摘要 ：本文介紹了變頻器在發(fā)酵行業(yè)DCS系統(tǒng)上的應(yīng)用，濾波器件的選擇，及安裝時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)。 關(guān)鍵詞：變頻器 電磁干擾 電磁兼容 1 引言 發(fā)酵行業(yè)是現(xiàn)代生物工程重要組成部分，特別是制藥、味精、檸檬酸、黃原膠等新型發(fā)酵行業(yè)，近幾年來得到迅速的發(fā)展，由于生產(chǎn)的是原料藥，所以都離不開發(fā)酵罐這一核心，隨著產(chǎn)品產(chǎn)量和新品種的不斷增加，對發(fā)酵罐的攪拌速度也要求不一，不同時(shí)段需要不同的調(diào)整。針對大的負(fù)載比較多、耗電量比較大、發(fā)酵周期比較長的情況下，近幾年來我們在全國發(fā)酵行業(yè)做了不少設(shè)備改造，即滿足了生產(chǎn)工藝要求，又節(jié)省了不少資源。 變頻器在發(fā)酵罐上的應(yīng)用日益普及，為該行業(yè)的工業(yè)自動化控制提供了良好的生產(chǎn)及工藝效益。但隨著自動化程度的不斷提高，自動化設(shè)備對電源污染的程度也越來越深，相應(yīng)的對自動控制系統(tǒng)的干擾也越來越強(qiáng)，對電源濾波、凈化，取得相對穩(wěn)定的綠色電源的要求也越來越高。 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,家用電器,工業(yè)電器和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的日益發(fā)達(dá),電磁環(huán)境日益復(fù)雜和惡化,使得電氣電子產(chǎn)品的電磁兼容性EMC，電磁干擾EMI與電磁抗EMS問題受到各國政府和生產(chǎn)企業(yè)的重視,電子電氣產(chǎn)品的電磁兼容性EMC是一項(xiàng)非常重要的質(zhì)量指標(biāo),它不僅關(guān)系到產(chǎn)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(shè)備和系統(tǒng)的正常工作,關(guān)系到電磁環(huán)境的保護(hù)問題.為了保證電子設(shè)備穩(wěn)定可靠的工作,減小電磁污染,越來越多的國家開始執(zhí)行EMC標(biāo)準(zhǔn),尤其是在歐洲國家,EMC的性能已經(jīng)成為法律性的指標(biāo),成為電子產(chǎn)品廠商必須通過的指標(biāo)之一. 國際上對電磁兼容（EMC或EMI）的設(shè)計(jì)及應(yīng)用已有比較明確的法律及法規(guī)，對電子設(shè)備的干擾及被干擾、電源的諧波含量都有明確的規(guī)定。由于我國EMC技術(shù)起步較晚,無論是理論,技術(shù)水平還是相關(guān)產(chǎn)品（測試儀器,屏蔽材料,濾波器等）制造,都與發(fā)達(dá)國家相差甚遠(yuǎn),因此在實(shí)踐方面也相對落后.但是，在一些工業(yè)生產(chǎn)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(shè)備對電磁干擾非常的敏感，已至于無法正常工作. 2 噪音的類型及對策 1）干擾傳播的途徑主要是傳導(dǎo)和輻射 傳導(dǎo)干擾：干擾的根源是電壓/電流產(chǎn)生不必要的變化，這種變化通過導(dǎo)線直接傳遞給其他設(shè)備造成危害。輻射干擾:現(xiàn)象的產(chǎn)生是與天線分不開的，根據(jù)“天線原理”，如果導(dǎo)線的長度與波長相等，很容易產(chǎn)生電磁波。 總之，當(dāng)設(shè)備和導(dǎo)線的長度比波長短時(shí)，主要的問題是傳導(dǎo)干擾，當(dāng)它們的尺寸比波長長時(shí)，主要的問題是輻射干擾。 另外，環(huán)境中還存在著一些短暫的高能脈沖干擾，這些干擾對電子設(shè)備危害很大，一般稱這種干擾為瞬態(tài)干擾，瞬態(tài)干擾可以通過電纜進(jìn)入設(shè)備，也可以以寬帶輻射干擾的形式對設(shè)備造成影響。 