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产品描述
西门子6ES7214-1BD23-0XB8技据
0 引言
由于电力电子技术发展，使得高压变频器（HighVoltageVariableFrequencyDrives，简称HVVFD）在石油化工、电力、冶金等行业得到了大规模的使用，对高压电机设备的节能、调速发挥了重大作用。同时，这些使用场合又对高压变频器的性、稳定性提出了高的要求，本文旨在从高压变频器的控制器部分分析电磁干扰（ElectromagneticInterference，简称EMI）的影响与解决方法。
高压变频器是融合了微控制器、大功率器件、磁性材料、传感器等强、弱电部件为一体的自动化系统，其控制系统一般由控制箱、PLC、触摸屏及相关控制元器件组成，有的还有上位机及DSC系统，因此，电磁干扰问题也日趋复杂，EMI可以使传动系统的———计算机控制系统的信号错乱，同时能够破坏或降低其他，电子设备的工作性能，从而导致严重后果。
1 控制系统结构和产生电磁干扰的环节
主控制器的功能方框图如图1所示，结构为单元组合式，其为双DSP的CPU单元，通过总线与接口板和相控A、B、C板互通信息。从接口子模块DI、AI可接受操作命令、给定信号、电机电流与电压等。CPU板根据操作命令、给定信号及其他输入信号，计算出控制信息及状态信息。相控A、B、C板接受来自CPU板的控制信息，产生PWM控制信号，经电/光转换器，向功率单元发送控制光信号。来自功率单元的应答信号在相控A、B、C板中转换成电信号，予处理后送CPU板处理。状态信息可通过接口板和接口子模板送出。
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电磁干扰一般包含三个环节，即电磁干扰源、电磁干扰传递途径（传导、辐射、耦合）及接受电磁干扰的响应者。三个环节相当复杂，不同的场合有不同的表现。根据电磁感应、集肤效应、电磁振荡与电磁波传播等基本物理规律可知，电磁物理量随时间变化越快，越容易感生电磁干扰；频率越高越容易产生辐射；电磁场强度与距离平方成反比；一些灵敏度高的未屏蔽电路容易产生耦合等。
高压变频控制系统电磁干扰按传播形式分为传导型干扰和辐射型干扰两大类。传导干扰指电磁干扰通过电源线路、接地线和信号线传播到达对象所造成的干扰；辐射干扰指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。控制系统中信号传输线和其他电气设备的电容性耦合、电感性耦合都是重要的干扰源。
2 电磁兼容性分析
控制系统经由多个单元组合而成，不可能避免电磁干扰，因此在控制器敏感设备上采取抗干扰措施。屏蔽、滤波、合理接地、合理布局等抑制干扰的措施都是很有效的。根据电磁干扰的三要素可采取以下控制方法，如屏蔽、接地、搭接、合理布线等，此外还可以采取回避和疏导的技术处理，如空间方位分离、滤波、吸收和旁路等，这些都是有经验的工程技术人员经常采用的控制方法。解决电磁干扰问题，应该在整个电气系统设计、布线、安装、调试时同时进行，而不能仅仅在调试阶段才去着手处理。
2.1屏蔽
屏蔽一般分为两种类型，一类是静电屏蔽，主要用于防止静电场和恒定磁场的影响，静电屏蔽应具有完善的屏蔽体和良好的接地，另一类是电磁屏蔽，主要用于防止交变电场、交变磁场以及交变电磁场的影响。电磁屏蔽不但要求有良好的接地，而且要求屏蔽体具有良好的导电连续性，对屏蔽体的导电性要求比静电屏蔽高得多，使用屏蔽信号电缆的抗电磁干扰原理如图2所示。
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屏蔽电缆的屏蔽层如果接地不好，则起不到屏蔽干扰源的作用，反而会成为干扰源（电缆的屏蔽层会吸收外在的电磁干扰）。电缆的屏蔽层要单端接到接地端子PE上。
2.2接地
接地看似简单，却是很难掌握和处理的问题，因为至今尚未形成系统的理论或模型，实际上，在一个场合运行效果很好的方案拿到另一场合就不一定适用。接地设计在很大程度上依赖工程技术人员对“接地”概念的理解和实际工作经验。
接地的方法很多，具体使用取决于系统的结构和功能。常用的方法有3种。
