ZX系列變流裝置EMC結構設計及安裝相關問題分析

李雪飛，王玉博，王一賾，李曉燕，王建峰

（天津電氣傳動設計研究所，天津 300180）

1 引言

隨著科學技術的不斷發展，電氣傳動設計領域中對微電腦的依存度不斷提高，國際上對于電子、工業設備產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國際標準為測試基準，越來越多的國家開始強制執行電磁兼容標準，我國也出臺了 GB7251.1－2005，相比GB7251.1－1997，新增了關于電磁兼容性（EMC）的標準要求。

本文在現有EMC設計規范及相關要求的基礎上進行總結，針對ZX系列變流裝置的結構進行分析并提出改進，使其符合電磁兼容性相關要求，并對其實際安裝與改動時需要注意的問題進行了歸納，給出相關要求。

2 理論依據

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

電磁兼容設計的基本目的主要包括：1）設備工作時不對外界產生不良的電磁干擾影響，需要達到電磁干擾（electromagnetic interference，EMI）的相關標準要求；2）設備對外界的電磁干擾不過度敏感，需要達到電磁敏感度（electromagnetic susceptibility，EMS）的相關標準要求；3）設備內部的電路與功率器件相互不產生干擾，能夠實現預期的功能。

因此在進行電磁兼容設計時需要從3方面入手：電磁干擾源、電磁敏感設備和耦合途徑。其中耦合途徑表現為傳導與輻射2種方式，傳導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，對于設備的電磁兼容要求也可細化為：傳導發射、傳導敏感度、輻射發射和輻射敏感度。

3 ZX系列變流裝置EMC結構改進與安裝要求

3.1 系統構造分析

如圖1所示。ZX系列變流裝置系統主要由以下幾個部分構成：1為電源模板；2為脈沖轉換板；3為CUD1主機板；4為勵磁控制板；5為勵磁功率部分；6為脈沖觸發板；8為裝置風機；9為電樞功率部分。可以從中區分出系統包含的主要電磁干擾源包括：電源模板（功率箱外接）勵磁與電樞功率部分；電磁敏感器件包括：CUD1主機板與勵磁控制板。其中CUD1主機板完成外部模擬量、開關量，脈沖編碼器輸入，通過電樞和磁場開環和閉環控制模塊向系統內部輸入參量，并與勵磁控制單元通過轉接板相連，完成整流調節的功能，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現。

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

3.2 EMC產品結構改進方法

在具體工程施工時，通常采用以下方法優化設計，使其達到EMC要求：線路板設計、信號設計優化、濾波設計、屏蔽設計、接地與搭接設計，優化布局。其中在結構設計過程，相關性較大的包括：屏蔽設計，接地與搭接設計，優化布局，配合其他措施，可以實現產品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：采用低電阻的導電材料，使電磁波在屏蔽導體的表面反射和在導體內部的吸收，以及傳輸過程中的損耗而使電磁波能量的繼續傳遞受到阻礙，以致于削弱到不能干擾設備工作的程度而起到屏蔽作用。

根據屏蔽機理可將其劃分為：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），在裝置實際工作中，需要將電場和磁場屏蔽綜合考慮，在完成產品結構覆蓋件屏蔽的基礎上，需要將屏蔽體接地即可實現電磁場屏蔽的統一。

屏蔽體的屏蔽效能體現在兩方面，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所產生的損耗，其計算公式為

式中：t為屏蔽體金屬的厚度；δ為屏蔽體金屬材質的趨膚深度。

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

式中：f為電磁波頻率，MHz；μr為相對磁導率；σr為相對電導率。

從中我們可以得到的結論為：屏蔽體金屬材料吸收損耗的能力與其厚度、磁導率、電導率成正比關系。

與之具有相同屏蔽效用的還有反射損耗，表現為當電磁波入射到不同媒體的分界面時發生的反射，從而減小了其繼續傳播的強度，其計算公式為

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是用于評價屏蔽效能SE的重要參數，屏蔽效能計算公式為

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個界面（穿出屏蔽體的界面）發生反射后，會再次傳輸到第1個界面，在第1個界面發射再次反射，而再次到達第2個界面，在這個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。應該考慮進屏蔽效能的計算，但是由于其泄露量相對很小，大部分場合，B都可以忽略。

常用金屬的電導率、磁導率、頻率及趨膚深度見表1。

表1 常用金屬的特性參數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境中運行，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，需要在低頻環境下有較低的趨膚深度和較小阻抗，同時要兼顧經濟性與良好的機械加工特性。

