李雪飛，王玉博，王一賾，李曉燕，王建峰

（天津電氣傳動設(shè)計(jì)研究所，天津 300180）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電氣傳動設(shè)計(jì)領(lǐng)域中對微電腦的依存度不斷提高，國際上對于電子、工業(yè)設(shè)備產(chǎn)品的電磁輻射量以及電子電路的抗擾性能日漸重視，趨向于以IEC國際標(biāo)準(zhǔn)為測試基準(zhǔn)，越來越多的國家開始強(qiáng)制執(zhí)行電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，我國也出臺了 GB7251.1－2005，相比GB7251.1－1997，新增了關(guān)于電磁兼容性（EMC）的標(biāo)準(zhǔn)要求。

本文在現(xiàn)有EMC設(shè)計(jì)規(guī)范及相關(guān)要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行總結(jié)，針對ZX系列變流裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并提出改進(jìn)，使其符合電磁兼容性相關(guān)要求，并對其實(shí)際安裝與改動時(shí)需要注意的問題進(jìn)行了歸納，給出相關(guān)要求。

2 理論依據(jù)

電磁兼容（EMC）技術(shù)是指在電學(xué)中研究意外電磁能量的產(chǎn)生、傳播和接收，以及這種能量所引起的有害影響的技術(shù)。

電磁兼容設(shè)計(jì)的基本目的主要包括：1）設(shè)備工作時(shí)不對外界產(chǎn)生不良的電磁干擾影響，需要達(dá)到電磁干擾（electromagnetic interference，EMI）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；2）設(shè)備對外界的電磁干擾不過度敏感，需要達(dá)到電磁敏感度（electromagnetic susceptibility，EMS）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；3）設(shè)備內(nèi)部的電路與功率器件相互不產(chǎn)生干擾，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能。

因此在進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)需要從3方面入手：電磁干擾源、電磁敏感設(shè)備和耦合途徑。其中耦合途徑表現(xiàn)為傳導(dǎo)與輻射2種方式，傳導(dǎo)是指干擾能量沿電纜以電流形式傳播，輻射干擾則是指干擾能量以電磁波形式傳播，對于設(shè)備的電磁兼容要求也可細(xì)化為：傳導(dǎo)發(fā)射、傳導(dǎo)敏感度、輻射發(fā)射和輻射敏感度。

3 ZX系列變流裝置EMC結(jié)構(gòu)改進(jìn)與安裝要求

3.1 系統(tǒng)構(gòu)造分析

如圖1所示。ZX系列變流裝置系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：1為電源模板；2為脈沖轉(zhuǎn)換板；3為CUD1主機(jī)板；4為勵(lì)磁控制板；5為勵(lì)磁功率部分；6為脈沖觸發(fā)板；8為裝置風(fēng)機(jī)；9為電樞功率部分?？梢詮闹袇^(qū)分出系統(tǒng)包含的主要電磁干擾源包括：電源模板（功率箱外接）勵(lì)磁與電樞功率部分；電磁敏感器件包括：CUD1主機(jī)板與勵(lì)磁控制板。其中CUD1主機(jī)板完成外部模擬量、開關(guān)量，脈沖編碼器輸入，通過電樞和磁場開環(huán)和閉環(huán)控制模塊向系統(tǒng)內(nèi)部輸入?yún)⒘浚⑴c勵(lì)磁控制單元通過轉(zhuǎn)接板相連，完成整流調(diào)節(jié)的功能，因此其所受電磁干擾程度與其自身抗擾特性會直接影響裝置整體功能的實(shí)現(xiàn)。

圖1 ZX系列變流裝置框圖Fig.1 ZX series converter system chart

3.2 EMC產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法

在具體工程施工時(shí)，通常采用以下方法優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其達(dá)到EMC要求：線路板設(shè)計(jì)、信號設(shè)計(jì)優(yōu)化、濾波設(shè)計(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)、接地與搭接設(shè)計(jì)，優(yōu)化布局。其中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，相關(guān)性較大的包括：屏蔽設(shè)計(jì)，接地與搭接設(shè)計(jì)，優(yōu)化布局，配合其他措施，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品EMC性能提升。

3.3 電磁屏蔽材料選擇

電磁屏蔽的基本原理為：采用低電阻的導(dǎo)電材料，使電磁波在屏蔽導(dǎo)體的表面反射和在導(dǎo)體內(nèi)部的吸收，以及傳輸過程中的損耗而使電磁波能量的繼續(xù)傳遞受到阻礙，以致于削弱到不能干擾設(shè)備工作的程度而起到屏蔽作用。