1）单点接地为许多在一起的电路提供公共电位参考点，这样信号就可以在不同的电路之间传输。该点常常以大地为参考。由于只存在一个参考点，因此可以相信没有地回路存在，因而也就没有干扰问题。
2）多点接地设备内电路都以机壳为参考点，而各个设备的机壳又都以地为参考点。这种接地结构能够提供较低的接地阻抗，因为多点接地时，每条地线可以很短，而且多根导线并联能够降低接地导体的总电感。在高频电路中使用多点接地，并且要求每根接地线的长度小于信号波长的1/200。
3）混合接地既包含了单点接地的特性，又包含了多点接地的特性。例如，系统内的电源需要单点接地，而射频信号又要求多点接地，这时就可以采用混合接地。
根据接地要求，接地又分以下几种。
1）接地使用交流电的设备通过黄地线接地，否则当设备内的电源与机壳之间的绝缘电阻变小时，会导致电击伤害。
2）电磁兼容接地出于电磁兼容设计而要求的接地，包括：
（1）屏蔽接地为了防止电路之间由于寄生电容存在产生相互干扰、电路辐射电场或对外界电场敏感，进行必要的隔离和屏蔽，这些隔离和屏蔽的金属接地。
（2）滤波器接地滤波器中一般都包含信号线或电源线到地的旁路电容，当滤波器不接地时，这些电容就处于悬浮状态，起不到旁路的作用。
（3）噪声和干扰抑制对内部噪声和外部干扰的控制需要设备或系统上的许多点与地相连，从而为干扰信号提供“阻抗”通道。
（4）电路参考电路之间信号要正确传输，有一个公共电位参考点，该公共电位参考点就是地，因此所有互相连接的电路接地。
2.3滤波
滤波是压缩干扰频谱的一种有效方法，当干扰频谱不同于有用信号的频带时，可以用滤波器将干扰滤除。因此，恰当地选择和正确地使用滤波器对抑制传导干扰十分重要。
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滤波将信号频谱分为有用频率分量和干扰分量两段，剔除干扰部分。滤波器一般分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。在主电路交流侧的滤波器主要用于滤出电网的电磁干扰，图3所示为电网上常见的尖峰干扰。在直流回路的滤波器主要减少线路的电感效应引起的干扰。
使用电源滤波器，应尽量靠近电源入口处安装，并使滤波器的输人/输出端之间屏蔽隔离，避免电磁干扰从输入端直接耦合到滤波器的输出端。此外，滤波器的接地点应尽量靠近设备的接地点。图4所示为电源滤波器电原理图。
2.4隔离
隔离是因地环路而引起的公共阻抗干扰而采取的有效措施。一般有隔离变压器、光电耦合隔离器、光纤等。光电隔离具有单方向传递信号且频带宽，抗干扰能力强，绝缘电压高，体积小，，耐冲击等优点，在控制系统中应用十分广泛。此外，差分电路和平衡电路均可减少地环流，起到抑制干扰的作用。
3 解决电磁干扰的硬件措施高压变频器在工作中由于整流和逆变，会产生很多高频和低频的干扰电磁波，这些电磁波对系统控制器、PLC、触摸屏、数字仪表、传感器等有一定的干扰。为了抑制高压变频器对其他弱电设备、仪表的干扰，所有的元器件均应接地，各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层应接地，并采取输入、输出模拟量和开关量的滤波措施，必要时采用光电隔离的方法。
1）系统中的动力线和控制信号线都采用屏蔽电缆。高压电机使用的高压电缆采用屏蔽电缆，可使噪声电流高频分量得到部分抑制。屏蔽电缆是在非屏蔽普通导线的外面加上金属屏蔽层，利用金属屏蔽层的反射、吸收及集肤效应实现防止电磁干扰及电磁辐射的功能，屏蔽电缆综合利用了双绞线的平衡原理及屏蔽层的屏蔽作用，因而具有非常好的电磁兼容特性。控制器与功率单元部分采用光纤通信，以保证强电与弱电的有效隔离。
2）整个系统进行良好接地处理。高压部分的接地和控制部分的接地分开处理。变频器正确接地是提高控制系统灵敏度、抑制噪声能力的重要手段，变频器接地端子PE的接地电阻越小越好，接地导线截面积应≥2mm2。高压系统的接地与控制设备接地点分开，防止信号串扰。信号输入线的屏蔽层应把就近的一端接至PE上，另一端要悬空，否则会引起信号变化波动，使系统振荡不止。控制柜各设备应电气连通，可利用铜芯导线跨接。每台变频器的PE端应连接形成等电位。控制部分的零电位单连接到接地体。
