高壓變頻器控制器的電磁兼容設計

1 引言

　　電磁兼容一般指電氣、電子設備在共同的電磁環(huán)境中能執行各自功能的共存狀態(tài)，既要求都能正常工作又互不干擾，達到“兼容”狀態(tài)。

　　隨著(zhù)科技的發(fā)展，人們在生產(chǎn)、生活中使用的電氣、電子設備越來(lái)越廣泛。這些設備在工作中產(chǎn)生一些有用或無(wú)用的電磁能量，這些能量影響到其它設備的工作，就形成了電磁干擾。嚴格地講：只要將兩個(gè)以上的元件（或電路、設備、系統）置于同一電磁環(huán)境中，就會(huì )產(chǎn)生電磁干擾。

　　近年來(lái)，電磁干擾問(wèn)題越來(lái)越成為電子設備或系統中的一個(gè)嚴重問(wèn)題，電磁兼容技術(shù)已成為許多技術(shù)人員和管理人員十分重視的內容。其主要原因是：電子設備的密集度已成為衡量現代化程度的一個(gè)重要指標，大量的電子設備在同一電磁環(huán)境中工作，電磁干擾的問(wèn)題呈現出前所未有的嚴重性；現代電子產(chǎn)品的一個(gè)主要特征是數字化，微處理器的應用十分普遍，而這些數字電路在工作時(shí)，會(huì )產(chǎn)生很強的電磁干擾發(fā)射。不僅使產(chǎn)品不能通過(guò)有關(guān)的電磁兼容性標準測試，甚至連自身的穩定工作都不能保證；電磁兼容標準的強制執行使電子產(chǎn)品必須滿(mǎn)足電磁兼容標準的要求；電磁兼容性標準已成為西方發(fā)達國家限制進(jìn)口產(chǎn)品的一道堅固的技術(shù)壁壘。入世后，這種技術(shù)壁壘對我們的障礙更大。

　　為了使產(chǎn)品能達到電磁兼容的一個(gè)標準，需進(jìn)行電磁兼容試驗，試驗中我們常遇到以下幾個(gè)詞匯：

　　電磁兼容性：設備或系統在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。

　　電快速瞬變脈沖群：它是由電感性負載（如繼電器、接觸器等）在斷開(kāi)時(shí)，由于開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)間隙的絕緣擊穿或觸點(diǎn)彈跳等原因，在斷開(kāi)處產(chǎn)生的暫態(tài)騷擾。當電感性負載多次重復開(kāi)關(guān)，則脈沖群又會(huì )以相應的時(shí)間間隙多次重復出現。這種暫態(tài)騷擾能量較小，一般不會(huì )引起設備的損壞，但由于其頻譜分布較寬，所以會(huì )對電子、電氣設備的可靠工作產(chǎn)生影響。

　　電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗：試驗波形電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗，目的是驗證由閃電、接地故障或切換電感性負載而引起的瞬時(shí)擾動(dòng)的抗干擾能力。這種試驗是一種耦合到電源線(xiàn)路、控制線(xiàn)路、信號線(xiàn)路上的由許多快速瞬變脈沖組成的脈沖群試驗。此波形不是感性負載斷開(kāi)的實(shí)際波形（感性負載斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的干擾幅度是遞增的），而實(shí)驗所采用的波形使實(shí)驗等級更為嚴酷。電快速脈沖群是由間隔為300ms的連續脈沖串構成，每一個(gè)脈沖串持續15ms，由數個(gè)無(wú)極性的單個(gè)脈沖波形組成，單個(gè)脈沖的上升沿為5ns，持續時(shí)間為50ns，重復頻率為5khz。根據傅立葉變換，它的頻譜是從5khz-100mhz的離散譜線(xiàn)，每根譜線(xiàn)的距離是脈沖的重復頻率。

　　該項目測試適用于那些交流市網(wǎng)供電的電子電氣產(chǎn)品。對那些由公共的長(cháng)直流電源線(xiàn)供電的電子電氣產(chǎn)品和那些有電信端口和長(cháng)距離的控制、信號端口的電子電氣產(chǎn)品的相應端口也應進(jìn)行該項目測試，因為這些長(cháng)的交/直流電源線(xiàn)和信號控制線(xiàn)在工作時(shí)可能會(huì )感應到周?chē)脑O備產(chǎn)生的電快速瞬變脈沖干擾；同時(shí)，與公共的交/直流供電網(wǎng)絡(luò )共用電源的其他設備可能會(huì )產(chǎn)生電快速瞬變脈沖干擾傳輸到公共供電網(wǎng)絡(luò )，干擾同一供電網(wǎng)絡(luò )的其他設備。