根據(jù)屏蔽機(jī)理可將其劃分為：電場屏蔽（靜電屏蔽與交變電場屏蔽）、磁場屏蔽（低頻磁場和高頻磁場屏蔽）、電磁場屏蔽（電磁波的屏蔽），在裝置實(shí)際工作中，需要將電場和磁場屏蔽綜合考慮，在完成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)覆蓋件屏蔽的基礎(chǔ)上，需要將屏蔽體接地即可實(shí)現(xiàn)電磁場屏蔽的統(tǒng)一。

屏蔽體的屏蔽效能體現(xiàn)在兩方面，即吸收損耗和反射損耗。其中吸收損耗是指電磁波在屏蔽材料中傳播時(shí)所產(chǎn)生的損耗，其計(jì)算公式為

式中：t為屏蔽體金屬的厚度；δ為屏蔽體金屬材質(zhì)的趨膚深度。

電磁場在金屬內(nèi)傳播深度為δ時(shí)，其衰減的倍數(shù)為e，因此，趨膚深度越小的金屬，吸收電磁場的能量就越大。趨膚深度的計(jì)算公式為

式中：f為電磁波頻率，MHz；μr為相對磁導(dǎo)率；σr為相對電導(dǎo)率。

從中我們可以得到的結(jié)論為：屏蔽體金屬材料吸收損耗的能力與其厚度、磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率成正比關(guān)系。

與之具有相同屏蔽效用的還有反射損耗，表現(xiàn)為當(dāng)電磁波入射到不同媒體的分界面時(shí)發(fā)生的反射，從而減小了其繼續(xù)傳播的強(qiáng)度，其計(jì)算公式為

其中屏蔽材料的特性阻抗為

對于特定的電磁波，波阻抗ZW是一定的，反射損耗的大小取決于屏蔽材料的阻抗，阻抗越小，電磁波的反射損耗越大。

A和R是用于評價(jià)屏蔽效能SE的重要參數(shù)，屏蔽效能計(jì)算公式為

其中B為多次反射修正因子，其含義為電磁波在屏蔽體的第2個(gè)界面（穿出屏蔽體的界面）發(fā)生反射后，會再次傳輸?shù)降?個(gè)界面，在第1個(gè)界面發(fā)射再次反射，而再次到達(dá)第2個(gè)界面，在這個(gè)界面會有一部分能量穿透界面，泄漏到空間。這部分是額外泄漏的。應(yīng)該考慮進(jìn)屏蔽效能的計(jì)算，但是由于其泄露量相對很小，大部分場合，B都可以忽略。

常用金屬的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、頻率及趨膚深度見表1。

表1 常用金屬的特性參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of often－used metal

綜上所述，ZX系列變流裝置主要在低頻電壓環(huán)境中運(yùn)行，所以要求在低頻段，電磁屏蔽體材料對于電磁波具有比較良好的吸收與反射效應(yīng)，需要在低頻環(huán)境下有較低的趨膚深度和較小阻抗，同時(shí)要兼顧經(jīng)濟(jì)性與良好的機(jī)械加工特性。

通過比較以上參數(shù)分析得出，鋼材料可以滿足以上要求，因而ZX系列變流裝置的主體覆蓋件選用2mm厚鍍鋅鋼板，在典型工作環(huán)境（f＝1kHz）下，其趨膚深度δ為0.2mm，經(jīng)計(jì)算得出其屏蔽效能SE為116.1487dB，而其中CUD1主機(jī)板與勵(lì)磁控制板部分由于其散熱要求，選用鋁合金屏蔽材料，在典型工作環(huán)境（f＝1kHz）下，其趨膚深度δ為2.1mm，經(jīng)計(jì)算得出其屏蔽效能SE為136.8492dB，計(jì)算結(jié)果為理論值，實(shí)際屏蔽效能會相對偏低。

3.4 箱體構(gòu)造及裝配要求

如圖2所示。ZX系列變流裝置的主要功能元件采用分隔放置的形式進(jìn)行布局，使其不相互干擾，保證其中的干擾源與電磁敏感器件得到良好的屏蔽保護(hù)。其中，由于頂置風(fēng)機(jī)中電機(jī)為主要電磁干擾源，這里選用符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的帶有金屬防護(hù)網(wǎng)的FDL－5A－SKF風(fēng)機(jī)，以獲得最佳的電磁屏蔽效能。

圖2 ZX系列功率箱布局圖Fig.2 ZX series converter structure layout

由于箱體上的縫隙和開孔會大大降低其屏蔽效能，導(dǎo)致電磁場孔隙間泄露，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，屏蔽體上的開孔和縫隙的長度應(yīng)當(dāng)小于電磁波波長的1／20，由于產(chǎn)品所處環(huán)境為低頻段干擾區(qū)，因此波長相比一般電磁環(huán)境更長，相應(yīng)的開孔尺寸需保證為10mm以下，縫隙間距在滿足進(jìn)線需要的同時(shí)要盡可能的減小。

