注塑机变频节能系统常见EMC解决方案
2022-11-30

  1 引言

  注塑机和变频器配套使用,可以达到节约能源(其节电率可达25%~65%),提高生产效率和产品质量,降低油污染和噪声污染,延长机器使用寿命等优点,从而得到了广泛的应用,为此采取成本低廉,合理实用的EMC解决方案,将成为保证设备正常可靠运行的关键。

  2 注塑机电磁干扰的危害

  (1)注塑机存在很多弱电信号电路,而这些弱电信号供电电路又与变频器共用一个电源(通常,变频器电源端在采取简单的EMC措施后,其电源端传导干扰还很大,如图1所示。此时弱电信号电路将非常脆弱,如不采取措施往往将非常容易被干扰,特别是传感系统反馈回来的信号(这个反馈回来的信号要求精度相当高),稍被干扰,就会影响反馈信号的精度,从而使注塑机注塑不到位,影响设备的正常使用。

 

图1 普通变频器在采取简单的EMC措施后电源端的传导干扰频谱图

  (2)由于变频器的逆变部分高速开和关及变频器开关电源部分开关管的高速开和关及时钟,通讯部分电路的工作和传输,将产生非常大的辐射干扰信号,具体如图2所示,如不采取措施,注塑机部分靠近变频器的信号电缆及信号电路,将成为被干扰的受害对象,从而影响设备的正常可靠运行,如果变频器或者周边设备发射的信号频率刚好与注塑机控制部分某根信号电缆形成一定比例,将有可能达到100%接收的可能性,这个时候将非常可怕,信号电缆本身传输的有用信号将被干扰信号覆盖,从而使设备产生误动作,如果信号电缆在空闲时,就算没有100%接收到干扰信号,其干扰信号被放大之后,也将可能使设备产生误动作。

 

图2 普通变频器在采取简单的EMC措施后, 天线在5m处接收到的辐射干扰频谱图

  (3)其次还有诸如谐波干扰,闪烁干扰等。

  3 注塑机变频节能系统常见EMC解决方案

  3.1 常见EMC解决方案示意图

  常见EMC解决方案示意图如图3所示。

 

图3 常见EMC解决方案示意图

  3.2 EMC解决方案图原理分析

  (1)关于选用磁环材料和串绕匝数

  磁环1、2、4、5、6、7推荐使用锰锌铁氧体,串绕匝数越多越好,但也有饱和点,主要用于抑制传导干扰(由于锰锌铁氧体磁导率高,通过增加穿过磁环的匝数,其磁导率更高,对低频传导干扰信号呈现阻抗也越大,此时,由于寄生电容增加,其高频阻抗减少,对高频辐射干扰效果不明显,故锰锌铁氧体一般用来抑制低频传导干扰)。

 

  磁环3推荐使用镍锌铁氧体,串绕匝数一般3匝左右即可,主要用于抑制高频辐射干扰(同理,由于镍锌铁氧体,磁导率低,低频阻抗少,而高频阻抗大,故镍锌铁氧体主要用来抑制辐射干扰)。

  还可以提到一个问题的是,在EMC调试中,经常会发现,当在某根电缆串绕一个磁环时,然后再去测试骚扰功率,此时,可以从频谱图上发现,某些频率段的dB值减少,而某些频率段的dB值反而增加了。在这里笔者可以这样解释:当电缆穿过铁氧体时的等效电路在低频和高频时是不同的,在低频时主要呈电感特性,高频时是随频率变化的电阻。我们知道,电感本身并不消耗能量,而仅储存能量,因此,电感会与电路中的电容构成谐振电路,使某些频率上的干扰增强,而电阻是要消耗能量的,从而从实质上减少干扰。

  (2)使用隔离变压器的好处

  ● 隔离原副边上的电气连接,起到安全保护作用;

  ● 减少输入端引入的干扰,同时对外界干扰也将减少。

  (3)接地

  在实际的EMC调试中,我们经常会发现,良好的接地有时可以起到意想不到的效果,但有时,却使干扰比之前更恶劣了,具体可以来看这样一个例子(参见图3),从传感系统到变频器AI1输入端子间,通常使用屏蔽电缆,这时如果将屏蔽电缆单端接地到变频器外壳地,我们往往会发现,变频器AI1输入端子零漂更严重了,这样形成的后果是,注塑机注塑不到位,无法完成注塑。这个时候,可以用非常简单的道理来解释这个原因:原本的出发点是通过屏蔽线接地,将屏蔽线上屏蔽的干扰信号导入到地,从而使屏蔽效果更好,但是此时糟糕的是,这个地已经被其它共模干扰污染的相当严重,这时原本比较干净的屏蔽电缆,正好提供了部分共模干扰泄放的回路,使原本相对来说干净的屏蔽电缆被共模干扰污染了,从而使干扰更加严重。所以图3中从传感系统到AI1端子间和DI1及故障输出到控制系统间,采用屏蔽电缆,但屏蔽电缆不接地,这样可以起到屏蔽磁场的作用(注意对磁场屏蔽时其屏蔽电缆可以不接地)。屏蔽电缆接地一般遵从以下原则:强电屏蔽电缆要求良好接地,二次电路通讯、反馈回路屏蔽电缆不能与强电电缆共用一个地,如果接地,就要接到相对干净的地(电磁干扰较小的地)。

  (4)滤波器的选用及使用注意事项

  在选用滤波器时,至少要知道五个参数:

  插入损耗(插入损耗有共模插入损耗和差模插入损耗之分),抑制频率范围,工作电压范围,额定工作电流,绝缘电压等。

  然后根据自己的需要进行合理选择。在安装时注意以下事项:

  ● 滤波器要就近靠近被滤波部分安装;

  ● 滤波器的输入输出线不要靠得太近;

  ● 滤波器的接地端子要接到机箱或大金属板上,最好是外壳大面积地贴在金属机箱导电表面上。

  4 变频器应用现场常用EMC对策

  (1)在电机线30m内,可以考虑通过降低变频器的载波来减轻干扰,这个办法,有时候往往也是最容易操作,最无奈的办法之一,通常将载波频率控制在3kHz左右还是可以接受的(载波频率减少,电机噪声增大,而变频器输出线与线间漏电流减少)。

  (2)检查接地线

  滤波器地一定要与被滤波部分良好地接到一个公共地上;

  高频信号电缆(300kHz以上的信号)采用多点接地,低频信号电缆(300kHz以下的信号)采用单点接地,高低频信号混合的地方采用混合接地;

  断开或接上接地线进行现场试验;

  加大接地面积,尽量减短接地线或者接地片。

  (3)关键信号电缆分别串绕一个锰锌铁氧体和镍锌铁氧体磁环,注意串绕磁环时,一定要就近被干扰部分电路串绕。

  (4)RST输入加装滤波器或串绕磁环。

  (5)电机电缆长度超过100m的,加装输出滤波器或电抗器。

  5 结束语

  总之,现场的EMC调试与上EMC调试完全不一样,我们不可能在现场对电路板进行整改。在现场,一定快速而准确地定位问题点,然后采取措施,这个时候,往往只是解决了表面上的问题,而电路板整改,通常要深究问题点,然后从原理上去解决问题,说白了,这个时候,我们是要从根本上解决问题。同时,无论是现场EMC调试还是电路板上的EMC调试,一定不要忽略每一个细小的环节,有时往往是我们忽略的地方,却能起到关键性的作用。

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