3）在变频器控制器的交流输入侧安装交流滤波器和隔离变压器，以提高输入电源质量，图5所示为加装隔离变压器屏蔽及其接地方式图。为保证控制器的不间断运行，防止电压跌落，可加装UPS。
4）在变颇器控制回路和网络回路中设置滤波器可以抑制中低频电磁干扰，增设du/dt滤波器或差模滤波器效果好。
5）控制电缆的布线应尽可能远离动力电缆(小间隔20cm)，使用单的走线槽。如果使用同一走线槽，中间须加装隔离板，且隔板沿其长度设有多个接地点。当控制电缆与动力电缆交叉时，使相互交叉成90°角，可将电磁干扰降低到小。
6）PLC与变频器之间加装光电隔离卡，防止高压变频器通过PLC将电磁干扰传输到控制网络上。
7）控制柜内的接触器、继电器等线圈上须使用抑制元件，如RC，二管，压敏电阻。
8）电缆的备用线两端接地以增加屏蔽效果。
9）在DSP的I/O口，电源线，电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件，如磁珠、磁环、电源滤波器，屏蔽罩，可显著提高电路的抗干扰性能。
4 软件抗干扰设计
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1）多用查询代替中断，把中断减到少，以避免误触发和感应触发。
2）A/D转换采用数字滤波，以防止突发性干扰。如采用平均法、比较平均法等。
3）在软件中的关键地方设置和软件陷阱,即使软件跑飞也能使系统处于受控状态。
4）对于输入的开关信号进行延时去抖动。
5）I/O口正确操作，检查I/O口执行命令情况，防止外部故障不执行控制命令。
6）通信应加奇偶校验或采用查询、表决、比较等措施，防止通信出错。必要时，重新复位通信寄存器的设置，从而防止通信错误而导致通信失败或造成其他故障。
5 结语
在高压变频调速电气系统中，由于高压换流装置的存在，致使大量的电磁干扰产生，如不加以抑制，将影响整个控制系统的正常工作。但电磁干扰是不现实的。电磁干扰的抑制应根据不同元器件，不同的电磁环境采取适当的抑制措施，以系统可以正常工作为衡量标准，没有必要单纯为了追求电磁干扰抑制指标而采取复杂的措施。通常电磁干扰抑制能力的强弱与投资成正比。变频调速电气系统的电磁兼容性是一项十分复杂的系统工程，有许多实际的工作经验需要总结，还有许多的理论需要探讨。
2）安装滤波器在变频器前加装LC型无源滤波器，滤掉高次谐波，通常滤掉5次和7次谐波。
3）安装电抗器在变频器前侧安装线路电抗器，可抑制电源侧过电压。
4）设置有源滤波器有源滤波是自动产生一个与谐波电流的幅值相同且相位正好相反的电流，从而可以有效地吸收谐波电流。
2.2对噪声与振动问题的处理
1）当变频器输出中的低次谐波分量与转子固械频率发生谐振时，则噪声增大；当变频器输出中的高次谐波分量与铁芯、机壳、轴承架等，在各自固有频率附近处发生谐振时，则噪声增大。
变频器传动电动机产生的噪声特别是刺耳的噪声与PWM控制的开关频率有关，尤其在低频区为显著。要解决这一问题，一般在变频器输出侧连接交流电抗器。如果电磁转矩有余量，可将u/f设定小些，以平抑和降低噪声。
2）变频器工作时，输出波形中的高次谐波引起的磁场对许多机械部件产生电磁策动力，策动力的频率与这些机械部件的固有频率接近或重合时将发生谐振。对振动影响大的主要是较低次的谐波分量，在PAM方式和方波PWM方式时有较大的影响。但采用SPWM方式时，低次的谐波分量小，影响亦变小。
减轻或振动的方法是在变频器输出侧接人交流电抗器以吸收变频器输出电流中的高次谐波电流成分。采用PAM方式或方波PWM方式的变频器时，可改用SPWM方式变频器，以减小脉动转矩，就可以减弱或振动，防止机械部分因振动而受损。
2.3对发热问题的处理
通用变频器的运行环境温度一般要求在-l0℃～+50℃。为保证变频器地工作，并延长变频器的使用寿命，对变频器进行散热。冬天可以利用变频器的内装风扇将变频器箱体内部的热量带走；夏天温度本身就有40℃，利用变频器的内装风扇带走的内部热量只能使室内和变频器箱体温度升高，此时的办法是利用窗户或在机配电室紧邻变频器箱体的墙壁上下方均匀适当地打几个φ500mm的洞，同时确保控制柜内变频器周围留有一定的空间，保持良好的自然通风。这样还不行的话可以打开风扇，或在洞口加装排气扇和风道，将变频器产生的热量强制抽出室外。后可考虑采用空调对安装变频器的空间环境进行强制降温。
