同將產(chǎn)生干擾電壓，解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是采用一點(diǎn)接地，

多個(gè)變頻器的一點(diǎn)接地示意圖如圖4所示。

圖 4多個(gè)變頻器的一點(diǎn)接地示意圖

共阻抗干擾的解決方法：

讓兩個(gè)電流回路或系統(tǒng)彼此無(wú)關(guān)。信號(hào)相互獨(dú)立，避免電路的連接，以避免形成電路性耦合。

限制耦合阻抗，使耦合阻抗愈低愈好，當(dāng)耦合阻抗趨于零時(shí)，稱為電路去耦。為使耦合阻抗小，必須使導(dǎo)線電阻和導(dǎo)線電感都盡可能小。

電路去耦：即各個(gè)不同的電流回路之間僅在唯一的一點(diǎn)作電的連接，在這一點(diǎn)就不可能流過(guò)電路性干擾電流，于是達(dá)到電流回路間電路去耦的目的。

隔離：電平相差懸殊的相關(guān)系統(tǒng)（比如信號(hào)傳輸設(shè)備和大功率電氣設(shè)備之間），常采用隔離技術(shù)

2）電容耦合

電容性耦合（The Capacitive Coupling）也稱為電耦合，它是由兩電路間的電場(chǎng)相互作用所引起。一對(duì)平行導(dǎo)線所構(gòu)成的兩電路間的電容性耦合模型及其等效電路如圖5所示。

圖 5耦合模型和等效電路

Un的等效公式如下:

當(dāng)如果R為低阻抗，且滿足

那么，以上公式可簡(jiǎn)化為 UN≈jωC12RU1
電容性耦合的干擾作用相當(dāng)于在導(dǎo)體2與地之間連接了一個(gè)幅度為In＝j(luò)ωC12U1的電流源。

此公式是描述兩導(dǎo)體之間電容性耦合的最重要的公式，它清楚地表明了拾取(耦合)的電壓依賴于相關(guān)參數(shù)。

假定干擾源的電壓U1和工作頻率f不能改變，這樣只留下兩個(gè)減小電容性耦合的參數(shù)C12和R。

減小耦合電容的方法：

干擾源系統(tǒng)的電氣參數(shù)應(yīng)使電壓變化幅度和變化率盡可能地小；

被干擾系統(tǒng)應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)成低阻；

兩個(gè)系統(tǒng)的耦合部分的布置應(yīng)使耦合電容盡量小。例如電線、電纜系統(tǒng)，則應(yīng)使其間距盡量大，導(dǎo)線盡量短，并且要避免平行走線；

可對(duì)干擾源的干擾對(duì)象進(jìn)行電氣屏蔽，屏蔽的目的在于切斷干擾源的導(dǎo)體表面和干擾對(duì)象的導(dǎo)體表面之間的電力線通路，使耦合電容變得最小。

3）電感耦合

電感耦合（Inductive Coupling）也稱為磁耦合，它是由兩電路間的磁場(chǎng)相互作用所引起。當(dāng)電流I在閉合電路中流動(dòng)時(shí)，該電流就會(huì)產(chǎn)生與此電流成正比的磁通量。

電感的值取決于電路的幾何形狀和干擾源和敏感電路的環(huán)路面積、方向、距離以及干擾源和敏感有無(wú)屏蔽。電動(dòng)勢(shì)的公式是：

抑制電感耦合的方法：

干擾源系統(tǒng)的電氣參數(shù)應(yīng)使電流變化的幅度和速率盡量??；

被干擾系統(tǒng)應(yīng)該具有高阻抗；

減少兩個(gè)系統(tǒng)的互感，為此讓導(dǎo)線盡量短，間距盡量大，避免平行走線，采用雙線結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)縮小電流回路所圍成的面積；

