風光變頻器在製藥行業中的應用及電磁兼容

06-19

風光變頻器在製藥行業中的應用及電磁兼容1　引言　　發酵行業是現代生物工程重要組成部分，特別是製藥、味精、檸檬酸、黃原膠等新型發酵行業，近幾年來得到迅速的發展，由於生產的是原料葯，所以都離不開發酵罐這一核心，隨著產品產量和新品種的不斷增加，對發酵罐的攪拌速度也要求不一，不同時段需要不同的調整。針對大的負載比較多、耗電量比較大、發酵周期比較長的情況，近幾年來我們在全國發酵行業做了不少設備改造，即滿足了生產工藝要求，又節省了不少資源。　　變頻器在發酵罐上的應用日益普及，為該行業的工業自動化控制提供了良好的生產及工藝效益。但隨著自動化程度的不斷提高，自動化設備對電源污染的程度也越來越深，相應地對自動控制系統的干擾也越來越強，對電源濾波、凈化，取得相對穩定的綠色電源的要求也越來越高。　　隨著電力電子技術的發展,家用電器,工業電器和計算機網路的日益發達,電磁環境日益複雜和惡化,使得電氣電子產品的電磁兼容性emc與電磁干擾emi問題受到各國政府和生產企業的重視,電子電氣產品的電磁兼容性emc是一項非常重要的質量指標,它不僅關係到產品本身的工作可靠性和使用安全性,而且還可能影響到其它設備和系統的正常工作,關係到電磁環境的保護問題.為了保證電子設備穩定可靠的工作,減小電磁污染,越來越多的國家開始執行emc標準,尤其是在歐洲國家,emc的性能已經成為法律性的指標,成為電子產品廠商必須通過的指標之一.　　國際上對電磁兼容(emc或emi)的設計及應用已有比較明確的法律及法規，對電子設備的干擾及被干擾、電源的諧波含量都有明確的規定。由於我國emc技術起步較晚,無論是理論,技術水平還是相關產品(測試儀器,屏蔽材料,濾波器等)製造,都與發達國家相差甚遠,因此在實踐方面也相對落後.但是，在一些工業生產自動化程度相對較高的場合，電磁兼容的意義已相對明顯，有些電子設備對電磁干擾非常敏感，以致於無法正常工作。

2　噪音的類型及對策2.1　干擾傳播的途徑主要是傳導和輻射　　傳導干擾:干擾的根源是電壓/電流產生不必要的變化，這種變化通過導線直接傳遞給其他設備造成危害。　　輻射干擾:其現象的產生是與天線分不開的，根據「天線原理」，如果導線的長度與波長相等，很容易產生電磁波。　　總之，當設備和導線的長度比波長短時，主要的問題是傳導干擾，當它們的尺寸比波長長時，主要的問題是輻射干擾。　　另外，環境中還存在著一些短暫的高能量脈衝干擾，這些干擾對電子設備危害很大，一般稱這種干擾為瞬態干擾，瞬態干擾可以通過電纜進入設備，也可以以寬頻輻射干擾的形式對設備造成影響。2.2　電壓/電流的變化通過導線傳輸時有兩種狀態，即共模和差模　　設備的電源線、信號線等的通信線、與其他設備或外圍設備相互交換的通信線路，至少有兩根導線，這兩根導線作為往返線路的輸送電力或信號，但在這兩根導線之間還有另一種導線即地線。

　　干擾電壓電流有兩種方式，如圖1所示:

圖1　對地電壓/電流與差模、共模電壓/電流之間的關係

　　一種兩根導線分別作為往返線路傳輸即為差模;　　另一種是兩根導線做去路，地線做返回傳輸即為共模。　　對於差模電壓，一根導線上是(線間電壓)/2，而另一根導線上是(線間電壓)/2，因而是平衡的。但共模電壓，兩根導線上相同。當兩種模式同時存在時，兩根導線對地的電壓不同，因此，當兩根導線對地線電壓或電流不同時，可通過下列方法求出兩種模式的成分:un=(u1-u2)/2uc=(u1+u2)/2in=(i1-i2)/2ic=(i1+i2)/22.3　接地是電子設備的一個重要問題(1)接地使整個電路系統中的所有電路都有一個公共的參考零電位，也就是各個電路的地之間沒有電位差，保證電路系統能穩定工作。(2)防止外界電磁場的干擾，機殼接地為瞬態干擾提供了泄放通道，也可使因靜電感應而積累在機殼上的大量電荷通過大地泄放，另外，對於電路的屏蔽體，若選擇合適的接地，可獲得良好的屏蔽效果。(3)保證安全運行，當發生直接雷電的電磁感應時，可避免電子設備損壞，當設備絕緣不好造成設備接地時，可避免人為觸電。總之，接地是抑制雜訊、防止干擾的主要辦法之一。設計良好的接地系統是以很低的成本防止不希望有的干擾和發射。(4)電纜是高效的電磁波接收天線和輻射天線，同時也是干擾的良好通道。使用屏蔽電纜也許是能解決電纜輻射的問題，但是在使用屏蔽電纜的情況下，屏蔽層合理的接地是解決電纜干擾的重要問題，不正確的接地點選擇等問題都將使屏蔽線出現干擾問題。另外，電纜的布置也對產品電磁干擾產生重大影響，電纜之間的耦合、電纜布線形成的環路都是電纜電磁干擾設計的重要組成部分。

