风光变频器在制药行业上的应用及电磁兼容

摘要 ：本文介绍了变频器在发酵行业DCS系统上的应用，滤波器件的选择，及安装时应注意的事项。 关键词：变频器 电磁干扰 电磁兼容 1 引言 发酵行业是现代生物工程重要组成部分，特别是制药、味精、柠檬酸、黄原胶等新型发酵行业，近几年来得到迅速的发展，由于生产的是原料药，所以都离不开发酵罐这一核心，随着产品产量和新品种的不断增加，对发酵罐的搅拌速度也要求不一，不同时段需要不同的调整。针对大的负载比较多、耗电量比较大、发酵周期比较长的情况下，近几年来我们在全国发酵行业做了不少设备改造，即满足了生产工艺要求，又节省了不少资源。 变频器在发酵罐上的应用日益普及，为该行业的工业自动化控制提供了良好的生产及工艺效益。但随着自动化程度的不断提高，自动化设备对电源污染的程度也越来越深，相应的对自动控制系统的干扰也越来越强，对电源滤波、净化，取得相对稳定的绿色电源的要求也越来越高。 随着电力电子技术的发展,家用电器,工业电器和计算机网络的日益发达,电磁环境日益复杂和恶化,使得电气电子产品的电磁兼容性EMC，电磁干扰EMI与电磁抗EMS问题受到各国政府和生产企业的重视,电子电气产品的电磁兼容性EMC是一项非常重要的质量指标,它不仅关系到产品本身的工作可靠性和使用安全性,而且还可能影响到设备和系统的正常工作,关系到电磁环境的保护问题.为了保证电子设备稳定可靠的工作,减小电磁污染,越来越多的国家开始执行EMC标准,尤其是在欧洲国家,EMC的性能已经成为法律性的指标,成为电子产品厂商必须通过的指标之一. 国际上对电磁兼容（EMC或EMI）的设计及应用已有比较明确的法律及法规，对电子设备的干扰及被干扰、电源的谐波含量都有明确的规定。由于我国EMC技术起步较晚,无论是理论,技术水平还是相关产品（测试仪器,屏蔽材料,滤波器等）制造,都与发达国家相差甚远,因此在实践方面也相对落后.但是，在一些工业生产自动化程度相对较高的场合，电磁兼容的意义已相对明显，有些电子设备对电磁干扰非常的敏感，已至于无法正常工作. 2 噪音的类型及对策 1）干扰传播的途径主要是传导和辐射传导干扰：干扰的根源是电压/电流产生不必要的变化，这种变化通过导线直接传递给其他设备造成危害。辐射干扰:现象的产生是与天线分不开的，根据“天线原理”，如果导线的长度与波长相等，很容易产生电磁波。 总之，当设备和导线的长度比波长短时，主要的问题是传导干扰，当它们的尺寸比波长长时，主要的问题是辐射干扰。 另外，环境中还存在着一些短暂的高能脉冲干扰，这些干扰对电子设备危害很大，一般称这种干扰为瞬态干扰，瞬态干扰可以通过电缆进入设备，也可以以宽带辐射干扰的形式对设备造成影响。 2）电压/电流的变化通过导线传输时有两种状态，即共模和差模。 设备的电源线、信号线等的通信线、与其他设备或外围设备相互交换的通信线路，至少有两根导线，这两根导线作为往返线路的输送电力或信号，但在这两根导线之间还有另一种导线地线。 干扰电压电流有两种方式： 一种两根导线分别作为往返线路传输即为差模； 另一种是两根导线做去路，地线做返回传输即为共模。 对于差模电压，一根导线上是（线间电压）/2，而另一根导线上是（线间电压）/2，因而是平衡的。但共模电压，两根导线上相同。当两种模式同时存在时，两根导线对地的电压不同。 因此，当两根导线对地线电压或电流不同时，可通过下列方法求出两种模式的成分： UN=（U1-U2）/2UC=（U1+U2）/2 IN=（I1-I2）/2IC=（I1+I2）/2 3）接地是电子设备的一个重要问题： 1、接地使整个电路系统中的所有电路都有一个公共的参考零电位，也就是各个电路的地之间没有电位差，保证电路系统能稳定的工作。 2、防止外界电磁场的干扰，机壳接地为瞬态干扰提供了泄放通道，也可使因静电感应而积累在机壳上的大量电荷通过大地泄放，另外，对于电路的屏蔽体，若选择合适的接地，可获得良好的屏蔽效果。 3、保证安全运行，当发生直接雷电的电磁感应时，可避免电子设备损坏，当设备绝缘不好造成设备接地时，可避免人为触电。 总之，接地是抑制噪声、防止干扰的主要办法之一。设计良好的接地系统是以很低的成本防止不希望有的干扰和发射。 4）电缆是高效的电磁波接收天线和辐射天线，同时也是干扰的良好通道。使用屏蔽电缆也许是能解决电缆辐射的问题，但是在使用屏蔽电缆的情况下，屏蔽层合理的接地是解决电缆干扰的重要问题，不正确的接地点选择等问题都将使屏蔽线出现干扰问题。