對(duì)于干擾源或干擾對(duì)象設(shè)置磁屏蔽，以抑制干擾磁場(chǎng)。

采用平衡措施，使干擾磁場(chǎng)以及耦合的干擾信號(hào)大部分相互抵消。如使被干擾的導(dǎo)線環(huán)在干擾場(chǎng)中的放置方式處于切割磁力線最小，兩根導(dǎo)線垂直，則耦合的干擾信號(hào)最?。涣硗馊鐚⒏蓴_源導(dǎo)線平衡絞合，可將干擾電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消

4）輻射干擾

當(dāng)敏感設(shè)備離干擾源比較遠(yuǎn)時(shí)，干擾通過(guò)其周?chē)拿浇橐噪姶挪ǖ男问较蛲鈧鞑?，干擾電磁能量按電磁場(chǎng)的規(guī)律向周?chē)臻g發(fā)射。

輻射耦合的途徑主要有天線、電纜、導(dǎo)線、機(jī)殼的發(fā)射對(duì)組合。

通常將輻射耦合劃分為三種，即天線與天線的耦合、場(chǎng)耦合與電纜的耦合以及導(dǎo)線與導(dǎo)線的耦合。

其中，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)主要是場(chǎng)與線的耦合，指的是空間電磁場(chǎng)對(duì)存在于其中的導(dǎo)線實(shí)施感應(yīng)耦合，從而在導(dǎo)線上形成分布電磁干擾源；

另外，設(shè)備的電纜線一般是由信號(hào)回路的連接線、電源回路的供電線以及地線一起構(gòu)成，其中每一根導(dǎo)線都由輸入端阻抗、輸出端阻抗和返回導(dǎo)線構(gòu)成一個(gè)回路。因此，設(shè)備電纜線是設(shè)備內(nèi)部電路暴露在機(jī)箱外面的部分，它們最容易受到干擾源輻射場(chǎng)的耦合而感應(yīng)出干擾電壓或干擾電流，沿導(dǎo)線進(jìn)入設(shè)備形成輻射干擾。

對(duì)于導(dǎo)線比較短、電磁波頻率比較低的情況，讀者可以把導(dǎo)線和阻抗構(gòu)成的回路看作為理想的閉合回路。電磁場(chǎng)通過(guò)閉合回路引起的干擾屬于閉合回路耦合。

對(duì)于電纜比較長(zhǎng)、電磁波頻率比較高的情況，導(dǎo)線上的感應(yīng)電壓是不均勻一致的，需要將感應(yīng)電壓等效成許多分布電壓源，采用傳輸線理論來(lái)處理。

抑制輻射干擾的措施：

輻射屏蔽：在干擾源和干擾對(duì)象之間插入一金屬屏蔽物，以阻擋干擾的傳播。

距離隔離：拉開(kāi)干擾源與被干擾對(duì)象之間的距離，這是由于志在近場(chǎng)區(qū)，場(chǎng)量強(qiáng)度與距離平方或立方成比例，當(dāng)距離增大時(shí)，場(chǎng)衰減很快。

對(duì)于場(chǎng)對(duì)電纜的輻射干擾一般要采取屏蔽的方法，對(duì)于變頻器等設(shè)備來(lái)說(shuō)，使用RFI濾波器削弱傳導(dǎo)干擾，同時(shí)削弱輻射干擾，另外接線要遵守變頻器的接線規(guī)則。

（3）敏感設(shè)備

實(shí)際工程中。敏感設(shè)備受到電磁干擾侵襲的耦合途徑是傳導(dǎo)耦合、輻射耦合、感應(yīng)耦合以及它們的組合。敏感設(shè)備（Victim）是指當(dāng)受到電磁干擾源所發(fā)出的電磁能量的作用時(shí)，會(huì)受到傷害的將發(fā)生電磁危害，導(dǎo)致性能降級(jí)或失效的器件、設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)。許多器件、設(shè)備既是電磁干擾源又是敏感設(shè)備。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)的敏感設(shè)備包括PLC、現(xiàn)場(chǎng)儀表等。

二、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)的干擾的類(lèi)型

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)的干擾類(lèi)型有浪涌、諧波干擾、快速脈沖群干擾、靜電干擾和輻射干擾等等類(lèi)型。

