變頻器通過(guò)國(guó)外電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐與思考

3. 設(shè)計(jì)、認(rèn)證測(cè)試及應(yīng)用中案例

3.1 設(shè)計(jì)中的電磁兼容性考慮

變頻器中大量的使用了電力電子半導(dǎo)體器件，其中IGBT作為主功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，數(shù)字化、高頻化的快速發(fā)展中帶來(lái)的電磁兼容問(wèn)題必須在設(shè)計(jì)階段充分考慮。下面分別從原理圖設(shè)計(jì)檢查、PCB設(shè)計(jì)檢查及濾波元件使用三個(gè)方面進(jìn)行討論。

1)原理圖設(shè)計(jì)中EMC檢查

原理圖是變頻器產(chǎn)品電路部分的基礎(chǔ)，從EMC角度出發(fā)，表6中給出了原理圖設(shè)計(jì)中EMC檢查的幾個(gè)示例，具體到各家的產(chǎn)品有不同的設(shè)計(jì)檢查規(guī)范要求。

表6原理圖檢查列表

2) PCB設(shè)計(jì)中EMC檢查

PCB是變頻器產(chǎn)品電路部分的實(shí)現(xiàn)的介質(zhì)，PCB設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到了變頻器產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性。從EMC角度出發(fā)，表7中給出了PCB設(shè)計(jì)中EMC檢查的幾個(gè)示例，具體到各家的產(chǎn)品有不同的設(shè)計(jì)檢查規(guī)范要求。

3) 濾波器件的使用

變頻器中使用的開(kāi)關(guān)電源的頻率通常在40kHz-300kHz之間，如果不采用相應(yīng)的濾波器件電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)很難實(shí)現(xiàn)。設(shè)置濾波器, 其作用是為了抑制諧波干擾信號(hào)從變頻器電源通過(guò)導(dǎo)線傳導(dǎo)干擾到周邊電路。恰當(dāng)?shù)剡x擇和正確地使用濾波器對(duì)抑制傳導(dǎo)干擾十分重要。

3.2 變頻器認(rèn)證測(cè)試

針對(duì)設(shè)計(jì)完成的產(chǎn)品，按照認(rèn)證的步驟需要進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，根據(jù)測(cè)試結(jié)果來(lái)判斷是否完全符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)要求。對(duì)變頻器而言，表4中列出的每項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均需要在符合要求的實(shí)驗(yàn)室或測(cè)試中心來(lái)驗(yàn)證完成。已第10項(xiàng) 輻射發(fā)射為例進(jìn)行介紹,圖6給出了某廠家變頻器的輻射發(fā)射測(cè)試圖。

圖6 變頻調(diào)速系統(tǒng)輻射發(fā)射測(cè)試

在測(cè)試過(guò)程中，以下幾個(gè)因素對(duì)測(cè)試結(jié)果有較大的影響：

1) 開(kāi)關(guān)頻率：越高對(duì)測(cè)試的結(jié)果影響越大;

2) 負(fù)載大?。贺?fù)載電流越大對(duì)測(cè)試的結(jié)果影響越大;

3) 屏蔽設(shè)備：安裝到屏蔽柜內(nèi)對(duì)某些頻率段有較好的改善效果。

3.3 應(yīng)用中改善電磁干擾的方案

前面3.1節(jié)中探討了設(shè)計(jì)中的電磁兼容性，當(dāng)變頻器產(chǎn)品完成設(shè)計(jì)，應(yīng)用到傳動(dòng)系統(tǒng)中仍無(wú)法滿足電磁兼容要求時(shí)，針對(duì)系統(tǒng)的抗電磁干擾方案的使用是非常必要的。下面探討幾種常見(jiàn)的抗電磁干擾方案。

1) 高次電流諧波的抑制

圖7(a) 、圖7(b)分別給出了采用輸入交流電抗器和直流電抗器的方案。

圖7.(a)采用AC輸入電抗器抑制高次諧波

對(duì)于中大功率的變頻器來(lái)說(shuō)，廠家在設(shè)計(jì)時(shí)都集成了直流電抗器或預(yù)留連接外部直流電抗器的端子來(lái)滿足系統(tǒng)抗電磁干擾的要求。

圖7.(b)采用DC輸入電抗器抑制高次諧波

2) 金屬接線管的接地

變頻器在安裝過(guò)程中，為了減小輻射發(fā)射對(duì)周邊儀器儀表的影響，常常會(huì)將輸入、輸出導(dǎo)線用鋼管來(lái)屏蔽。圖8給出了穿鋼管后有效的接地示意圖。

