西门子6ES7231-7PF22-0XA0详细使用

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 0 引言

    由于电力电子技术迅速发展，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可靠性、稳定性提出了更高的要求，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、弱电部件为一体的高级自动化系统，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可以使传动系统的核心———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，其核心为双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。

    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，不可能完全避免电磁干扰，因此必须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。

    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。在高频电路中必须使用多点接地，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）安全接地使用交流电的设备必须通过黄绿色安全地线接地，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，必须进行必要的隔离和屏蔽，这些隔离和屏蔽的金属必须接地。

    （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“较低阻抗”通道。

    （4）电路参考电路之间信号要正确传输，必须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必须接地。

    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。

    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，所有的元器件均应可靠接地，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）整个系统必须进行良好接地处理。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。高压系统的接地较好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独连接到接地体。

    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更好。

    5）控制电缆的布线应尽可能远离动力电缆(较小间隔20cm)，较好使用单独的走线槽。如果使用同一走线槽，中间须加装隔离板，且隔板沿其长度必须设有多个接地点。当控制电缆与动力电缆必须交叉时，使相互交叉成90°角，可将电磁干扰降低到较小。

    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，二极管，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

    1）多用查询代替中断，把中断减到较少，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，必须检查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。但完全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。

对不同位置传感器所带来的影响进行了一项研究。功率模块的一个模型如图 2所示。该模块没有铜底板，安装在一个风冷铝散热器上。不同传感器的热耦合不同，从传感器A）在同一铜层上与功率半导体直接相连，到传感器B）和C）在模块内不同位置进行隔离，到放置在散热器上模块旁的传感器D）。由于不同的热耦合，每个传感器有不同的结（ j ）到传感器（r）热阻Rth(j-r)。

用于过热保护的断路电平可在准静态条件为每个传感器设定。例如，如果Tj 不能**过140°C，则所研究案例系统的“过热关断”断路电平将从120°C（传感器A）、110°C（传感器B）、100°C（传感器C）至70°C（传感器D）不等。源和传感器之间的耦合越好，冷却系统的影响越低。这是集成解决方案的一个很大的优势。

不过，对于其他冷却条件（散热材料和根基厚度、冷却介质、导热硅脂厚度），断路电平不得不设定为新的值。这使得IPM的制造商很难为任意给定的应用将过热断路电平设定至一个适当值。为此，传感器信号应由外部上位控制器进行监测，并且如果需要的话，热保护电平应与冷却系统相匹配。

为显示冷却系统所产生的影响，导热硅脂层的厚度由原来的50 µm增加至100 µm。由于传感器A与功率半导体有着较佳的热耦合，因此可以看出对Rth(j-r) 的影响较低，其值只增加了3%。 传感器B和C的Rth(j-r) 值增加了 7…8%。冷却系统对传感器D的Rth(j-r)影响较大，其值的增加过 25%。

另一个问题是温度传感器是否能够在短时过载的情况下保护功率半导体。每个传感器对结温升高做出反应的时间存在延迟，该延迟与传感器的位置相关。这一特性由热阻抗Zth(j-r)来描述。它的表现与期望的不一致（见图3）。Zth(j-r)与结到散热器的热阻抗Zth(j-s)（直接在芯片下）的比较表明 在一秒钟之后系统的结-散热器热阻抗已达到稳态条件，而系统的结-传感器则需要100秒才能到达稳态。其中的原因是散热器内部存在热扩散。

对于每一个功率半导体，其静态功耗Ptot的较大值是*的。对于示例中的从50% Ptot至200% Ptot的过载跳变，半导体将一段时间后过热。传感器A将在0.19s后达到其120°C的断路电平，提供可靠的设备保护并将结温保持在约150°C。由传感器B和C提供保护的设备的结温将处在160 °C至170°C这样一个危急的范围内；在这些情况中，传感器需要0.3…0.4s达到断路电平。取决于器件的特性，这可能意味着已经**过了数据手册中规定的限额。传感器D的反应时间**过1秒，因此无法保护设备。对于过载非常高且启动温度低的情况，温度传感器不能提供任何适当的保护。

有关不同温度传感器位置优缺点的概述在表1中列出，由于有隔离，位于B位置的传感器如今是可以选择的方案。如果未来驱动器带保护电路并且信号在驱动器二次侧进行变换，则可能意味着传感器位置A 也许是更好的解决方案。

集成保护
如果发生短时过载，设备保护将存在一个空隙。电流传感器的断路值设定为较高值以允许短时过载，比如在电机起动的时候。长期运行在该电流等级下将导致设备过热。在大多数情况下，温度保护元件的反应时间太长而无法检测到这种过热。

这一空白的一种可能的方式是利用电流及温度信号的软件关断。逆变控制器以传感器的温度和电气运行条件为基础计算结温。tp时刻的结温可由下式计算出：

P0为t=0s 时的功耗，Pover为过载时的功耗。这里，热阻抗Zth(j-r)如数据手册中所述，模拟温度信号Tr也是需要的。

表1：有关不同位置温度传感器是否适合于保护功率半导体的比较。

IPM内的集成传感器在宽范围运行条件下保护像SKiiP这样的功率模块。配备合适的评估电路，它能作为一个协同效应为过程控制提供高质量的信息。这可以节省空间、成本和开发时间。通过外部观测器，可用传感器信号的联合可填补应用中特定保护的空隙