0 引言
在现代工业控制中，采用变频器控制电动机的电力拖动系统，有着节能效果显著，调节控制方便，维护简单，可网络化集中远程控制，可与PLC组成控制系统等优点。变频器的这些优点使其在工业自动控制领域中的应用日益广泛。本文对变频器应用中的故障问题进行了分析，并介绍了处理方法。
1 变频器应用中的一些问题
1.1谐波问题
变频器的主电路中起开关作用的器件，在通断电路的过程中，都要产生谐波。较低次谐波通常对电动机负载影响较大，引起转矩脉动；而较高的谐波则使变频器输出电缆的漏电流增加，使电动机出力不足。谐波干扰还会导致继电保护装置的误动作，使电气仪表计量不准确，甚至无法正常工作。
1.2噪声与振动问题
采用变频器调速，将产生噪声和振动，这是因为变频器输出波形中含有高次谐波分量。随着运转频率的变化，基波分量、高次谐波分量都在大范围内变化，很可能与电动机的固械振动频率发生谐振，而这种谐振是噪声与振动的来源。
1.3发热问题
变频器在运行中由于内部损耗而产生热量，这种热量主电路占98％，控制电路占2％左右。同时在夏季环境温度过高，使变频器温度上升，温度可高达80~90℃，由于变频器是电子装置，内含电子器件和电解电容等，温度过高易造成元器件失效，使液晶屏幕数据无法显示，还经常会发生变频器保护动作的现象。
因此，将变频器输出的谐波抑制在允许的范围内，同时或减弱噪声与振动，对变频器进行散热，以延长变频器的使用寿命。
2变频器应用中一些问题的分析与处理
2.1对谐波问题的处理
对谐波问题的处理就是切断干扰的传播途径和抑制干扰源上的高次谐波。
切断干扰的传播途径有：
1）切断共用接地线传播干扰的途径动力线的
接地与控制线的接地应分开，即将动力装置的接地
端子接到地线上，将控制装置的接地端子接到该装
置盘的金属外壳上。
2）信号线远离干扰源电流的导线布线分离对这种干扰行之有效，即把高压电缆、动力电缆、控制电缆与仪表电缆、计算机电缆分开走线。
抑制干扰源上的高次谐波的方式有：
1）增加变频器供电电源内阻抗通常电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用，内阻抗越大，谐波含量越小，这种内阻抗就是变压器的短路阻抗。
A．技术参数：
数量：1M
尺寸：20×3×0.8
行程：15㎜
速度：0.1M/S
载荷：1500㎏
B．结构特点：
灯光渡桥由主体钢结构框架，卷扬系统和配重组成。灯光渡桥的两侧便于安装灯具，设电缆收线装置和上下灯光渡桥的爬梯。桥面敷设绝缘防滑橡胶板和踢脚板。
舞台机械控制系统：
控制系统主框架可分为作层和控制层，操作层包括主操作台、流动操作台等，控制层包括PLC、运动控制变频器、MCC等。系统中的主控计算机按照双通道结构工作，即驱动器、运动控制器、传感器等信号同时由两台计算机处理，当一台计算机故障时，切换到另一台计算机上继续工作，并可满足全功能操作的要求。控制系统具有系统默认运行方式、场景物理参数的设定和监控、运行确认、运行指示及报警、设备预选择、运行参数设定和监控、预设停车位置、编组、场景/序列、手动介入等功能，并有在线帮助、故障诊断、操作和运行信息记忆、文件管理等功能。
主控制：在主操作台上完成预选择、运行参数设定、编组等操作，并实时的当前速度、位置、状态等信号。主操作套上社有四组手动介入操作杆，满足演出过程中的人工干预的要求。
智能控制：使用触摸屏，可以实现智能型手动控制。
就地控制：在设备旁可进行手动控制。
紧急停机：主操作台、流动操作台上设置紧急停机按钮，并在基坑、舞台面、天桥、栅、电气室等设置紧急停机按钮；按下紧急停机按钮，可以硬脂所有设备的不正常运行。设备旁设置紧急停车按钮，按下紧急停车按钮，可以停止该设备的不正常的不正常运行
3）若能采用标准伺服电机则将比使用一般感应式异步电机有好的效果。
2.VEC-VBR驱动器