2）電壓/電流的變化通過導(dǎo)線傳輸時(shí)有兩種狀態(tài)，即共模和差模。 設(shè)備的電源線、信號線等的通信線、與其他設(shè)備或外圍設(shè)備相互交換的通信線路，至少有兩根導(dǎo)線，這兩根導(dǎo)線作為往返線路的輸送電力或信號，但在這兩根導(dǎo)線之間還有另一種導(dǎo)線地線。 干擾電壓電流有兩種方式： 一種兩根導(dǎo)線分別作為往返線路傳輸即為差模； 另一種是兩根導(dǎo)線做去路，地線做返回傳輸即為共模。 對于差模電壓，一根導(dǎo)線上是（線間電壓）/2，而另一根導(dǎo)線上是（線間電壓）/2，因而是平衡的。但共模電壓，兩根導(dǎo)線上相同。當(dāng)兩種模式同時(shí)存在時(shí)，兩根導(dǎo)線對地的電壓不同。 因此，當(dāng)兩根導(dǎo)線對地線電壓或電流不同時(shí)，可通過下列方法求出兩種模式的成分： UN=（U1-U2）/2UC=（U1+U2）/2 IN=（I1-I2）/2IC=（I1+I2）/2 3）接地是電子設(shè)備的一個(gè)重要問題： 1、接地使整個(gè)電路系統(tǒng)中的所有電路都有一個(gè)公共的參考零電位，也就是各個(gè)電路的地之間沒有電位差，保證電路系統(tǒng)能穩(wěn)定的工作。 2、防止外界電磁場的干擾，機(jī)殼接地為瞬態(tài)干擾提供了泄放通道，也可使因靜電感應(yīng)而積累在機(jī)殼上的大量電荷通過大地泄放，另外，對于電路的屏蔽體，若選擇合適的接地，可獲得良好的屏蔽效果。 3、保證安全運(yùn)行，當(dāng)發(fā)生直接雷電的電磁感應(yīng)時(shí)，可避免電子設(shè)備損壞，當(dāng)設(shè)備絕緣不好造成設(shè)備接地時(shí)，可避免人為觸電。 總之，接地是抑制噪聲、防止干擾的主要辦法之一。設(shè)計(jì)良好的接地系統(tǒng)是以很低的成本防止不希望有的干擾和發(fā)射。 4）電纜是高效的電磁波接收天線和輻射天線，同時(shí)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(diǎn)選擇等問題都將使屏蔽線出現(xiàn)干擾問題。 另外，電纜的布置也對產(chǎn)品電磁干擾產(chǎn)生重大影響，電纜之間的耦合、電纜布線形成的環(huán)路都是電纜電磁干擾設(shè)計(jì)的重要組成部分。 3 EMC的濾波及濾波器件的選擇 a） 電阻 電阻是PCB上最常用的器件，電阻也是EMI使用的限制，對于頻域要求存在的限制決定于使用的電阻材料。由于線繞附加存在電感，所以線繞電阻并不適合高頻應(yīng)用，薄膜電阻包含一些電感，但由于引腳電感較低，所以有時(shí)可用于高頻場合。 b） 電容 電容通常用于電源總線的去耦、濾波、旁路和穩(wěn)壓。在自諧振頻率以下，電容保持電容性，在自諧振頻率以上，電容程現(xiàn)電感性，可用公式Xｃ=1/2лC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（F）。 c） 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=2лL來描述。共模電感（Common Mode Choke）也叫共模扼流圈。 將這個(gè)共模電感一端接干擾源，另一端接被干擾設(shè)備，并通常與電容一起使用，構(gòu)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(shí)產(chǎn)生的EMI信號，能有效地降低EMI的強(qiáng)度。 d） 鐵氧體磁環(huán) 當(dāng)電感不能用于高頻時(shí)，采用鐵氧體磁環(huán)是一個(gè)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(dǎo)率和高頻阻抗，同時(shí)線繞間電容最小，適用于高頻場合。低頻時(shí)，電感小，線損小，高頻時(shí)，其基本是電抗性的，且與頻率有關(guān)。 鐵氧體磁環(huán)屬于“能耗型設(shè)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。 