如何优化变频器的电磁兼容设计？

以通过高压变频器的电磁兼容设计为例，从线路设计、印制板设计、设备内部走线、接地技术、屏蔽技术、滤波技术、电缆辐射、瞬态干扰抑制等，了解电磁兼容设计的要点和关键技术。电磁干扰成为电子设备或系统中的严重问题。电子设备密集了大量的电子设备在同一电磁环境中工作，存在严重的电磁干扰；数字化电子产品工作时，也会产生很强的电磁干扰发射。因此，必须满足电磁兼容强制标准。

1.几个名词

（1）电磁兼容性 设备或系统在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干扰的能力。

（2）电快速瞬变脉冲群 电感性开关元件如继电器、接触器等断开时，由于触点间隙绝缘击穿或触点弹跳等原因，在断开处产生的暂态干扰。当多次重复开关，则脉冲群以相应的时间间隙重复出现，这种暂态干扰能量小，不会损坏设备，但频谱分布范围较宽，可能对电子电气设备的可靠性产生影响。

（3）电快速瞬变脉冲群抗扰度试验 用于验证由闪电、接地故障或切换电感性负载引起的瞬时扰动抗干扰能力，此时将耦合到电源线路、控制线路、信号线路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，而试验波形更严酷。电快速脉冲群由间隔300ms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，单个脉冲上升沿5ns，持续50ns，重复频率5kHz。根据傅里叶变换，频谱为5kHz～100MHz的离散谱线，每根谱线的距离是脉冲的重复频率。

该测试用于市电供电的电子电气产品，也适用公用的长直流电源线电子电气产品有电信端口和长距离的控制、信号端口的电子电气产品的端口测试，因长交/直流电源线和信号控制线工作时可能感应到周围设备产生的电快速瞬变脉冲干扰；同时与交/直流供电共用电源的其他设备可能产生电快速瞬变脉冲干扰传到公共供电中，干扰同一供电网的其他设备。表9-9列出对设备电源、保护接地、信号控制端电快速瞬变试验时优先采用的试验等级的范围。

表9-9 试验测试内容

2.试验案例

（1）控制器组成及工作原理 控制器功能框图见图9-30，由CPU板、相控ABC板（也称为PWM板）、信号采集板（IT板）、电源板、总线底板和壳体组成，其中CPU板、PWM板、IT板、电源板按顺序插在总线底板上。主控制器为单元组合式，核心为双DSP的CPU单元，由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、给定信号及其他输入信号，计算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。来自功率单元的信号在相控A、B、C板中转换成电信号，预处理后送至CPU。状态信息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、应答信息运行控制、状态分析、故障诊断等，检测出故障后按故障性质进行相应处理，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接口可输出开关量运行状态及模拟量运行参数，用户根据需要选择输出量。CPU单元上备有调试用计算机接口，在计算机运行调试程序，可以以画面形式调试和诊断，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单元有通信接口，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，集中监控。

（2）试验中出现的问题 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，如在电源输入端口上施加电快速脉冲群时，CPU板上的芯片将发生损坏；在信号端口施加电快速脉冲群时，数据出错。

图9-30 控制器功能框图

3.故障原因分析

1）电源端口处缺少电磁干扰消除电路或元件，电快速脉冲进入设备并在电路中传播。

2）电源交流端口与直流端口距离太近，交流端口注入电快速脉冲时，直接耦合到直流侧，传入电路，形成干扰。

3）CPU板与电源输入口距离太近，电源端口进入设备的电磁干扰直接耦合到CPU板。

4）设备电路屏蔽差，由于电快速脉冲干扰频率高，在电源线和信号线上做试验时，伴随较强的空间辐射，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，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。

4.解决方案

（1）总线底板电磁兼容设计

①改变控制板在底板的布局，远离电源端口，见图9-31最左面两排端子，将其布置在与电源端口相对另一侧，图9-31最右端。

图9-31 总线地板示意图

②将底板设计成四层板，中间两层走线，顶层与底层为屏蔽层，与机箱配合，构成屏蔽体。底板与机箱之间连接，见图9-32，在线路板上屏蔽层，与机箱配合预留一个导电层，在上面安装弹性电磁密封材料，与机箱构成连续导电体。屏蔽层与直流电源地在信号电缆的端口处相连，设计成采用短路线连接，具体试验时，根据情况决定是否需要连接。

③将5V转换成3.3V、5V转换成2.5V和24V转换成5V的部分器件及周围电路布置到底板，防止电源板的干扰串入，在每路输出增加LC滤波电路，具体方法是将电压转换电路即直流变换器和LC滤波电路安装靠在离电路板电源输入插槽处。(www.xing528.com)

图9-32 底板与机箱构成完整屏蔽体

④电源板与底板之间两个插座，分别用于交流和直流，避免交流干扰直接耦合到直流侧。交流输入插座L、N接线针脚外的其他针脚全部接地屏蔽。

⑤在交流输入端安装电快速抑制器和浪涌抑制器如气体放电管或压敏电阻，具体位置为底板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。

⑥在电源板直流输出端插槽旁安装直流滤波器，滤除各种途径耦合到直流侧的电磁干扰，具体方法是在电源板上直流电源安装直流电源滤波器，见图9-33。

⑦底板上外部PLC信号/开关量信号的输入端口安装信号线滤波器，即在插座信号线安装的滤波电路，见图9-34中的电感为铁氧体磁珠，尺寸尽量大，电容器容量为0.1μF，与底板屏蔽层相连，尽量靠近插座安装。

图9-33 直流滤波器电路

图9-34 信号线滤波器电路

（2）电源板电磁兼容设计

①电源板与底板为两个插座，交直流分开，交流输入插座除L、N线接线针外其余接线全部接屏蔽层地。

②在电源板的电源输入端口处安装电源线滤波器，安装位置靠近电源入口处，滤波器下方设置覆铜面，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。交流滤波器电路见图9-35安装，位置见图9-36。

图9-35 交流滤波器电路

（3）IT板接口的电磁兼容设计 IT板模拟量输入/输出接口处，即与图9-37中的连接器连接，连接器应和机箱有效接触，通过屏蔽线连接模块DI、AI。连接线必须屏蔽，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，见图9-37。

图9-36 电源板示意图

（4）CPU板和PWM板接口的电磁兼容设计 如图9-38所示，CPU板和PWM板接口处，选择与外电路光纤通信。CPU板可从触摸屏经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板转成PWM信号，经电/光转换器转光信号，从光发送器发各功率单元。来自功率单元的信息经光/电转换器转成电信号，预处理后送主控制器集中处理。

图9-37 连接器

图9-38 监视箱俯视图

注意：电路尽量处于完整的屏蔽体内；所有进入屏蔽体的导线需要滤波；滤波器要尽量靠近屏蔽体界面；电源线必须有完善的滤波措施，包括射频滤波和脉冲抑制。