另外，电缆的布置也对产品电磁干扰产生重大影响，电缆之间的耦合、电缆布线形成的环路都是电缆电磁干扰设计的重要组成部分。 3 EMC的滤波及滤波器件的选择 a） 电阻 电阻是PCB上最常用的器件，电阻也是EMI使用的限制，对于频域要求存在的限制决定于使用的电阻材料。由于线绕附加存在电感，所以线绕电阻并不适合高频应用，薄膜电阻包含一些电感，但由于引脚电感较低，所以有时可用于高频场合。 b） 电容 电容通常用于电源总线的去耦、滤波、旁路和稳压。在自谐振频率以下，电容保持电容性，在自谐振频率以上，电容程现电感性，可用公式Xｃ=1/2лC来描述，其中Xｃ是容抗，单位为欧姆（Ω）；F是频率，单位为赫兹（HZ）；C是电容，单位为法（F）。 c） 电感 电感也常用来控制EMI。随着频率的增加，电感的感抗线性增加，可用公式XL=2лL来描述。共模电感（Common Mode Choke）也叫共模扼流圈。 将这个共模电感一端接干扰源，另一端接被干扰设备，并通常与电容一起使用，构成低通滤波器，可以使线路上的共模EMI信号被控制在很低的电平上。该电路既可以抑制外部的EMI信号传入，又可以衰减线路自身工作时产生的EMI信号，能有效地降低EMI的强度。 d） 铁氧体磁环 当电感不能用于高频时，采用铁氧体磁环是一个好办法。铁氧体材料是铁磁或者是铁镍的合金，这种材料有很高的高频磁导率和高频阻抗，同时线绕间电容最小，适用于高频场合。低频时，电感小，线损小，高频时，其基本是电抗性的，且与频率有关。 铁氧体磁环属于“能耗型设备”。它以热的形式消耗高频能量，只能用电阻而不是电感的特性来解释。 e）滤波器 滤波器是一种二端口网络，它有电感、电容、共模电感元件构成无源低通网络，基本电路图如下： 在一般的滤波器中，共模扼流圈的作用主要是滤除低频共模干扰。高频时由于寄生电容的存在，共模扼流圈对干扰的抑制作用已经较小，主要依靠共模滤波电容。 4 系统介绍 河南新乡华星制药有限公司采用北京康拓生物工程有限公司生产的全自动DCS控制系统，对每台发酵罐的温度、压力、流量、溶解氧（DO）、酸碱度（PH值）进行全方位监控，并对发酵过程中的入料、出料，包括液糖、苯乙酸、硫氨等进行全自动控制，有三个传感器进行检测，发出电信号至微机控制系统。由微机控制系统根据检测的电压（或电流）值适时发出脉冲信号（+5V），去控制电磁阀的开闭（电磁阀工作电压为+36V），来实现进出料的补给。这样每台发酵罐就有三项进出料控制的六个电磁阀，三个传感器，两块检测仪表，在微机上全部实行远距离监控，并将全部数据显示于一面大屏幕墙上，系统图如下： 5 电磁干扰问题分析及解决方法 变频器输入端电源采用太原依福特电子有限公司生产的滤波器，其内部是采用高导磁率的铁氧体磁心及铁粉芯，配接一定的电容，构成LC滤波器，将变频器产生的高次谐波（在某一频带内）滤掉，而使临近或同一电网工作的电器设备不受干扰，能够正常工作。其原理图如下所示。 [align=center] 图1为输入滤波器电路原理图[/align] 变频器输出端电源滤波器采用电感（L）滤波，抑制变频器输出的传导干扰和减少输出线上低频辐射干扰，使直接驱动的电机电磁噪声减小，使电机的铜损、铁损大幅减少。其原理图如图2所示。 [align=center] 图2 为输出滤波器电路原理图[/align] 变频器产生干扰的原因 [align=center] 图3 为变频器主电路图[/align] 变频器主电路一般是交流—直流—交流模式见图3，外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压信号，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。在逆变输出回路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形，对于GTR大功率逆变元件，其PWM的载波频率为2～3kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHz。同样，输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。 6 结束语 通过多家企业的认可，风光变频器在发酵行业得到了广泛的应用，为发酵行业在自动化控制与变频器电磁兼容所涉及到的问题有了比较完善的解决。随着我国变频器市场的日益扩大，电磁兼容的意义将更广泛，其应用的前景将是十分乐观的。