　　附表中列出了對設備的供電電源，保護接地，信號的控制端口進(jìn)行電快速瞬變試驗時(shí)應優(yōu)先采用的試驗等級的范圍。（本文當中試驗最終通過(guò)4級）

2 控制器基本工作原理

　　本公司高壓變頻器控制器的功能方框圖如圖1所示，主控制器的結構為單元組合式，其核心為雙dsp的cpu單元，通過(guò)總線(xiàn)底板與信號采集板和相控a、b、c板互通信息。從接口子模塊di、ai可接受操作命令、給定信號、電機電流與電壓等。cpu板根據操作命令、給定信號及其它輸入信號，計算出控制信息及狀態(tài)信息。相控a、b、c板接受來(lái)自cpu板的控制信息，產(chǎn)生pwm控制信號，經(jīng)電/光轉換器，向功率單元發(fā)送控制光信號。來(lái)自功率單元的應答信號在相控a、b、c板中轉換成電信號，預處理后送cpu板處理。狀態(tài)信息可通過(guò)信號采集板和接口子模板送出。主控制器根據控制命令、給定信號及運行信息、應答信息進(jìn)行運行控制、狀態(tài)分析、故障診斷等運算，檢測出故障后按故障性質(zhì)進(jìn)行故障處理，如封鎖系統、高壓跳閘等，并給出相應故障信號，還提供故障音響信號。從i/o接口可輸出運行狀態(tài)（開(kāi)關(guān)量）及運行參數（模擬量），用戶(hù)可根據需要選擇輸出量。cpu單元上備有調試用pc機接口，通過(guò)在pc機運行調試程序，可以以畫(huà)面形式進(jìn)行調試和診斷，并可同時(shí)顯示系統中五個(gè)變量的時(shí)間波形和數字量，是系統調試和診斷的良好工具。cpu單元上還備有通信接口（rs-232），可以以通信方式從上位機取得控制命令和給定信號，控制變頻器的運行，并返回運行狀態(tài)和運行參數的有關(guān)信息，以供集中監控。

　　控制器如圖1所示：它是由控制板（cpu板），相控a、b、c板（統稱(chēng)pwm板），信號采集板（it板），電源板，總線(xiàn)底板（圖3）和殼體組成，cpu板、pwm板、it板、電源板是按照一定順序插在總線(xiàn)底板上的。

3 在進(jìn)行電磁兼容試驗過(guò)程中出現的問(wèn)題

　　電磁兼容故障現象在設備的電磁兼容問(wèn)題主要在做電快速脈沖試驗時(shí)暴露，現象如下：

　?。?）在電源輸入端口上施加電快速脈沖群時(shí)，主cpu板上的芯片損毀；

　?。?）在信號端口施加電快速脈沖群時(shí)，數據出錯。

4 導致電磁兼容故障的原因分析

　　經(jīng)過(guò)對設備進(jìn)行反復試驗以及對設備的結構進(jìn)行分析，認為設備在電磁兼容設計方面主要存在以下問(wèn)題：

　?。?）電源端口處缺少電磁干擾消除電路/器件，使電快速脈沖能量進(jìn)入設備，并在電路中傳播；

　?。?）電源的交流端口與直流端口靠的過(guò)近，結果在交流端口上注入電快速脈沖時(shí)，能量直接耦合到了直流側，傳入電路，形成干擾；

　?。?）cpu板距離電源輸入口過(guò)近，使通過(guò)電源端口進(jìn)入設備的電磁干擾直接耦合到cpu板上；

　?。?）設備電路屏蔽不好，由于電快速脈沖干擾的頻率很高，因此當在電源線(xiàn)和信號線(xiàn)上做試驗時(shí)，伴隨著(zhù)較強的空間輻射，這些輻射會(huì )直接感應到電路上形成干擾；

　?。?）信號端口缺少電磁干擾濾波電路，因此向信號線(xiàn)上注入電快速脈沖干擾時(shí)，干擾能量直接進(jìn)入電路，對電路形成影響。

5 解決方案

　　5.1 總線(xiàn)底板的電磁兼容設計

　?。?）改變控制板在底板上的位置，使其遠離干擾最嚴重的電源端口（圖3最左面兩排端子），將其放置在底板的與電源端口相對的另一側（圖3最右端）。

　?。?）底板設計成四層板，除了中間兩層作為走線(xiàn)層以外，將最外側的兩層（頂層、底層）作為屏蔽層，與機箱配合，構成屏蔽體。底板與機箱之間連接，如圖2所示，在線(xiàn)路板板上屏蔽層，與機箱配合預留一周導電層，在上面安裝彈性電磁密封材料（例如導電泡棉），與機箱構成連續導電體。