通過比較以上參數分析得出，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，在典型工作環境（f＝1kHz）下，其趨膚深度δ為0.2mm，經計算得出其屏蔽效能SE為116.1487dB，而其中CUD1主機板與勵磁控制板部分由于其散熱要求，選用鋁合金屏蔽材料，在典型工作環境（f＝1kHz）下，其趨膚深度δ為2.1mm，經計算得出其屏蔽效能SE為136.8492dB，計算結果為理論值，實際屏蔽效能會相對偏低。

3.4 箱體構造及裝配要求

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。其中，由于頂置風機中電機為主要電磁干擾源，這里選用符合相關標準的帶有金屬防護網的FDL－5A－SKF風機，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，導致電磁場孔隙間泄露，根據相關標準要求，屏蔽體上的開孔和縫隙的長度應當小于電磁波波長的1／20，由于產品所處環境為低頻段干擾區，因此波長相比一般電磁環境更長，相應的開孔尺寸需保證為10mm以下，縫隙間距在滿足進線需要的同時要盡可能的減小。

此外還要保證箱體與可移式覆板的導電連接，由于ZX系列變流裝置需要經常開啟維護，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的工作量，因此，進行了如下處理：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合面處做導電處理；3）為增加兩者接合面積，在其之間增加導電襯墊。這里選用金屬絲網襯墊，由于考慮到其在低頻時可以獲得較好的屏蔽效能，而且價格低以及過量壓縮時不易損壞的特點。同樣為了避免不同金屬外殼之間出現電位差造成電磁干擾，各個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性。

使用專用接地銅線將導電屏蔽層，即箱體與大地相連，形成良好的接地。有相關經驗證明，當電磁波頻率低于100kHz時，電纜屏蔽層單點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編織銅導線。

3.5 相關電氣安裝要求

箱體內或相鄰柜內的接觸器、繼電器、電磁計數器等應配有抑制單元。RC元件、壓敏電阻，二極管等器件應直接與線圈連接，完成濾波功能。柜內的信號電纜（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，盡量減小進出導體間距，以防止耦合干擾，減少電纜或導體的走線長度，降低耦合電容和電感。由于在柜體接地件附近干擾較小，因此柜內布線時優選此處。功率電纜與信號線間距需保證至少為20cm。

在進行外部安裝時，當電機電纜與編碼器空間距離無法保證時，編碼器電纜應置于金屬管道，并在走線長度內多次接地。對于數字信號電纜屏蔽層，應以在信號源與其接收側，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，應保證使用與屏蔽平行的補償電纜，其截面積不小于10mm2，屏蔽層在柜體內及柜體外多點接地。經驗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A1極限限值，其他負載需安裝在濾波器前電源側。對于勵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線，還應加裝進線電抗器，起到電磁波信號過濾作用。而對于直流調速裝置，電機電纜可不加屏蔽，但需保證電源電纜與電機電纜間距至少為20cm，如達不到，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計時，考慮其相關EMC設計要求，例如開孔部位遠離干擾源、通風孔加裝金屬網防護，柜門儀表及按鈕表面的導電處理等相關內容，這里不做詳細表述，使其形成二次屏蔽，大大提高設備的EMC效能。

4 結論

多模塊電氣產品的EMC設計需要綜合考慮多方面因素，因此，需要在設計初期，將EMC設計標準納入考量范圍，在設計時先將各部分EMC問題妥善處理，在并入系統后進行綜合考慮，這樣可以提高設備的整體效能，又能為后期的整改工作提供方便。

［1］韓造林，肖娟.插箱的抗干擾設計［J］.繼電器，1997，25（5）：56－61.

［2］白中和.電子電路噪聲對策［M］.臺灣省：全華圖書公司，1998.

［3］江堅.船載雷達機柜的電磁兼容設計［J］.電子機械工程，2001，94（6）：43－45.

［4］廖裕杰.工業產品EMC驗證實務［J］.機械工業雜志，2002（226）：103－123.

［5］邱成悌，趙惇殳，蔣全興.電子設備結構設計原理［M］.南京：東南大學出版社，2001.

［6］Williams T.EMC for Product Designers.產品設計中的EMC技術［M］.李迪、王培清，譯.臺灣省：全華圖書公司，2005.

［7］GJB 1210－1991接地，搭接和屏蔽設計的實施［S］.

［8］GJB／Z 25－1991電子設備和設施的接地，搭接和屏蔽設計指南［S］.

［9］IEC 61000－5－7：2001ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY（EMC）－PART5－7：Installation and Mitigation Guidelines－Section 2：Degrees of Protection Provided by Enclosures Against Electromagnetic Disturbances（EM code）［S］.

［10］結構設計規范（EMC）［EB／OL］.［2010－10－16］.http：／／wenku.baidu.com／view／0378a7fc700abb68a982fb7e.html.