高压变频器控制器的电磁兼容设计

1 引言

　　电磁兼容一般指电气、电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，既要求都能正常工作又互不干扰，达到“兼容”状态。

　　随着科技的发展，人们在生产、生活中使用的电气、电子设备越来越广泛。这些设备在工作中产生一些有用或无用的电磁能量，这些能量影响到其它设备的工作，就形成了电磁干扰。严格地讲：只要将两个以上的元件（或电路、设备、系统）置于同一电磁环境中，就会产生电磁干扰。

　　近年来，电磁干扰问题越来越成为电子设备或系统中的一个严重问题，电磁兼容技术已成为许多技术人员和管理人员十分重视的内容。其主要原因是：电子设备的密集度已成为衡量现代化程度的一个重要指标，大量的电子设备在同一电磁环境中工作，电磁干扰的问题呈现出前所未有的严重性；现代电子产品的一个主要特征是数字化，微处理器的应用十分普遍，而这些数字电路在工作时，会产生很强的电磁干扰发射。不仅使产品不能通过有关的电磁兼容性标准测试，甚至连自身的稳定工作都不能保证；电磁兼容标准的强制执行使电子产品必须满足电磁兼容标准的要求；电磁兼容性标准已成为西方发达国家限制进口产品的一道坚固的技术壁垒。入世后，这种技术壁垒对我们的障碍更大。

　　为了使产品能达到电磁兼容的一个标准，需进行电磁兼容试验，试验中我们常遇到以下几个词汇：

　　电磁兼容性：设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

　　电快速瞬变脉冲群：它是由电感性负载（如继电器、接触器等）在断开时，由于开关触点间隙的绝缘击穿或触点弹跳等原因，在断开处产生的暂态骚扰。当电感性负载多次重复开关，则脉冲群又会以相应的时间间隙多次重复出现。这种暂态骚扰能量较小，一般不会引起设备的损坏，但由于其频谱分布较宽，所以会对电子、电气设备的可靠工作产生影响。

　　电快速瞬变脉冲群抗扰度试验：试验波形电快速瞬变脉冲群抗扰度试验，目的是验证由闪电、接地故障或切换电感性负载而引起的瞬时扰动的抗干扰能力。这种试验是一种耦合到电源线路、控制线路、信号线路上的由许多快速瞬变脉冲组成的脉冲群试验。此波形不是感性负载断开的实际波形（感性负载断开时产生的干扰幅度是递增的），而实验所采用的波形使实验等级更为严酷。电快速脉冲群是由间隔为300ms的连续脉冲串构成，每一个脉冲串持续15ms，由数个无极性的单个脉冲波形组成，单个脉冲的上升沿为5ns，持续时间为50ns，重复频率为5khz。根据傅立叶变换，它的频谱是从5khz-100mhz的离散谱线，每根谱线的距离是脉冲的重复频率。

　　该项目测试适用于那些交流市网供电的电子电气产品。对那些由公共的长直流电源线供电的电子电气产品和那些有电信端口和长距离的控制、信号端口的电子电气产品的相应端口也应进行该项目测试，因为这些长的交/直流电源线和信号控制线在工作时可能会感应到周围的设备产生的电快速瞬变脉冲干扰；同时，与公共的交/直流供电网络共用电源的其他设备可能会产生电快速瞬变脉冲干扰传输到公共供电网络，干扰同一供电网络的其他设备。

　　附表中列出了对设备的供电电源，保护接地，信号的控制端口进行电快速瞬变试验时应优先采用的试验等级的范围。（本文当中试验最终通过4级）

2 控制器基本工作原理

　　本公司高压变频器控制器的功能方框图如图1所示，主控制器的结构为单元组合式，其核心为双dsp的cpu单元，通过总线底板与信号采集板和相控a、b、c板互通信息。从接口子模块di、ai可接受操作命令、给定信号、电机电流与电压等。cpu板根据操作命令、给定信号及其它输入信号，计算出控制信息及状态信息。相控a、b、c板接受来自cpu板的控制信息，产生pwm控制信号，经电/光转换器，向功率单元发送控制光信号。来自功率单元的应答信号在相控a、b、c板中转换成电信号，预处理后送cpu板处理。状态信息可通过信号采集板和接口子模板送出。主控制器根据控制命令、给定信号及运行信息、应答信息进行运行控制、状态分析、故障诊断等运算，检测出故障后按故障性质进行故障处理，如封锁系统、高压跳闸等，并给出相应故障信号，还提供故障音响信号。从i/o接口可输出运行状态（开关量）及运行参数（模拟量），用户可根据需要选择输出量。cpu单元上备有调试用pc机接口，通过在pc机运行调试程序，可以以画面形式进行调试和诊断，并可同时显示系统中五个变量的时间波形和数字量，是系统调试和诊断的良好工具。cpu单元上还备有通信接口（rs-232），可以以通信方式从上位机取得控制命令和给定信号，控制变频器的运行，并返回运行状态和运行参数的有关信息，以供集中监控。

　　控制器如图1所示：它是由控制板（cpu板），相控a、b、c板（统称pwm板），信号采集板（it板），电源板，总线底板（图3）和壳体组成，cpu板、pwm板、it板、电源板是按照一定顺序插在总线底板上的。