1. 浪涌

浪涌也叫突波，通俗點(diǎn)說(shuō)就是超出正常工作電壓的瞬間過(guò)電壓。從本質(zhì)上講，浪涌是發(fā)生在僅僅幾百萬(wàn)分之一秒時(shí)間內(nèi)的一種劇烈脈沖。

可能引起浪涌的原因有重型設(shè)備、短路、電源切換或大型發(fā)動(dòng)機(jī)。目前實(shí)驗(yàn)證明含有浪涌阻絕裝置的產(chǎn)品是可以有效地吸收突發(fā)的巨大能量，以保護(hù)連接設(shè)備免于受損的。

其中，雷擊引起的電涌危害最大，在雷擊放電時(shí)，以雷擊為中心1.5~2KM范圍內(nèi)，都可能產(chǎn)生危險(xiǎn)的過(guò)電壓。雷擊引起（外部）電涌的特點(diǎn)是單相脈沖型，能量巨大。外部電涌的電壓在幾微秒內(nèi)可從幾百伏快速升高至20000V，可以傳輸相當(dāng)長(zhǎng)的距離。

按ANSI/IEEE C62.41-1991說(shuō)明，瞬間電涌高達(dá)20000V，瞬間電流可達(dá)10000A。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)外的電涌，主要來(lái)自于雷電和其它系統(tǒng)的沖擊，大約占 20%，雷電的浪涌電壓如圖6所示。

圖 6浪涌電壓的波形

雷擊產(chǎn)生的危害主要包括以下幾個(gè)方面：

感應(yīng)雷擊電涌過(guò)電壓：雷擊閃電產(chǎn)生的高速變化的電磁場(chǎng)，閃電輻射的電場(chǎng)作用于導(dǎo)體，感應(yīng)很高的過(guò)電壓，這類(lèi)過(guò)電壓具有很陡的前沿并快速衰減。

直接雷擊電涌過(guò)電壓：直接落雷在電網(wǎng)上，由于瞬間能量巨大，破壞力極強(qiáng)，還沒(méi)有一種設(shè)備能對(duì)直接落雷進(jìn)行保護(hù)。

雷擊傳導(dǎo)電涌過(guò)電壓：由遠(yuǎn)處的架空線傳導(dǎo)而來(lái)，由于接于電力網(wǎng)的設(shè)備對(duì)過(guò)電壓有不同的抑制能力，因此傳導(dǎo)過(guò)電壓能量隨線路的延長(zhǎng)而減弱。

振蕩電涌過(guò)電壓：動(dòng)力線等效一個(gè)電感，并于大地及臨近金屬物體間存在分布電容，構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，在TT、TN供電系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障的瞬間，由于高頻率的成分出現(xiàn)諧振，在線路上產(chǎn)生很高過(guò)電壓，主要損壞二次儀表。

對(duì)于雷暴日大于15日的地點(diǎn)，必須加裝防雷裝置，對(duì)于變頻器應(yīng)加裝壓敏電阻，可有效防止浪涌和供電的過(guò)電壓對(duì)設(shè)備的損壞。

由于斷路器的操作、負(fù)荷的投入和切除或系統(tǒng)故障等系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)變化，而使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，從而引起的電力內(nèi)部電磁能量轉(zhuǎn)換或傳輸過(guò)渡過(guò)程，將在系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)過(guò)電壓。在電力系統(tǒng)引起的內(nèi)部過(guò)電壓的原因大致可分為：

? 電力大負(fù)荷的投入和切除；

? 感性負(fù)荷的投入和切除；

? 功率因素補(bǔ)償電容器的投入和切除；

? 短路故障；

另外，接觸器和中間繼電器的線圈吸合時(shí)浪涌對(duì)系統(tǒng)也有影響，接觸器線圈的浪涌有可能達(dá)到上千伏，推薦在這些設(shè)備上加裝浪涌抑制元件，例如RC、雙向峰值二極管等，線圈吸合時(shí)的浪涌如圖7所示。

