1 引言

　　電磁兼容一般指電氣、電子設備在共同的電磁環境中能執行各自功能的共存狀態，既要求都能正常工作又互不干擾，達到“兼容”狀態。

　　隨著科技的發展，人們在生產、生活中使用的電氣、電子設備越來越廣泛。這些設備在工作中產生一些有用或無用的電磁能量，這些能量影響到其它設備的工作，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、設備、系統）置于同一電磁環境中，就會產生電磁干擾。

　　近年來，電磁干擾問題越來越成為電子設備或系統中的一個嚴重問題，電磁兼容技術已成為許多技術人員和管理人員十分重視的內容。其主要原因是：電子設備的密集度已成為衡量現代化程度的一個重要指標，大量的電子設備在同一電磁環境中工作，電磁干擾的問題呈現出前所未有的嚴重性；現代電子產品的一個主要特征是數字化，微處理器的應用十分普遍，而這些數字電路在工作時，會產生很強的電磁干擾發射。不僅使產品不能通過有關的電磁兼容性標準測試，甚至連自身的穩定工作都不能保證；電磁兼容標準的強制執行使電子產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達國家限制進口產品的一道堅固的技術壁壘。入世后，這種技術壁壘對我們的障礙更大。

　　為了使產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：設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構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，由于開關觸點間隙的絕緣擊穿或觸點彈跳等原因，在斷開處產生的暫態騷擾。當電感性負載多次重復開關，則脈沖群又會以相應的時間間隙多次重復出現。這種暫態騷擾能量較小，一般不會引起設備的損壞，但由于其頻譜分布較寬，所以會對電子、電氣設備的可靠工作產生影響。

　　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的連續脈沖串構成，每一個脈沖串持續15ms，由數個無極性的單個脈沖波形組成，單個脈沖的上升沿為5ns，持續時間為50ns，重復頻率為5khz。根據傅立葉變換，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供電的電子電氣產品。對那些由公共的長直流電源線供電的電子電氣產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品的相應端口也應進行該項目測試，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到周圍的設備產生的電快速瞬變脈沖干擾；同時，與公共的交/直流供電網絡共用電源的其他設備可能會產生電快速瞬變脈沖干擾傳輸到公共供電網絡，干擾同一供電網絡的其他設備。

　　附表中列出了對設備的供電電源，保護接地，信號的控制端口進行電快速瞬變試驗時應優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，主控制器的結構為單元組合式，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信息。相控a、b、c板接受來自cpu板的控制信息，產生pwm控制信號，經電/光轉換器，向功率單元發送控制光信號。來自功率單元的應答信號在相控a、b、c板中轉換成電信號，預處理后送cpu板處理。狀態信息可通過信號采集板和接口子模板送出。主控制器根據控制命令、給定信號及運行信息、應答信息進行運行控制、狀態分析、故障診斷等運算，檢測出故障后按故障性質進行故障處理，如封鎖系統、高壓跳閘等，并給出相應故障信號，還提供故障音響信號。從i/o接口可輸出運行狀態（開關量）及運行參數（模擬量），用戶可根據需要選擇輸出量。cpu單元上備有調試用pc機接口，通過在pc機運行調試程序，可以以畫面形式進行調試和診斷，并可同時顯示系統中五個變量的時間波形和數字量，是系統調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，并返回運行狀態和運行參數的有關信息，以供集中監控。

　　控制器如圖1所示：它是由控制板（cpu板），相控a、b、c板（統稱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的問題

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

　　（1）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；

　　（2）在信號端口施加電快速脈沖群時，數據出錯。

4 導致電磁兼容故障的原因分析

　　經過對設備進行反復試驗以及對設備的結構進行分析，認為設備在電磁兼容設計方面主要存在以下問題：

　　（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入設備，并在電路中傳播；

　　（2）電源的交流端口與直流端口靠的過近，結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，傳入電路，形成干擾；

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

　　（4）設備電路屏蔽不好，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到電路上形成干擾；

　　（5）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計

　　（1）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（圖3最右端）。

　　（2）底板設計成四層板，除了中間兩層作為走線層以外，將最外側的兩層（頂層、底層）作為屏蔽層，與機箱配合，構成屏蔽體。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），與機箱構成連續導電體。

　　（3）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，但要設計成通過短路線連接，將來做試驗時，根據試驗情況決定是否需要連接。

　　（4）將5v轉3.3v、5v轉2.5v和24v轉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。

　　（5）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。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。

　　（6）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，將通過各種途徑耦合到直流側的電磁干擾濾除，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。

　　（8）底板上的外部plc信號/開關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計

　　（1）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），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，連接器內部帶有濾波電容，外面加磁環，如圖8所示。

　　5.4 cpu板和pwm板接口的電磁兼容設計

　　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，在那里轉換成pwm控制信號，經電/光轉換器轉換成光信號，從光發送器端口發往各功率單元。來自功率單元的應答信息經光/電轉換器轉換成電信號，預處理后送主控制器集中處理。

6 結束語

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

　　（1）電路盡量處于完整的屏蔽體內；

　　（2）所有進入屏蔽體的導線都需要濾波；

　　（3）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進行方案設計的，電路板的詳細設計不在這里一一介紹。