高壓變頻器控制器的電磁兼容設(shè)計

1 引言

　　電磁兼容一般指電氣、電子設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)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)。

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

　　近年來，電磁干擾問題越來越成為電子設(shè)備或系統(tǒng)中的一個嚴重問題，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(nèi)容。其主要原因是：電子設(shè)備的密集度已成為衡量現(xiàn)代化程度的一個重要指標，大量的電子設(shè)備在同一電磁環(huán)境中工作，電磁干擾的問題呈現(xiàn)出前所未有的嚴重性；現(xiàn)代電子產(chǎn)品的一個主要特征是數(shù)字化，微處理器的應(yīng)用十分普遍，而這些數(shù)字電路在工作時，會產(chǎn)生很強的電磁干擾發(fā)射。不僅使產(chǎn)品不能通過有關(guān)的電磁兼容性標準測試，甚至連自身的穩(wěn)定工作都不能保證；電磁兼容標準的強制執(zhí)行使電子產(chǎn)品必須滿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標準，需進行電磁兼容試驗，試驗中我們常遇到以下幾個詞匯：

　　電磁兼容性：設(shè)備或系統(tǒng)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(gòu)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）在斷開時，由于開關(guān)觸點間隙的絕緣擊穿或觸點彈跳等原因，在斷開處產(chǎn)生的暫態(tài)騷擾。當電感性負載多次重復開關(guān)，則脈沖群又會以相應(yīng)的時間間隙多次重復出現(xiàn)。這種暫態(tài)騷擾能量較小，一般不會引起設(shè)備的損壞，但由于其頻譜分布較寬，所以會對電子、電氣設(shè)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擾動的抗干擾能力。這種試驗是一種耦合到電源線路、控制線路、信號線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的實際波形（感性負載斷開時產(chǎn)生的干擾幅度是遞增的），而實驗所采用的波形使實驗等級更為嚴酷。電快速脈沖群是由間隔為300ms的連續(xù)脈沖串構(gòu)成，每一個脈沖串持續(xù)15ms，由數(shù)個無極性的單個脈沖波形組成，單個脈沖的上升沿為5ns，持續(xù)時間為50ns，重復頻率為5khz。根據(jù)傅立葉變換，它的頻譜是從5khz-100mhz的離散譜線，每根譜線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。對那些由公共的長直流電源線供電的電子電氣產(chǎn)品和那些有電信端口和長距離的控制、信號端口的電子電氣產(chǎn)品的相應(yīng)端口也應(yīng)進行該項目測試，因為這些長的交/直流電源線和信號控制線在工作時可能會感應(yīng)到周圍的設(shè)備產(chǎn)生的電快速瞬變脈沖干擾；同時，與公共的交/直流供電網(wǎng)絡(luò)共用電源的其他設(shè)備可能會產(chǎn)生電快速瞬變脈沖干擾傳輸?shù)焦补╇娋W(wǎng)絡(luò)，干擾同一供電網(wǎng)絡(luò)的其他設(shè)備。

　　附表中列出了對設(shè)備的供電電源，保護接地，信號的控制端口進行電快速瞬變試驗時應(yīng)優(yōu)先采用的試驗等級的范圍。（本文當中試驗最終通過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(jié)構(gòu)為單元組合式，其核心為雙dsp的cpu單元，通過總線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(jù)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板接受來自cpu板的控制信息，產(chǎn)生pwm控制信號，經(jīng)電/光轉(zhuǎn)換器，向功率單元發(fā)送控制光信號。來自功率單元的應(yīng)答信號在相控a、b、c板中轉(zhuǎn)換成電信號，預處理后送cpu板處理。狀態(tài)信息可通過信號采集板和接口子模板送出。主控制器根據(jù)控制命令、給定信號及運行信息、應(yīng)答信息進行運行控制、狀態(tài)分析、故障診斷等運算，檢測出故障后按故障性質(zhì)進行故障處理，如封鎖系統(tǒng)、高壓跳閘等，并給出相應(yīng)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)（開關(guān)量）及運行參數(shù)（模擬量），用戶可根據(jù)需要選擇輸出量。cpu單元上備有調(diào)試用pc機接口，通過在pc機運行調(diào)試程序，可以以畫面形式進行調(diào)試和診斷，并可同時顯示系統(tǒng)中五個變量的時間波形和數(shù)字量，是系統(tǒng)調(diào)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(shù)的有關(guān)信息，以供集中監(jiān)控。

　　控制器如圖1所示：它是由控制板（cpu板），相控a、b、c板（統(tǒng)稱pwm板），信號采集板（it板），電源板，總線底板（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底板上的。

3 在進行電磁兼容試驗過程中出現(xiàn)的問題

　　電磁兼容故障現(xiàn)象在設(shè)備的電磁兼容問題主要在做電快速脈沖試驗時暴露，現(xiàn)象如下：

　?。?）在電源輸入端口上施加電快速脈沖群時，主cpu板上的芯片損毀；

　?。?）在信號端口施加電快速脈沖群時，數(shù)據(jù)出錯。

4 導致電磁兼容故障的原因分析

　　經(jīng)過對設(shè)備進行反復試驗以及對設(shè)備的結(jié)構(gòu)進行分析，認為設(shè)備在電磁兼容設(shè)計方面主要存在以下問題：

　?。?）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入設(shè)備，并在電路中傳播；

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

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

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

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

5 解決方案

　　5.1 總線底板的電磁兼容設(shè)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(cè)（圖3最右端）。

　?。?）底板設(shè)計成四層板，除了中間兩層作為走線層以外，將最外側(cè)的兩層（頂層、底層）作為屏蔽層，與機箱配合，構(gòu)成屏蔽體。底板與機箱之間連接，如圖2所示，在線路板板上屏蔽層，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(gòu)成連續(xù)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(shè)計成通過短路線連接，將來做試驗時，根據(jù)試驗情況決定是否需要連接。

　　（4）將5v轉(zhuǎn)3.3v、5v轉(zhuǎn)2.5v和24v轉(zhuǎn)5v的部分器件及其周圍電路放置到底板上，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(zhuǎn)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，如見圖3所示。

　?。?）電源板與底板之間的連接插座為兩個，一個用于交流，另一個用于直流，這樣避免交流線上的干擾直接耦合進直流側(cè)。交流輸入的插座除l、n線的接線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，將通過各種途徑耦合到直流側(cè)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/開關(guān)量信號的輸入端口安裝信號線濾波器，具體做法是：插座的每根信號線上安裝如圖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，要盡量靠近插座。

　　5.2 電源板的電磁兼容設(shè)計

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

　　（2）在電源板的電源輸入端口處安裝電源線濾波器，安裝的位置靠近電源入口處，在濾波器的下方設(shè)置覆銅面（并與底板的屏蔽層相連），濾波器通過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(shè)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(yīng)和機箱有效接觸，通過屏蔽線連接接口子模塊di、ai。它們間的連接線必須圍屏蔽線，并且焊線時需和連接器的金屬部分大面積接觸，連接器內(nèi)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(shè)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(zhuǎn)換成pwm控制信號，經(jīng)電/光轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成光信號，從光發(fā)送器端口發(fā)往各功率單元。來自功率單元的應(yīng)答信息經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號，預處理后送主控制器集中處理。

6 結(jié)束語

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

　?。?）電路盡量處于完整的屏蔽體內(nèi)；

　?。?）所有進入屏蔽體的導線都需要濾波；

　?。?）濾波器要盡量靠近屏蔽體界面；

　　（4）電源線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系統(tǒng)進行方案設(shè)計的，電路板的詳細設(shè)計不在這里一一介紹。