圖 7接觸器線圈吸合時(shí)的浪涌

2. 諧波干擾

變頻器的主電路一般由交-直-交組成，外部輸入的380 V/50 Hz 的工頻電源經(jīng)三相橋路晶閘管整流成直流電壓信號(hào)后，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開(kāi)關(guān)器件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號(hào)。

在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅里葉級(jí)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(hào)是受PWM載波信號(hào)調(diào)制的脈沖波形，目前低壓變頻器普遍使用IGBT大功率逆變器件，其PWM的載波頻率為2.5~20 kHz，同樣，輸出回路電流信號(hào)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(duì)負(fù)載直接干擾。另外高次諧波電流還通過(guò)電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設(shè)備。

變頻器輸入的電壓和電流波形如圖8所示。

圖 8變頻器的輸入側(cè)波形

可通過(guò)加裝變頻器的進(jìn)線電抗器、直流電抗器、無(wú)源濾波器等設(shè)備降低變頻器產(chǎn)生的諧波。

3. 快速脈沖群干擾

EFT是電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)的簡(jiǎn)稱。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(fù)載動(dòng)作而引起的瞬時(shí)擾動(dòng)對(duì)整個(gè)控制回路中產(chǎn)生干擾時(shí)，對(duì)控制箱（和PLC等器件）的干擾，這類(lèi)干擾的特點(diǎn)是脈沖成群出現(xiàn)、脈沖的重復(fù)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?yàn)槟陈冯娐分校?a target="_blank">機(jī)械開(kāi)關(guān)對(duì)電感性負(fù)載的切換，對(duì)同一電路的其它電氣和電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。在觸點(diǎn)的吸合和斷開(kāi)時(shí)的瞬態(tài)電壓，快速脈沖群的產(chǎn)生示意圖如圖9所示。

圖 9 脈沖群的產(chǎn)生

實(shí)測(cè)接觸器觸點(diǎn)的示波器圖形如圖10所示。

圖 10 接觸器開(kāi)斷的示波器波形

由于脈沖群的單個(gè)脈沖波形前沿tr達(dá)到5ns，脈寬達(dá)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(dá)到1/πtr，亦即可以達(dá)到64MHz左右，相應(yīng)的信號(hào)波長(zhǎng)為5m。對(duì)于一根載有60MHz以上頻率的電源線來(lái)說(shuō)，如果長(zhǎng)度有1m，由于導(dǎo)線長(zhǎng)度已經(jīng)可以和信號(hào)的波長(zhǎng)可比，不能再以普通傳輸線來(lái)考慮，信號(hào)在線上的傳輸過(guò)程中，部分依然可以通過(guò)傳輸線進(jìn)入受試設(shè)備（傳導(dǎo)發(fā)射）；部分要從線上逸出，成為輻射信號(hào)進(jìn)入受試設(shè)備（輻射發(fā)射）。因此，受試設(shè)備受到的干擾實(shí)際上是傳導(dǎo)與輻射的結(jié)合。

很明顯，傳導(dǎo)和輻射的比例將和電源線的長(zhǎng)度有關(guān)，線路越短，傳導(dǎo)成分越多，而輻射比例越?。环粗?，輻射比例就大。這正是同等條件下，為什么金屬外殼的設(shè)備要比非金屬外殼設(shè)備更容易通過(guò)測(cè)試的道理，因?yàn)榻饘偻鈿さ脑O(shè)備抗輻射干擾能力較強(qiáng)。

EFT干擾的傳輸過(guò)程中，會(huì)有一部分干擾從傳輸?shù)木€纜中逸出，這樣設(shè)備最終受到的是傳導(dǎo)和輻射的復(fù)合干擾。但由于傳導(dǎo)的量占絕大部分，可控可觀，所以針對(duì)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（電源線和信號(hào)線的濾波）及吸收（用鐵氧體磁環(huán)來(lái)吸收）。