　?。?）上面第2項中的屏蔽層與直流電源地在信號電纜的端口處相連，但要設計成通過(guò)短路線(xiàn)連接，將來(lái)做試驗時(shí)，根據試驗情況決定是否需要連接。

　?。?）將5v轉3.3v、5v轉2.5v和24v轉5v的部分器件及其周?chē)娐贩胖玫降装迳?，防止電源板上的干擾直接串入這些二次電源對電路形成的干擾。并在每路輸出加lc濾波電路。具體放置位置：將這些電壓轉換電路（直流變換器和lc濾波電路）安裝在離電路板電源輸入插槽近的地方，如見(jiàn)圖3所示。

　?。?）電源板與底板之間的連接插座為兩個(gè)，一個(gè)用于交流，另一個(gè)用于直流，這樣避免交流線(xiàn)上的干擾直接耦合進(jìn)直流側。交流輸入的插座除l、n線(xiàn)的接線(xiàn)針腳外其余的針腳全部接地的屏蔽層。

　?。?）在交流輸入端安裝電快速抑制器和浪涌抑制器（氣體放電管和壓敏電阻），安裝的位置為底板的交流電源輸入插槽后面，并將插頭上的安全地線(xiàn)與底板上的屏蔽層地相接。

　?。?）在電源板的直流輸出端插槽旁安裝直流濾波器，將通過(guò)各種途徑耦合到直流側的電磁干擾濾除，具體方法是：在電源板上輸出的直流電源安裝直流電源濾波器，其原理框圖如圖4所示。

　?。?）底板上的外部plc信號/開(kāi)關(guān)量信號的輸入端口安裝信號線(xiàn)濾波器，具體做法是：插座的每根信號線(xiàn)上安裝如圖4所示的濾波電路。圖5中的電感為鐵氧體磁珠（尺寸盡量大），電容為0.1μf，與底板上的屏蔽層相連。安裝時(shí)，要盡量靠近插座。

　　5.2 電源板的電磁兼容設計

　?。?）電源板與底板的連接由一個(gè)插座改為兩個(gè)插座（與前面第5項對應），交流輸入一個(gè)插座；直流輸出一個(gè)插座；交流輸入的插座除l、n線(xiàn)的接線(xiàn)針腳外其余的針腳全部接屏蔽層地。

　?。?）在電源板的電源輸入端口處安裝電源線(xiàn)濾波器，安裝的位置靠近電源入口處，在濾波器的下方設置覆銅面（并與底板的屏蔽層相連），濾波器通過(guò)覆銅面與底板的屏蔽層相連。濾波器原理框圖如圖6所示，位置如圖7。

　　5.3 it板接口的電磁兼容設計

　　it板的模擬量輸入/輸出接口處（與圖8所示的連接器連接），連接器應和機箱有效接觸，通過(guò)屏蔽線(xiàn)連接接口子模塊di、ai。它們間的連接線(xiàn)必須圍屏蔽線(xiàn)，并且焊線(xiàn)時(shí)需和連接器的金屬部分大面積接觸，連接器內部帶有濾波電容，外面加磁環(huán)，如圖8所示。

　　5.4 cpu板和pwm板接口的電磁兼容設計

　　如圖9所示，cpu板和pwm板接口處，都選擇與外圍電路光纖通訊。cpu板可以從觸摸屏經(jīng)過(guò)光纖通信通道接收操作命令和給定信號，處理后輸出電壓、頻率給定信號給pwm板，在那里轉換成pwm控制信號，經(jīng)電/光轉換器轉換成光信號，從光發(fā)送器端口發(fā)往各功率單元。來(lái)自功率單元的應答信息經(jīng)光/電轉換器轉換成電信號，預處理后送主控制器集中處理。

6 結束語(yǔ)

　　以上的方案基于如下的電磁兼容設計基本原理，在實(shí)施時(shí)注意符合這些基本原理：

　?。?）電路盡量處于完整的屏蔽體內；

　?。?）所有進(jìn)入屏蔽體的導線(xiàn)都需要濾波；

　?。?）濾波器要盡量靠近屏蔽體界面；

　?。?）電源線(xiàn)上必須有完善的濾波措施，包括射頻濾波和脈沖抑制。

　　本文主要從控制器的整個(gè)系統進(jìn)行方案設計的，電路板的詳細設計不在這里一一介紹。