ZX系列变流装置EMC结构设计及安装相关问题分析

李雪飞，王玉博，王一赜，李晓燕，王建峰

（天津电气传动设计研究所，天津 300180）

1 引言

随着科学技术的不断发展，电气传动设计领域中对微电脑的依存度不断提高，国际上对于电子、工业设备产品的电磁辐射量以及电子电路的抗扰性能日渐重视，趋向于以IEC国际标准为测试基准，越来越多的国家开始强制执行电磁兼容标准，我国也出台了 GB7251.1－2005，相比GB7251.1－1997，新增了关于电磁兼容性（EMC）的标准要求。

本文在现有EMC设计规范及相关要求的基础上进行总结，针对ZX系列变流装置的结构进行分析并提出改进，使其符合电磁兼容性相关要求，并对其实际安装与改动时需要注意的问题进行了归纳，给出相关要求。

2 理论依据

电磁兼容（EMC）技术是指在电学中研究意外电磁能量的产生、传播和接收，以及这种能量所引起的有害影响的技术。

电磁兼容设计的基本目的主要包括：1）设备工作时不对外界产生不良的电磁干扰影响，需要达到电磁干扰（electromagnetic interference，EMI）的相关标准要求；2）设备对外界的电磁干扰不过度敏感，需要达到电磁敏感度（electromagnetic susceptibility，EMS）的相关标准要求；3）设备内部的电路与功率器件相互不产生干扰，能够实现预期的功能。

因此在进行电磁兼容设计时需要从3方面入手：电磁干扰源、电磁敏感设备和耦合途径。其中耦合途径表现为传导与辐射2种方式，传导是指干扰能量沿电缆以电流形式传播，辐射干扰则是指干扰能量以电磁波形式传播，对于设备的电磁兼容要求也可细化为：传导发射、传导敏感度、辐射发射和辐射敏感度。

3 ZX系列变流装置EMC结构改进与安装要求

3.1 系统构造分析

如图1所示。ZX系列变流装置系统主要由以下几个部分构成：1为电源模板；2为脉冲转换板；3为CUD1主机板；4为励磁控制板；5为励磁功率部分；6为脉冲触发板；8为装置风机；9为电枢功率部分。可以从中区分出系统包含的主要电磁干扰源包括：电源模板（功率箱外接）励磁与电枢功率部分；电磁敏感器件包括：CUD1主机板与励磁控制板。其中CUD1主机板完成外部模拟量、开关量，脉冲编码器输入，通过电枢和磁场开环和闭环控制模块向系统内部输入参量，并与励磁控制单元通过转接板相连，完成整流调节的功能，因此其所受电磁干扰程度与其自身抗扰特性会直接影响装置整体功能的实现。

图1 ZX系列变流装置框图Fig.1 ZX series converter system chart

3.2 EMC产品结构改进方法

在具体工程施工时，通常采用以下方法优化设计，使其达到EMC要求：线路板设计、信号设计优化、滤波设计、屏蔽设计、接地与搭接设计，优化布局。其中在结构设计过程，相关性较大的包括：屏蔽设计，接地与搭接设计，优化布局，配合其他措施，可以实现产品EMC性能提升。

3.3 电磁屏蔽材料选择

电磁屏蔽的基本原理为：采用低电阻的导电材料，使电磁波在屏蔽导体的表面反射和在导体内部的吸收，以及传输过程中的损耗而使电磁波能量的继续传递受到阻碍，以致于削弱到不能干扰设备工作的程度而起到屏蔽作用。

根据屏蔽机理可将其划分为：电场屏蔽（静电屏蔽与交变电场屏蔽）、磁场屏蔽（低频磁场和高频磁场屏蔽）、电磁场屏蔽（电磁波的屏蔽），在装置实际工作中，需要将电场和磁场屏蔽综合考虑，在完成产品结构覆盖件屏蔽的基础上，需要将屏蔽体接地即可实现电磁场屏蔽的统一。

屏蔽体的屏蔽效能体现在两方面，即吸收损耗和反射损耗。其中吸收损耗是指电磁波在屏蔽材料中传播时所产生的损耗，其计算公式为

式中：t为屏蔽体金属的厚度；δ为屏蔽体金属材质的趋肤深度。

电磁场在金属内传播深度为δ时，其衰减的倍数为e，因此，趋肤深度越小的金属，吸收电磁场的能量就越大。趋肤深度的计算公式为

式中：f为电磁波频率，MHz；μr为相对磁导率；σr为相对电导率。

从中我们可以得到的结论为：屏蔽体金属材料吸收损耗的能力与其厚度、磁导率、电导率成正比关系。

与之具有相同屏蔽效用的还有反射损耗，表现为当电磁波入射到不同媒体的分界面时发生的反射，从而减小了其继续传播的强度，其计算公式为

其中屏蔽材料的特性阻抗为

对于特定的电磁波，波阻抗ZW是一定的，反射损耗的大小取决于屏蔽材料的阻抗，阻抗越小，电磁波的反射损耗越大。

A和R是用于评价屏蔽效能SE的重要参数，屏蔽效能计算公式为

其中B为多次反射修正因子，其含义为电磁波在屏蔽体的第2个界面（穿出屏蔽体的界面）发生反射后，会再次传输到第1个界面，在第1个界面发射再次反射，而再次到达第2个界面，在这个界面会有一部分能量穿透界面，泄漏到空间。这部分是额外泄漏的。应该考虑进屏蔽效能的计算，但是由于其泄露量相对很小，大部分场合，B都可以忽略。