其中，采用鐵氧體磁環(huán)吸收的方案非常便宜也非常有效。而輻射的量可以通過(guò)改變傳輸線纜的位置盡量的減小，最有效的是將濾波器和鐵氧體磁芯用在干擾的源頭和設(shè)備的入口處。前者是對(duì)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和信號(hào)線，是不再含有輻射成分的。

4. 靜電干擾

靜電的本質(zhì)是電勢(shì)差引起的電荷轉(zhuǎn)移。任何物質(zhì)都是由原子組合而成，而原子的基本結(jié)構(gòu)為質(zhì)子、中子及電子。科學(xué)家們將質(zhì)子定義為正電，中子不帶電，電子帶負(fù)電。在正常狀況下，一個(gè)原子的質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)量相同，正負(fù)電平衡，所以對(duì)外表現(xiàn)出不帶電的現(xiàn)象。但是由于外界作用如摩擦或以各種能量如動(dòng)能、位能、熱能、化學(xué)能等的形式作用會(huì)使原子的正負(fù)電不平衡。

在日常生活中所說(shuō)的摩擦實(shí)質(zhì)上就是一種不斷接觸與分離的過(guò)程。有些情況下不摩擦也能產(chǎn)生靜電，如感應(yīng)靜電起電，熱電和壓電起電、亥姆霍茲層、噴射起電等。任何兩個(gè)不同材質(zhì)的物體接觸后再分離，即可產(chǎn)生靜電，而產(chǎn)生靜電的普遍方法，就是摩擦生電。材料的絕緣性越好，越容易產(chǎn)生靜電。因?yàn)榭諝庖彩怯稍咏M合而成，所以通俗點(diǎn)來(lái)說(shuō)，在人們生活的任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都有可能產(chǎn)生靜電。要完全消除靜電幾乎是不可能的，但可以采取一些措施控制靜電使其不產(chǎn)生危害。

另外，北方冬天天氣干燥，人體容易帶上靜電，當(dāng)接觸他人或金屬導(dǎo)電體時(shí)就會(huì)出現(xiàn)放電現(xiàn)象。人會(huì)有觸電的針刺感，夜間能看到火花，這是化纖衣物與人體摩擦人體帶上正靜電的原因。常見(jiàn)的靜電現(xiàn)場(chǎng)如圖11所示。

靜電危害的范圍較廣。在靜電危險(xiǎn)物資的儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中，一旦因靜電放電而引發(fā)燃燒、爆炸事故，受損的往往不僅是某一設(shè)備，而是某一場(chǎng)所、某一區(qū)域，甚至更大范圍內(nèi)的安全都會(huì)受到威脅。

在靜電危險(xiǎn)物資的儲(chǔ)存場(chǎng)所及靜電敏感材料生產(chǎn)、使用、運(yùn)輸過(guò)程中，構(gòu)成靜電危害的條件比較容易形成，有時(shí)僅僅一個(gè)火花就能引發(fā)一次嚴(yán)重的災(zāi)害，由于靜電的電壓很高，有可能導(dǎo)致電路板的芯片燒毀，因此在使用手拿取。

靜電危害應(yīng)以預(yù)防為主，靜電接地、使用防靜電鞋、防靜電服、腕帶可以降低靜電的危害，用手拿電路板時(shí)，應(yīng)先把手的靜電通過(guò)金屬導(dǎo)體放掉，防止電路板因靜電發(fā)生損壞。

5. 輻射干擾

輻射干擾，顧名思義就是由于變頻器輻射產(chǎn)生的干擾。

變頻器到電機(jī)電纜如果沒(méi)有使用屏蔽線的話，將是最典型的輻射干擾源，因?yàn)?，變頻器的輸出采用的PWM輸出，載波頻率幾K到十幾K，變頻器的輻射干擾原理圖如圖12所示。

圖 12變頻器的輻射干擾

抑制變頻器輻射干擾的辦法：

用戶在實(shí)際的工程項(xiàng)目中，需要購(gòu)買(mǎi)帶有集成濾波器的變頻器、采用屏蔽電纜或者選購(gòu)附加的EMC濾波器。

電機(jī)電纜加裝屏蔽線或金屬管，變頻器安裝時(shí)使用EMC安裝板，在電機(jī)側(cè)使用專(zhuān)用的EMC電纜接頭，都是抑制變頻器電機(jī)線的輻射干擾的好方法。