3　emc的濾波及濾波器件的選擇(1)電阻　　電阻是pcb上最常用的器件，電阻也是emi使用的限制，對於頻域要求存在的限制決定於使用的電阻材料。由於線繞附加存在電感，所以線繞電阻並不適合高頻應用，薄膜電阻包含一些電感，但由於引腳電感較低，所以有時可用於高頻場合。(2)電容　　電容通常用於電源匯流排的去耦、濾波、旁路和穩壓。在自諧振頻率以下，電容保持電容性，在自諧振頻率以上，電容呈現電感性，可用公式xｃ=1/2лfc來描述，其中xｃ是容抗，單位為歐姆(ω);f是頻率，單位為赫茲(hz);c是電容，單位為法拉(f)。(3)電感　　電感也常用來控制emi。隨著頻率的增加，電感的感抗線性增加，可用公式xl=2лfl來描述。共模電感(common mode choke)也叫共模扼流圈。　　將這個共模電感一端接干擾源，另一端接被干擾設備，並通常與電容一起使用，構成低通濾波器，可以使線路上的共模emi信號被控制在很低的電平上。該電路既可以抑制外部的emi信號傳入，又可以衰減線路自身工作時產生的emi信號，能有效地降低emi的強度。(4)鐵氧體磁環　　當電感不能用於高頻時，採用鐵氧體磁環是一個好辦法。鐵氧體材料是鐵磁或者是鐵鎳的合金，這種材料有很高的高頻磁導率和高頻阻抗，同時線繞間電容最小，適用於高頻場合。低頻時，電感小，線損小，高頻時，其基本是電抗性的，且與頻率有關。　　鐵氧體磁環屬於「能耗型設備」。它以熱的形式消耗高頻能量，只能用電阻而不是電感的特性來解釋。(5)濾波器　　濾波器是一種二埠網路，它有電感、電容、共模電感元件構成無源低通網路，基本電路圖如圖2所示:

圖2　電源線濾波器的基本電路

　　在一般的濾波器中，共模扼流圈的作用主要是濾除低頻共模干擾。高頻時由於寄生電容的存在，共模扼流圈對干擾的抑制作用已經較小，主要依靠共模濾波電容。

4　系統介紹　　河南新鄉華星製藥有限公司採用北京康拓生物工程有限公司生產的全自動dcs控制系統，對每台發酵罐的溫度、壓力、流量、溶解氧(do)、酸鹼度(ph值)進行全方位監控，並對發酵過程中的入料、出料，包括液糖、苯乙酸、硫氨等進行全自動控制，有三個感測器進行檢測，發出電信號至微機控制系統。由微機控制系統根據檢測的電壓(或電流)值適時發出脈衝信號(+5v)，去控制電磁閥的開閉(電磁閥工作電壓為+36v)，來實現進出料的補給。這樣每台濾波器就有三項進出料控制的六個電磁閥，三個感測器，兩塊檢測儀錶，在微機上全部實行遠距離監控，並將全部數據顯示於一面大屏幕牆上，系統圖如圖3所示:

圖3　濾波器系統圖

5　電磁干擾問題分析及解決方法　　變頻器輸入端電源採用太原依福特電子有限公司生產的濾波器，其內部是採用高導磁率的鐵氧體磁心及鐵粉芯，配接一定的電容，構成lc濾波器，將變頻器產生的高次諧波(在某一頻帶內)濾掉，而使臨近或同一電網工作的電器設備不受干擾，能夠正常工作。其原理圖如圖4所示。

圖4　輸入濾波器電路原理圖

　　變頻器輸出端電源濾波器採用電感(l)濾波，抑制變頻器輸出的傳導干擾和減少輸出線上低頻輻射干擾，使直接驅動的電機電磁雜訊減小，使電機的銅損、鐵損大幅減少。其原理圖如圖5所示。

圖5　變頻器輸出端電源濾波器

圖6　變頻器主電路圖

　　變頻器產生干擾的原因:　　變頻器主電路一般是交流—直流—交流模式如圖6所示，外部輸入380v/50hz的工頻電源經三相橋路不可控整流成直流電壓信號，經濾波電容濾波及大功率晶體管開關元件逆變為頻率可變的交流信號。在整流迴路中，輸入電流的波形為不規則的矩形波，波形按傅立葉級數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。在逆變輸出迴路中，輸出電流信號是受pwm載波信號調製的脈衝波形，對於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15khz。同樣，輸出迴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，干擾鄰近電氣設備。

6　結束語　　通過多家企業的認可，風光變頻器在發酵行業得到了廣泛的應用，為發酵行業在自動化控制與變頻器電磁兼容所涉及到的問題得到了比較完善的解決。隨著我國變頻器市場的日益擴大，電磁兼容的意義將更突出，其應用的前景將是十分樂觀的。