3 在进行电磁兼容试验过程中出现的问题

　　电磁兼容故障现象在设备的电磁兼容问题主要在做电快速脉冲试验时暴露，现象如下：

　　（1）在电源输入端口上施加电快速脉冲群时，主cpu板上的芯片损毁；

　　（2）在信号端口施加电快速脉冲群时，数据出错。

4 导致电磁兼容故障的原因分析

　　经过对设备进行反复试验以及对设备的结构进行分析，认为设备在电磁兼容设计方面主要存在以下问题：

　　（1）电源端口处缺少电磁干扰消除电路/器件，使电快速脉冲能量进入设备，并在电路中传播；

　　（2）电源的交流端口与直流端口靠的过近，结果在交流端口上注入电快速脉冲时，能量直接耦合到了直流侧，传入电路，形成干扰；

　　（3）cpu板距离电源输入口过近，使通过电源端口进入设备的电磁干扰直接耦合到cpu板上；

　　（4）设备电路屏蔽不好，由于电快速脉冲干扰的频率很高，因此当在电源线和信号线上做试验时，伴随着较强的空间辐射，这些辐射会直接感应到电路上形成干扰；

　　（5）信号端口缺少电磁干扰滤波电路，因此向信号线上注入电快速脉冲干扰时，干扰能量直接进入电路，对电路形成影响。

5 解决方案

　　5.1 总线底板的电磁兼容设计

　　（1）改变控制板在底板上的位置，使其远离干扰最严重的电源端口（图3最左面两排端子），将其放置在底板的与电源端口相对的另一侧（图3最右端）。

　　（2）底板设计成四层板，除了中间两层作为走线层以外，将最外侧的两层（顶层、底层）作为屏蔽层，与机箱配合，构成屏蔽体。底板与机箱之间连接，如图2所示，在线路板板上屏蔽层，与机箱配合预留一周导电层，在上面安装弹性电磁密封材料（例如导电泡棉），与机箱构成连续导电体。

　　（3）上面第2项中的屏蔽层与直流电源地在信号电缆的端口处相连，但要设计成通过短路线连接，将来做试验时，根据试验情况决定是否需要连接。

　　（4）将5v转3.3v、5v转2.5v和24v转5v的部分器件及其周围电路放置到底板上，防止电源板上的干扰直接串入这些二次电源对电路形成的干扰。并在每路输出加lc滤波电路。具体放置位置：将这些电压转换电路（直流变换器和lc滤波电路）安装在离电路板电源输入插槽近的地方，如见图3所示。

　　（5）电源板与底板之间的连接插座为两个，一个用于交流，另一个用于直流，这样避免交流线上的干扰直接耦合进直流侧。交流输入的插座除l、n线的接线针脚外其余的针脚全部接地的屏蔽层。

　　（6）在交流输入端安装电快速抑制器和浪涌抑制器（气体放电管和压敏电阻），安装的位置为底板的交流电源输入插槽后面，并将插头上的安全地线与底板上的屏蔽层地相接。

　　（7）在电源板的直流输出端插槽旁安装直流滤波器，将通过各种途径耦合到直流侧的电磁干扰滤除，具体方法是：在电源板上输出的直流电源安装直流电源滤波器，其原理框图如图4所示。

　　（8）底板上的外部plc信号/开关量信号的输入端口安装信号线滤波器，具体做法是：插座的每根信号线上安装如图4所示的滤波电路。图5中的电感为铁氧体磁珠（尺寸尽量大），电容为0.1μf，与底板上的屏蔽层相连。安装时，要尽量靠近插座。

　　5.2 电源板的电磁兼容设计

　　（1）电源板与底板的连接由一个插座改为两个插座（与前面第5项对应），交流输入一个插座；直流输出一个插座；交流输入的插座除l、n线的接线针脚外其余的针脚全部接屏蔽层地。

　　（2）在电源板的电源输入端口处安装电源线滤波器，安装的位置靠近电源入口处，在滤波器的下方设置覆铜面（并与底板的屏蔽层相连），滤波器通过覆铜面与底板的屏蔽层相连。滤波器原理框图如图6所示，位置如图7。

　　5.3 it板接口的电磁兼容设计

　　it板的模拟量输入/输出接口处（与图8所示的连接器连接），连接器应和机箱有效接触，通过屏蔽线连接接口子模块di、ai。它们间的连接线必须围屏蔽线，并且焊线时需和连接器的金属部分大面积接触，连接器内部带有滤波电容，外面加磁环，如图8所示。

　　5.4 cpu板和pwm板接口的电磁兼容设计

　　如图9所示，cpu板和pwm板接口处，都选择与外围电路光纤通讯。cpu板可以从触摸屏经过光纤通信通道接收操作命令和给定信号，处理后输出电压、频率给定信号给pwm板，在那里转换成pwm控制信号，经电/光转换器转换成光信号，从光发送器端口发往各功率单元。来自功率单元的应答信息经光/电转换器转换成电信号，预处理后送主控制器集中处理。

6 结束语

　　以上的方案基于如下的电磁兼容设计基本原理，在实施时注意符合这些基本原理：

　　（1）电路尽量处于完整的屏蔽体内；

　　（2）所有进入屏蔽体的导线都需要滤波；

　　（3）滤波器要尽量靠近屏蔽体界面；

　　（4）电源线上必须有完善的滤波措施，包括射频滤波和脉冲抑制。

　　本文主要从控制器的整个系统进行方案设计的，电路板的详细设计不在这里一一介绍。