e）濾波器 濾波器是一種二端口網(wǎng)絡(luò)，它有電感、電容、共模電感元件構(gòu)成無源低通網(wǎng)絡(luò)，基本電路圖如下： 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(shí)由于寄生電容的存在，共模扼流圈對干擾的抑制作用已經(jīng)較小，主要依靠共模濾波電容。 4 系統(tǒng)介紹 河南新鄉(xiāng)華星制藥有限公司采用北京康拓生物工程有限公司生產(chǎn)的全自動DCS控制系統(tǒng)，對每臺發(fā)酵罐的溫度、壓力、流量、溶解氧（DO）、酸堿度（PH值）進(jìn)行全方位監(jiān)控，并對發(fā)酵過程中的入料、出料，包括液糖、苯乙酸、硫氨等進(jìn)行全自動控制，有三個(gè)傳感器進(jìn)行檢測，發(fā)出電信號至微機(jī)控制系統(tǒng)。由微機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)檢測的電壓（或電流）值適時(shí)發(fā)出脈沖信號（+5V），去控制電磁閥的開閉（電磁閥工作電壓為+36V），來實(shí)現(xiàn)進(jìn)出料的補(bǔ)給。這樣每臺發(fā)酵罐就有三項(xiàng)進(jìn)出料控制的六個(gè)電磁閥，三個(gè)傳感器，兩塊檢測儀表，在微機(jī)上全部實(shí)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控，并將全部數(shù)據(jù)顯示于一面大屏幕墻上，系統(tǒng)圖如下： 5 電磁干擾問題分析及解決方法 變頻器輸入端電源采用太原依福特電子有限公司生產(chǎn)的濾波器，其內(nèi)部是采用高導(dǎo)磁率的鐵氧體磁心及鐵粉芯，配接一定的電容，構(gòu)成LC濾波器，將變頻器產(chǎn)生的高次諧波（在某一頻帶內(nèi)）濾掉，而使臨近或同一電網(wǎng)工作的電器設(shè)備不受干擾，能夠正常工作。其原理圖如下所示。 [align=center] 圖1為輸入濾波器電路原理圖[/align] 變頻器輸出端電源濾波器采用電感（L）濾波，抑制變頻器輸出的傳導(dǎo)干擾和減少輸出線上低頻輻射干擾，使直接驅(qū)動的電機(jī)電磁噪聲減小，使電機(jī)的銅損、鐵損大幅減少。其原理圖如圖2所示。 [align=center] 圖2 為輸出濾波器電路原理圖[/align] 變頻器產(chǎn)生干擾的原因 [align=center] 圖3 為變頻器主電路圖[/align] 變頻器主電路一般是交流—直流—交流模式見圖3，外部輸入380V/50Hz的工頻電源經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓信號，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號。在整流回路中，輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波，波形按傅立葉級數(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，輸出電流信號是受PWM載波信號調(diào)制的脈沖波形，對于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(dá)15kHz。同樣，輸出回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(fù)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(shè)備。 6 結(jié)束語 通過多家企業(yè)的認(rèn)可，風(fēng)光變頻器在發(fā)酵行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，為發(fā)酵行業(yè)在自動化控制與變頻器電磁兼容所涉及到的問題有了比較完善的解決。隨著我國變頻器市場的日益擴(kuò)大，電磁兼容的意義將更廣泛，其應(yīng)用的前景將是十分樂觀的。