常用金属的电导率、磁导率、频率及趋肤深度见表1。

表1 常用金属的特性参数Tab.1 Characteristic parameters of often－used metal

综上所述，ZX系列变流装置主要在低频电压环境中运行，所以要求在低频段，电磁屏蔽体材料对于电磁波具有比较良好的吸收与反射效应，需要在低频环境下有较低的趋肤深度和较小阻抗，同时要兼顾经济性与良好的机械加工特性。

通过比较以上参数分析得出，钢材料可以满足以上要求，因而ZX系列变流装置的主体覆盖件选用2mm厚镀锌钢板，在典型工作环境（f＝1kHz）下，其趋肤深度δ为0.2mm，经计算得出其屏蔽效能SE为116.1487dB，而其中CUD1主机板与励磁控制板部分由于其散热要求，选用铝合金屏蔽材料，在典型工作环境（f＝1kHz）下，其趋肤深度δ为2.1mm，经计算得出其屏蔽效能SE为136.8492dB，计算结果为理论值，实际屏蔽效能会相对偏低。

3.4 箱体构造及装配要求

如图2所示。ZX系列变流装置的主要功能元件采用分隔放置的形式进行布局，使其不相互干扰，保证其中的干扰源与电磁敏感器件得到良好的屏蔽保护。其中，由于顶置风机中电机为主要电磁干扰源，这里选用符合相关标准的带有金属防护网的FDL－5A－SKF风机，以获得最佳的电磁屏蔽效能。

图2 ZX系列功率箱布局图Fig.2 ZX series converter structure layout

由于箱体上的缝隙和开孔会大大降低其屏蔽效能，导致电磁场孔隙间泄露，根据相关标准要求，屏蔽体上的开孔和缝隙的长度应当小于电磁波波长的1／20，由于产品所处环境为低频段干扰区，因此波长相比一般电磁环境更长，相应的开孔尺寸需保证为10mm以下，缝隙间距在满足进线需要的同时要尽可能的减小。

此外还要保证箱体与可移式覆板的导电连接，由于ZX系列变流装置需要经常开启维护，不可能用焊接完全密封或用增加螺钉连接的方式，那样会大大增加装卸与后期维护的工作量，因此，进行了如下处理：1）控制箱体与可移式覆板表面粗糙度为Ra3.2以下；2）箱体与可移式覆板结合面处做导电处理；3）为增加两者接合面积，在其之间增加导电衬垫。这里选用金属丝网衬垫，由于考虑到其在低频时可以获得较好的屏蔽效能，而且价格低以及过量压缩时不易损坏的特点。同样为了避免不同金属外壳之间出现电位差造成电磁干扰，各个箱体之间的接合部位需要做相同处理，完成箱体之间的搭接，以保证接地电路的连续性。

使用专用接地铜线将导电屏蔽层，即箱体与大地相连，形成良好的接地。有相关经验证明，当电磁波频率低于100kHz时，电缆屏蔽层单点接地可以获得最佳的磁场抑制效果。箱门要与箱体用专用接地铜线连接，以获得附加屏蔽作用，这里选用4mm2编织铜导线。

3.5 相关电气安装要求

箱体内或相邻柜内的接触器、继电器、电磁计数器等应配有抑制单元。RC元件、压敏电阻，二极管等器件应直接与线圈连接，完成滤波功能。柜内的信号电缆（脉冲编码器电缆、串行接口，PROFIBUS－DP或模拟信号电缆等）需规范为同一电压等级。同一电路的非屏蔽电缆需绞接，尽量减小进出导体间距，以防止耦合干扰，减少电缆或导体的走线长度，降低耦合电容和电感。由于在柜体接地件附近干扰较小，因此柜内布线时优选此处。功率电缆与信号线间距需保证至少为20cm。

在进行外部安装时，当电机电缆与编码器空间距离无法保证时，编码器电缆应置于金属管道，并在走线长度内多次接地。对于数字信号电缆屏蔽层，应以在信号源与其接收侧，以尽可能大的表面双端接地，如屏蔽层电势差较大，为减少屏蔽电流，应保证使用与屏蔽平行的补偿电缆，其截面积不小于10mm2，屏蔽层在柜体内及柜体外多点接地。经验证明使用箔屏蔽效果不佳，不建议使用。对于外部干扰源，可以将电磁干扰滤波器安装在干扰源近处，滤波器需用最大的可用表面安装在其柜体或安装板处，输入输出线缆需空间隔离。电磁干扰滤波器用于维护A1极限限值，其他负载需安装在滤波器前电源侧。对于励磁或整流装置电枢供电电路，除了采用整流变压器一对一进线，还应加装进线电抗器，起到电磁波信号过滤作用。而对于直流调速装置，电机电缆可不加屏蔽，但需保证电源电缆与电机电缆间距至少为20cm，如达不到，可使用金属隔离。

此外，建议在放置ZX系列变流装置的传动柜设计时，考虑其相关EMC设计要求，例如开孔部位远离干扰源、通风孔加装金属网防护，柜门仪表及按钮表面的导电处理等相关内容，这里不做详细表述，使其形成二次屏蔽，大大提高设备的EMC效能。

4 结论

多模块电气产品的EMC设计需要综合考虑多方面因素，因此，需要在设计初期，将EMC设计标准纳入考量范围，在设计时先将各部分EMC问题妥善处理，在并入系统后进行综合考虑，这样可以提高设备的整体效能，又能为后期的整改工作提供方便。

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