三、工業(yè)設(shè)備的接地

接地的首要目的是安全，接地線的作用是將電氣設(shè)備或電柜電箱等帶電設(shè)備金屬外殼導(dǎo)電部分，和大地連接形成等電位體。

安全接地線的電阻很小，這樣即使電氣設(shè)備外殼因意外漏電，也會(huì)因?yàn)殡娏鹘?jīng)過(guò)接電線流向大地，和大地電勢(shì)相通，這樣電箱外殼和大地之間的電壓很低，可以忽略不計(jì)，所以當(dāng)發(fā)生人體接觸電箱外殼的情況，因?yàn)殡妷汉艿?，通過(guò)人體的電流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于是人體觸電的電流，人體不會(huì)觸電，從而保護(hù)人員的安全。

工作接地是由電力系統(tǒng)運(yùn)行需要而設(shè)置的（如中性點(diǎn)接地），因此在正常情況下就會(huì)有電流長(zhǎng)期流過(guò)接地電極，但是只是幾安培到幾十安培的不平衡電流。

防雷接地是為了消除過(guò)電壓危險(xiǎn)影響而設(shè)的接地，如避雷針、避雷線和避雷器的接地。防雷接地只是在雷電沖擊的作用下才會(huì)有電流流過(guò)，流過(guò)防雷接地電極的雷電流幅值可達(dá)數(shù)十至上百千安培，但是持續(xù)時(shí)間很短。

屏蔽接地是消除電磁場(chǎng)對(duì)人體危害的有效措施，也是防止電磁干擾的有效措施。高頻技術(shù)在電熱、醫(yī)療、無(wú)線電廣播、通信、電視臺(tái)和導(dǎo)航、雷達(dá)等方面得到了廣泛應(yīng)用，人體在電磁場(chǎng)作用下，吸收的輻射能量將發(fā)生生物學(xué)作用，對(duì)人體造成傷害，如手指輕微顫抖、皮膚劃痕、視力減退等。對(duì)產(chǎn)生磁場(chǎng)的設(shè)備外殼設(shè)屏蔽裝置，并將屏蔽體接地，不僅可以降低屏蔽體以外的電磁場(chǎng)強(qiáng)度，達(dá)到減輕或消除電磁場(chǎng)對(duì)人體危害的目的，還可以保護(hù)屏蔽接地體內(nèi)的設(shè)備免受外界電磁場(chǎng)的干擾影響。

防止靜電危害影響并將其泄放，防靜電接地是靜電防護(hù)最重要的一環(huán)。

接地用在EMC方面的作用包括使用等電位體來(lái)實(shí)現(xiàn)與地線可靠的連接，可以在很寬的頻率范圍內(nèi)保持等電位，另外，盡可能低的接地阻抗可以使電源故障電流和高頻電流不經(jīng)過(guò)設(shè)備，降低了對(duì)設(shè)備干擾。

目前國(guó)內(nèi)的接地系統(tǒng)采用的是防雷接地、動(dòng)力接地和數(shù)字地分離的方法，這樣的單獨(dú)接地系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)是最多見(jiàn)的，但是這種接地系統(tǒng)高頻特性不夠好，單獨(dú)接地系統(tǒng)如圖13所示。

圖 13 單獨(dú)接地系統(tǒng)

用戶可以通過(guò)多處的等電位體將動(dòng)力、通訊接地形成接地網(wǎng)絡(luò)，然后通過(guò)多層復(fù)合接地與防雷接地連接，這樣的接地系統(tǒng)僅在接地系統(tǒng)的阻值低于1歐姆時(shí)方能采用，接地系統(tǒng)如圖14所示。

圖 14 多點(diǎn)接地的接地系統(tǒng)

