《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁(yè) > 電源技術(shù) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 高壓變頻器控制器的電磁兼容設(shè)計(jì)
高壓變頻器控制器的電磁兼容設(shè)計(jì)
摘要: 設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力,。
關(guān)鍵詞: EMC|EMI 高壓變頻器 電磁兼容 PWM
Abstract:
Key words :

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(dá)到“兼容”狀態(tài),。

  隨著科技的發(fā)展,,人們?cè)谏a(chǎn),、生活中使用的電氣,、電子設(shè)備越來(lái)越廣泛,。這些設(shè)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(shè)備的工作,就形成了電磁干擾,。嚴(yán)格地講:只要將兩個(gè)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(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(shè)備或系統(tǒng)中的一個(gè)嚴(yán)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(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(gè)重要指標(biāo),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(wèn)題呈現(xiàn)出前所未有的嚴(yán)重性,;現(xiàn)代電子產(chǎn)品的一個(gè)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(shí),,會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)測(cè)試,甚至連自身的穩(wěn)定工作都不能保證,;電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制執(zhí)行使電子產(chǎn)品必須滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求,;電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)已成為西方發(fā)達(dá)國(guó)家限制進(jìn)口產(chǎn)品的一道堅(jiān)固的技術(shù)壁壘。入世后,,這種技術(shù)壁壘對(duì)我們的障礙更大,。

  為了使產(chǎn)品能達(dá)到電磁兼容的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),需進(jìn)行電磁兼容試驗(yàn),,試驗(yàn)中我們常遇到以下幾個(gè)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(duì)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(fù)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(dāng)電感性負(fù)載多次重復(fù)開(kāi)關(guān),,則脈沖群又會(huì)以相應(yīng)的時(shí)間間隙多次重復(fù)出現(xiàn),。這種暫態(tài)騷擾能量較小,一般不會(huì)引起設(shè)備的損壞,,但由于其頻譜分布較寬,,所以會(huì)對(duì)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(yàn):試驗(yàn)波形電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn),,目的是驗(yàn)證由閃電、接地故障或切換電感性負(fù)載而引起的瞬時(shí)擾動(dòng)的抗干擾能力,。這種試驗(yàn)是一種耦合到電源線路,、控制線路、信號(hào)線路上的由許多快速瞬變脈沖組成的脈沖群試驗(yàn),。此波形不是感性負(fù)載斷開(kāi)的實(shí)際波形(感性負(fù)載斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的干擾幅度是遞增的),,而實(shí)驗(yàn)所采用的波形使實(shí)驗(yàn)等級(jí)更為嚴(yán)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(gè)脈沖串持續(xù)15ms,,由數(shù)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(xù)時(shí)間為50ns,,重復(fù)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(fù)頻率。

  該項(xiàng)目測(cè)試適用于那些交流市網(wǎng)供電的電子電氣產(chǎn)品,。對(duì)那些由公共的長(zhǎng)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(zhǎng)距離的控制,、信號(hào)端口的電子電氣產(chǎn)品的相應(yīng)端口也應(yīng)進(jìn)行該項(xiàng)目測(cè)試,,因?yàn)檫@些長(zhǎng)的交/直流電源線和信號(hào)控制線在工作時(shí)可能會(huì)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(shí),,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(huì)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(duì)設(shè)備的供電電源,,保護(hù)接地,信號(hào)的控制端口進(jìn)行電快速瞬變?cè)囼?yàn)時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用的試驗(yàn)等級(jí)的范圍,。(本文當(dāng)中試驗(yàn)最終通過(guò)4級(jí))