依据系统可能的大扭力需要和选定的伺服电机大额定电流来选定。驱动器有回升放电功能，可以外接放电电阻（内含放电回路的机型）或外加煞车制动器再接放电电阻（无放电回路的机型）；详细内容请咨询本公司技术服务咨询人员。
3.主线速度测量编码器
依据精度要求及机械参数来选定。编码器的选定规格需注意：
1）工作电压5V
2）输出部分是线驱动（LineDrive），差动式信号，增量型。
3）有A，/A，B，/B的信号。
4）配合测量轮的外径及减速比，测量精度需能合乎裁切精度的要求。
若采用1024ppr的编码器，配合圆周为400mm的测量轮，如果减速比是1，其测量精度是400/1024*2=0.78mm，可应用于±1mm精度要求的测量，但不适用于±0.8mm以下精度要求的测量。要提高测量精度，则提高编码器精度，或增加减速比，以提高单位长度中的脉波输出量。
4.人机界面
可规划适合的操作画面，以便于资料输入，动作切换，系统监视。
5.切点近接开关
切点近接开关信号的度直接影响裁切的精度。切点信号能有的重复性和稳定性，其在于能确保在高速运转中，的重复标示出切切断时的角度位置；信号输出的延迟时间、感应位置的误差量，都会造成控制上的误差。
选择的考虑点：
1）工作电压24V。
2）输出信号电压24V。
3）切断信号是脉冲式的信号。
4）输出迟延时间愈小愈好。
如果延迟时间小于3usec，表示大可能的误差在进料线速度为100米/分时为：
100,000mm/60,000,000us*3us*2=0.01mm
5）感应位置的重复性愈愈好。
6）感应角度愈窄愈好。
7）若要高的精度，则采用编码器的Z点信号取代一般的近接型开关。
五、结束语
上述电脑螺旋横切系统切纸速度可达200M/min切纸速度控制在0.5MM.。全自动高速螺旋横切系统率、、高性；可选择定长横切、色标跟踪横切，可自动换单、选择换单。大大提高了生产效率。
2.从个裁切点开始(裁方位角等于180度)，当时仍然在同步区域内，因此裁速度与进料速度维持同步运转。
3.当裁切」离开同步区域后，裁速度曲线经过控制系统的计算、控制，在降低到零速的同时，裁方位角也刚好等于0度。
4.当进料长度累计到适当长度时，裁切轮开始朝进料速度目标加速；而且裁速度曲线经过控制系统的计算、控制，务求在裁速度上升到与进料速度同步的同时，裁切轮也恰好进入同步区域。
6.进入同步区域之后，裁速度随时与进料速度维持同步运转，直到二个裁切点出现，乃完成一次裁切循环。
如果裁切长度大于切圆周长且小于两倍切圆周长，则运行速度曲线如图3所示。基本运行速度曲线类似图2。差异如下：
1.在整个裁切循环中，当裁切轮离开同步区域后，裁速度虽然也会下降，但不会降速至零速停止，不存在零速区域。
2.经过VEC-VBR控制系统的计算、控制，在裁速度降低到一定值之后，立刻开始再加速；务求在裁速度上升到与进料速度同步的同时，裁切轮也恰好进入同步区域；并维持同步直到二个裁切点出现，乃完成一次裁切循环。
3.裁切长度越趋近切圆周长，则速度下降越少；当裁切长度等于切圆周长时，裁速度在整个裁切循环中都维持与进料速度同步
如果裁切长度小于切圆周长，则运行速度曲线如图4所示；基本运行速度曲线类似图3。差异如下：
1.在整个裁切循环中，当裁切轮离开同步区域后，裁速度不降速，反而开始加速。
2.经过VEC-VBR控制系统的计算、控制，在裁速度上升到一定值之后，立刻开始减速；务求在裁速度下降到与进料速度同步的同时，裁切轮也恰好进入同步区域；并维持同步直到二个裁切点出现，乃完成一次裁切循环。
3.裁切长度越小，则裁速度上升越高，将造成马达剧烈的加减速。
四、器件选型的注意事项
VEC-VBR轮切系统基本架构中所需的主要组件是：
1.同步伺服或感应伺服电机
依据系统扭力的需要，包括伺服电机、机械系统自身的惯量、效率、摩擦损耗等因素来选定适当的形式及功率。
一般选择电机时需注意：
1）低惯量惯量愈低愈好，否则会损耗许多扭力去克服自身的惯量。
2）适当的额定转速及减速比
选定电机规格时应配合减速机构一起考虑，的匹配是当电机运行于转速时，即是机台切的合理运转速度（考虑机械的承受力，及实际应用上的要求）。
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