對(duì)于工業(yè)的接地系統(tǒng)，要求接地電阻越小越好,在1000V以下中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中，接地電阻小于或等于4歐，重復(fù)接地電阻小于或等于10歐。而電壓1000V以下的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，一般規(guī)定接地電阻為4歐。但是在很多的客戶現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)往往達(dá)不到接地電阻小于或等于4歐的要求，這時(shí)應(yīng)對(duì)接地進(jìn)行整改。

長(zhǎng)度為1米不同直徑電纜在頻率下的阻抗如圖15所示，從圖中可以看出，電纜的阻抗與頻率密切相關(guān)，在低頻下，直徑大的電流阻抗低，35mm2的阻抗0.5毫歐，1mm2的2達(dá)18毫歐，兩者相差36倍，但在高頻下，例如100KHz，35mm2的電纜比1mm2的電阻的一半還多，也就是說(shuō)兩個(gè)1mm22的電纜并聯(lián)將比一個(gè)35mm2的電纜的阻抗還小,這也是為什么要使用網(wǎng)狀連接進(jìn)行接地的原因。

圖 15 電纜在不同頻率下的阻抗表

在高頻環(huán)境下，導(dǎo)體的阻抗主要取決于其與單位長(zhǎng)度成正比的每單位長(zhǎng)度的電感，該電感從1 kHz開(kāi)始對(duì)電纜的阻抗起決定性作用。這意味著，只要幾米長(zhǎng)的導(dǎo)體，電纜的阻抗影響因素如下：

? 直流或低頻（LF）幾毫歐

? 約1 MHz幾歐姆

? 高頻幾百歐姆（HF）（?100 MHz ...）

? 并且導(dǎo)體橫截面的周長(zhǎng)起主導(dǎo)作用（集膚效應(yīng)）

? 導(dǎo)體的橫截面積相對(duì)變得不重要

? 電纜的長(zhǎng)度是決定性的

在了解了上述的原理之后，就會(huì)理解為什么接地電纜越短就越好的原因。

為什么不能在屏蔽接地使用豬尾巴？

由于在高頻下，電纜的阻抗主要由電纜長(zhǎng)度決定，把屏蔽擰成豬尾巴，將降低屏蔽的效果，如果導(dǎo)體的長(zhǎng)度超過(guò)信號(hào)波長(zhǎng)的1/30電纜的阻抗變?yōu)椤盁o(wú)限”。

波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系式：c=λf（f=c/λ），其中，c：波速(這是一個(gè)常量,也就是光速，c約等于3*10^8m/s) 單位是米每秒；λ是波長(zhǎng)，其單位是米；f是波的頻率，其單位是赫茲Hz。

式中：

? λ：波長(zhǎng)單位m 。

? f：頻率單位MHz。

顯然，同樣長(zhǎng)度物體的接地阻抗按大小排列，Z1>Z2>Z3>Z4，如圖16所示。

圖 16 高頻環(huán)境同樣長(zhǎng)度物體阻抗的排列

幾種電纜屏蔽接地的接法的比較，如圖17所示。

圖 17 電纜屏蔽接地的比較

四、變頻器的濾波器和磁環(huán)

施耐德變頻器ATV320的內(nèi)置或外加EMC濾波器采用同樣的結(jié)構(gòu)，濾波器由相間的X電容，相和地之間的Y電容以及共模扼流圈組成。濾波器使用的模扼流圈，與環(huán)形變壓器相比使用了環(huán)形鐵氧體，并在其上面繞線形成電感。

變頻器集成EMC濾波器的目的是使變頻器能夠符合IEC61800-3的C2標(biāo)準(zhǔn)的要求，

ATV320產(chǎn)品200V 單相的產(chǎn)品，當(dāng)變頻器的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置值在2到4kHz之間，電機(jī)電纜的最長(zhǎng)距離可達(dá)10米，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置是從4到12kHz之間，在變頻器到電機(jī)電纜長(zhǎng)度最大值為5米。

ATV320產(chǎn)品400V 三相范圍（EMC濾波器），開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置值在4到12kHz之間時(shí)，變頻器到電機(jī)電纜最大值為5米。