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(guò)總線底板與信號(hào)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(hào),、電機(jī)電流與電壓等,。cpu板根據(jù)操作命令、給定信號(hào)及其它輸入信號(hào),,計(jì)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(hào),經(jīng)電/光轉(zhuǎn)換器,,向功率單元發(fā)送控制光信號(hào),。來(lái)自功率單元的應(yīng)答信號(hào)在相控a、b,、c板中轉(zhuǎn)換成電信號(hào),,預(yù)處理后送cpu板處理。狀態(tài)信息可通過(guò)信號(hào)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(hào)及運(yùn)行信息、應(yīng)答信息進(jìn)行運(yùn)行控制,、狀態(tài)分析,、故障診斷等運(yùn)算,檢測(cè)出故障后按故障性質(zhì)進(jìn)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(hào),還提供故障音響信號(hào),。從i/o接口可輸出運(yùn)行狀態(tài)(開(kāi)關(guān)量)及運(yùn)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(jī)接口,,通過(guò)在pc機(jī)運(yùn)行調(diào)試程序,,可以以畫(huà)面形式進(jìn)行調(diào)試和診斷,并可同時(shí)顯示系統(tǒng)中五個(gè)變量的時(shí)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(jī)取得控制命令和給定信號(hào),,控制變頻器的運(yùn)行,,并返回運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)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(hào)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(jìn)行電磁兼容試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題

  電磁兼容故障現(xiàn)象在設(shè)備的電磁兼容問(wèn)題主要在做電快速脈沖試驗(yàn)時(shí)暴露,,現(xiàn)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(hào)端口施加電快速脈沖群時(shí),數(shù)據(jù)出錯(cuò),。

4 導(dǎo)致電磁兼容故障的原因分析

  經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)以及對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,,認(rèn)為設(shè)備在電磁兼容設(shè)計(jì)方面主要存在以下問(wèn)題:

  (1)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(shè)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(jié)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(cè),傳入電路,,形成干擾,;

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

  (4)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(dāng)在電源線和信號(hào)線上做試驗(yàn)時(shí),,伴隨著較強(qiáng)的空間輻射,,這些輻射會(huì)直接感應(yīng)到電路上形成干擾;

 ?。?)信號(hào)端口缺少電磁干擾濾波電路,,因此向信號(hào)線上注入電快速脈沖干擾時(shí),干擾能量直接進(jìn)入電路,,對(duì)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(jì)

  (1)改變控制板在底板上的位置,,使其遠(yuǎn)離干擾最嚴(yán)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(duì)的另一側(cè)(圖3最右端)。

 ?。?)底板設(shè)計(jì)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(jī)箱配合,構(gòu)成屏蔽體,。底板與機(jī)箱之間連接,,如圖2所示,在線路板板上屏蔽層,,與機(jī)箱配合預(yù)留一周導(dǎo)電層,,在上面安裝彈性電磁密封材料(例如導(dǎo)電泡棉),與機(jī)箱構(gòu)成連續(xù)導(dǎo)電體,。

 ?。?)上面第2項(xiàng)中的屏蔽層與直流電源地在信號(hào)電纜的端口處相連,但要設(shè)計(jì)成通過(guò)短路線連接,,將來(lái)做試驗(yàn)時(shí),,根據(jù)試驗(yàn)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(duì)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(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,,這樣避免交流線上的干擾直接耦合進(jìn)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,。

  (7)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(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(hào)/開(kāi)關(guān)量信號(hào)的輸入端口安裝信號(hào)線濾波器,具體做法是:插座的每根信號(hào)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(shí),,要盡量靠近插座。

 

  5.2 電源板的電磁兼容設(shè)計(jì)

 ?。?)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(xiàng)對(duì)應(yīng)),,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(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(shè)計(jì)

  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(jī)箱有效接觸,,通過(guò)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(shí)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(jì)

  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(hào),,處理后輸出電壓、頻率給定信號(hào)給pwm板,,在那里轉(zhuǎn)換成pwm控制信號(hào),,經(jīng)電/光轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成光信號(hào),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(yīng)答信息經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號(hào),,預(yù)處理后送主控制器集中處理。

6 結(jié)束語(yǔ)

  以上的方案基于如下的電磁兼容設(shè)計(jì)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(nèi);

 ?。?)所有進(jìn)入屏蔽體的導(dǎo)線都需要濾波,;

  (3)濾波器要盡量靠近屏蔽體界面,;

 ?。?)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(gè)系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)的,,電路板的詳細(xì)設(shè)計(jì)不在這里一一介紹。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。