此外還要保證箱體與可移式覆板的導(dǎo)電連接，由于ZX系列變流裝置需要經(jīng)常開啟維護(hù)，不可能用焊接完全密封或用增加螺釘連接的方式，那樣會大大增加裝卸與后期維護(hù)的工作量，因此，進(jìn)行了如下處理：1）控制箱體與可移式覆板表面粗糙度為Ra3.2以下；2）箱體與可移式覆板結(jié)合面處做導(dǎo)電處理；3）為增加兩者接合面積，在其之間增加導(dǎo)電襯墊。這里選用金屬絲網(wǎng)襯墊，由于考慮到其在低頻時(shí)可以獲得較好的屏蔽效能，而且價(jià)格低以及過量壓縮時(shí)不易損壞的特點(diǎn)。同樣為了避免不同金屬外殼之間出現(xiàn)電位差造成電磁干擾，各個(gè)箱體之間的接合部位需要做相同處理，完成箱體之間的搭接，以保證接地電路的連續(xù)性。

使用專用接地銅線將導(dǎo)電屏蔽層，即箱體與大地相連，形成良好的接地。有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)證明，當(dāng)電磁波頻率低于100kHz時(shí)，電纜屏蔽層單點(diǎn)接地可以獲得最佳的磁場抑制效果。箱門要與箱體用專用接地銅線連接，以獲得附加屏蔽作用，這里選用4mm2編織銅導(dǎo)線。

3.5 相關(guān)電氣安裝要求

箱體內(nèi)或相鄰柜內(nèi)的接觸器、繼電器、電磁計(jì)數(shù)器等應(yīng)配有抑制單元。RC元件、壓敏電阻，二極管等器件應(yīng)直接與線圈連接，完成濾波功能。柜內(nèi)的信號電纜（脈沖編碼器電纜、串行接口，PROFIBUS－DP或模擬信號電纜等）需規(guī)范為同一電壓等級。同一電路的非屏蔽電纜需絞接，盡量減小進(jìn)出導(dǎo)體間距，以防止耦合干擾，減少電纜或?qū)w的走線長度，降低耦合電容和電感。由于在柜體接地件附近干擾較小，因此柜內(nèi)布線時(shí)優(yōu)選此處。功率電纜與信號線間距需保證至少為20cm。

在進(jìn)行外部安裝時(shí)，當(dāng)電機(jī)電纜與編碼器空間距離無法保證時(shí)，編碼器電纜應(yīng)置于金屬管道，并在走線長度內(nèi)多次接地。對于數(shù)字信號電纜屏蔽層，應(yīng)以在信號源與其接收側(cè)，以盡可能大的表面雙端接地，如屏蔽層電勢差較大，為減少屏蔽電流，應(yīng)保證使用與屏蔽平行的補(bǔ)償電纜，其截面積不小于10mm2，屏蔽層在柜體內(nèi)及柜體外多點(diǎn)接地。經(jīng)驗(yàn)證明使用箔屏蔽效果不佳，不建議使用。對于外部干擾源，可以將電磁干擾濾波器安裝在干擾源近處，濾波器需用最大的可用表面安裝在其柜體或安裝板處，輸入輸出線纜需空間隔離。電磁干擾濾波器用于維護(hù)A1極限限值，其他負(fù)載需安裝在濾波器前電源側(cè)。對于勵(lì)磁或整流裝置電樞供電電路，除了采用整流變壓器一對一進(jìn)線，還應(yīng)加裝進(jìn)線電抗器，起到電磁波信號過濾作用。而對于直流調(diào)速裝置，電機(jī)電纜可不加屏蔽，但需保證電源電纜與電機(jī)電纜間距至少為20cm，如達(dá)不到，可使用金屬隔離。

此外，建議在放置ZX系列變流裝置的傳動柜設(shè)計(jì)時(shí)，考慮其相關(guān)EMC設(shè)計(jì)要求，例如開孔部位遠(yuǎn)離干擾源、通風(fēng)孔加裝金屬網(wǎng)防護(hù)，柜門儀表及按鈕表面的導(dǎo)電處理等相關(guān)內(nèi)容，這里不做詳細(xì)表述，使其形成二次屏蔽，大大提高設(shè)備的EMC效能。

4 結(jié)論

多模塊電氣產(chǎn)品的EMC設(shè)計(jì)需要綜合考慮多方面因素，因此，需要在設(shè)計(jì)初期，將EMC設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)納入考量范圍，在設(shè)計(jì)時(shí)先將各部分EMC問題妥善處理，在并入系統(tǒng)后進(jìn)行綜合考慮，這樣可以提高設(shè)備的整體效能，又能為后期的整改工作提供方便。

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