如果加裝了附加EMC濾波器，在保證符合C2標(biāo)準(zhǔn)的前提下，變頻器到電機(jī)的電纜長(zhǎng)度更長(zhǎng)，還有可能符合更高的標(biāo)準(zhǔn)C1。

濾波器接線時(shí)，需注意將濾波器的輸入和輸出分開(kāi)，防止濾波器的輸入對(duì)“干凈”的濾波器輸出線產(chǎn)生干擾，降低濾波器的效果，濾波器的安裝建議圖如圖18所示。

圖 18 濾波器進(jìn)出線不能太近

正弦波濾波器，就是將變頻器SPWM調(diào)制波濾成近似正弦的電壓波形，由于變頻器的輸出含有高頻諧波，增加了動(dòng)力電纜及電機(jī)的損耗；同時(shí)極高的dv/dt會(huì)引起數(shù)MHz的輻射干擾；如果電機(jī)需要長(zhǎng)線傳輸時(shí)(電機(jī)線纜超過(guò)50米)，回波反射引起電機(jī)端電壓疊加，使電機(jī)絕緣破壞，導(dǎo)致電機(jī)的燒毀。

正弦波濾波器將變頻器的輸出波形濾波成正弦波后，延長(zhǎng)了電機(jī)電纜的最大長(zhǎng)度，降低了變頻器的干擾，正弦波濾波器可以延長(zhǎng)電機(jī)壽命、保護(hù)電機(jī)絕緣、對(duì)電磁干擾的抑制效果好。

抗干擾磁環(huán)，又稱鐵氧體磁環(huán)，簡(jiǎn)稱磁環(huán)，它是電子電路中常用的抗干擾元件，對(duì)于高頻噪聲有很好的抑制作用。

磁環(huán)的匝數(shù)越多抑制低頻干擾效果越好，但抑制高頻噪聲作用較弱。

在實(shí)際使用當(dāng)中，磁環(huán)匝數(shù)要根據(jù)干擾電流頻率特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)干擾信號(hào)頻帶較寬時(shí)，可以在電纜上套兩個(gè)磁環(huán)，每個(gè)磁環(huán)繞不同的匝數(shù)，這樣可以同時(shí)用一種磁環(huán)抑制高頻和低頻兩種干擾。并不是阻抗越大對(duì)干擾信號(hào)的抑制效果越好，因?yàn)閷?shí)際磁環(huán)上存在寄生電容，這個(gè)寄生電容與電感并聯(lián)，但遇到高頻干擾信號(hào)時(shí)，這個(gè)寄生電容就會(huì)將磁環(huán)的電感短路，從而失去作用。

選擇抗干擾磁環(huán)時(shí)，主要考慮兩個(gè)方面的因素，即磁環(huán)的阻抗特性和被濾波電路的干擾特性。外觀上來(lái)看，優(yōu)先的選擇是盡量長(zhǎng)、盡量厚、內(nèi)徑盡量小、電感盡量小的磁環(huán)。

使用磁環(huán)的最大優(yōu)點(diǎn)是與被濾波的電路沒(méi)有電氣連接，最大缺點(diǎn)是磁環(huán)易碎，所以建議使用帶塑膠外殼的磁環(huán)，并且固定在被濾波的電源線或控制線纜上。

根據(jù)干擾信號(hào)的頻率特點(diǎn)可以選用鎳鋅鐵氧體或錳鋅鐵氧體的磁環(huán)，前者的高頻特性優(yōu)于后者，錳鋅鐵氧體的磁導(dǎo)率在幾千~上萬(wàn)，而鎳鋅鐵氧體為幾百~上千，磁環(huán)鐵氧體的磁導(dǎo)率越高，其低頻時(shí)的阻抗越大，高頻時(shí)的阻抗越小，所以在抑制高頻干擾時(shí)，宜選用鎳鋅鐵氧體，反之則用錳鋅鐵氧體。

審核編輯：湯梓紅