圖8. 金屬接線管接地示意圖

表8從變頻器接線和設(shè)置、控制柜、干擾對(duì)策用器件、受干擾影響的處理措施等幾方面概括了常見(jiàn)及對(duì)策目標(biāo)。

表8. 常見(jiàn)干擾故障的防止方法

4 幾點(diǎn)思考

4.1 好的產(chǎn)品是設(shè)計(jì)出來(lái)的不是測(cè)試出來(lái)的

隨著國(guó)產(chǎn)變頻器產(chǎn)品自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)及研發(fā)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，對(duì)于高可靠性、高品質(zhì)的產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)也不斷加深。好的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段必須有足夠的驗(yàn)證和考驗(yàn)，每項(xiàng)指標(biāo)從理論到實(shí)踐必須有清晰的過(guò)程及數(shù)據(jù)支持。而不是等到設(shè)計(jì)完成后通過(guò)反復(fù)的測(cè)試并降低測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)來(lái)滿足規(guī)格要求。許多公司在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中都引進(jìn)了同步EMC設(shè)計(jì)流程，避免了產(chǎn)

品后期出現(xiàn)EMC問(wèn)題無(wú)法滿足標(biāo)準(zhǔn)后帶來(lái)的項(xiàng)目推遲或?qū)⒌椭笜?biāo)。圖9給出了研發(fā)設(shè)計(jì)與EMC設(shè)計(jì)同步流程示意圖。只有嚴(yán)格執(zhí)行EMC同步設(shè)計(jì)流程，才能設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的產(chǎn)品。

圖9. EMC同步設(shè)計(jì)流程示意圖

4.2 產(chǎn)品進(jìn)入新市場(chǎng)的必備條件

不同國(guó)家和地區(qū)的EMC認(rèn)證有：歐洲：CE, TUV, GS, VDE, NEMKO, SEMKO, DEMKO, FIMKO, GOST;美洲：UL, CSA, FCC(Verification, DoC 和Certification), ETL, FDA;亞洲：CCC, PSB, PSE, VCCI, BSMI, MIC;其它國(guó)家和地區(qū)：C-TICK, SAA, CB, SASO，NOM。從上面所給出的不同國(guó)家和地區(qū)的EMC認(rèn)證的種類(lèi)可以看出，認(rèn)證是進(jìn)入新市場(chǎng)的必備條件，必須充分了解其標(biāo)準(zhǔn)及需求，才有可能設(shè)計(jì)出符合新市場(chǎng)的產(chǎn)品。

4.3專(zhuān)業(yè)的高水平EMC工程師人才稀缺

產(chǎn)品的研發(fā)離不開(kāi)人，優(yōu)秀產(chǎn)品的研發(fā)離不開(kāi)優(yōu)秀的研發(fā)工程師。早期的產(chǎn)品研發(fā)中，針對(duì)各個(gè)研發(fā)環(huán)節(jié)，EMC僅僅是采取一些測(cè)試驗(yàn)證措施，沒(méi)有將其納入設(shè)計(jì)的流程中，因此，正正懂產(chǎn)品并有豐富EMC經(jīng)驗(yàn)的工程師非常少。而作為人才培養(yǎng)基地的高校也僅僅局限在理論的講解，缺少實(shí)踐環(huán)節(jié)，畢業(yè)生進(jìn)入企業(yè)后需要3-5年的時(shí)間去實(shí)踐并積累經(jīng)驗(yàn)。隨著國(guó)內(nèi)廠家海外市場(chǎng)開(kāi)拓步伐的加快，專(zhuān)業(yè)的、有豐富經(jīng)驗(yàn)的EMC工程師在市場(chǎng)上變得十分稀缺。

4.4 EMC實(shí)驗(yàn)室如何提高服務(wù)水平和利用率

EMC 測(cè)試設(shè)備與常規(guī)的測(cè)試設(shè)備相比有其專(zhuān)用性的一面，因此，價(jià)格比較昂貴。尤其是EMC測(cè)試中的暗室和電磁屏蔽室，投資成本非常高，對(duì)于中小型公司、產(chǎn)品線單一的公司自建這樣的實(shí)驗(yàn)室十分困難。目前，從國(guó)內(nèi)具備測(cè)試能力的EMC實(shí)驗(yàn)室看到，大多數(shù)是國(guó)有大中型科研院、所，由于有國(guó)家資金的投入，硬件平臺(tái)非常的完善，但軟的方面卻略顯不足，比如：熟悉不同行業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的人才、民用產(chǎn)品測(cè)試的附屬件、服務(wù)的意識(shí)。從而造成了擁有測(cè)試能力的一方設(shè)備閑置率高、利用率低下，而中小企業(yè)在產(chǎn)品EMC測(cè)試中找不到合適的實(shí)驗(yàn)室。綜上論述，國(guó)內(nèi)變頻器產(chǎn)品在走向全球市場(chǎng)進(jìn)程中，需要不斷加強(qiáng)研發(fā)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，將EMC納入同步設(shè)計(jì)流程，同時(shí)，培養(yǎng)及吸納優(yōu)秀的工程師，聯(lián)合有經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室方可取得事半功倍的效果。