電控柜的兼容設(shè)計(jì)

1 引言
    變頻器為交流調(diào)速帶來(lái)了方便，但也帶來(lái)了電磁干擾。在設(shè)計(jì)中，曾為一歐洲扶梯公司制作電控柜，客戶(hù)提出了嚴(yán)格的EMC要求，研制第一臺(tái)樣柜時(shí)，由于對(duì)EMC的認(rèn)識(shí)不夠，沒(méi)有嚴(yán)格參照EMC的要求設(shè)計(jì)，比如變頻器的輸入輸出線(xiàn)混雜在一起，從而導(dǎo)致在歐洲的EMC測(cè)試沒(méi)通過(guò)。第二次，在接地、屏蔽、濾波、布線(xiàn)等方面嚴(yán)格按照EMC的要求，EMC測(cè)試順利通過(guò)。本文將經(jīng)驗(yàn)整理成文，與讀者分享。

2 EMC的基本概念介紹
    (1)EMC
    EMC(Electro Magnetic Compatibility)直譯是“電磁兼容性”，EMC包括兩個(gè)方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過(guò)一定的限值；另一方面是指器具對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗干擾能力。所有電器和電子設(shè)備工作時(shí)都會(huì)有間歇或連續(xù)性電壓電流變化，有時(shí)變化速率還相當(dāng)快，這樣會(huì)導(dǎo)致在不同頻率內(nèi)或一個(gè)頻帶間產(chǎn)生電磁能量，而相應(yīng)的電路則會(huì)將這種能量發(fā)射到周?chē)沫h(huán)境中，這就是EMC問(wèn)題的來(lái)源。
    (2)差模干擾
    如果一個(gè)干擾電壓只被耦合到電路的一個(gè)支路，那么就會(huì)產(chǎn)生差模干擾；接下來(lái)就會(huì)在輸出線(xiàn)和返回線(xiàn)之間產(chǎn)生一個(gè)電位差，其成因是在輸出和返回導(dǎo)體與大地參考平面之間方向相反的電流。
    (3)共模干擾
    如果一個(gè)干擾電壓被同時(shí)耦合到電路的兩個(gè)支路中去，就會(huì)導(dǎo)致共模干擾。共模干擾的電流和線(xiàn)路中其他電流成份的流向完全一致。電路通過(guò)大地參考平面或者有害電容來(lái)形成回路。
    有很多不同的原因都可以導(dǎo)致共模干擾，共模干擾可能產(chǎn)生感性或者容性耦合，如果在對(duì)稱(chēng)的線(xiàn)對(duì)和地之間的區(qū)域存在著電磁場(chǎng)，就會(huì)產(chǎn)生感性耦合。
    (4)電容性耦合
    電容性耦合是通過(guò)電場(chǎng)進(jìn)行的耦合。見(jiàn)圖1。它發(fā)生于相鄰電路之間，比如在較大的電源線(xiàn)電流和信號(hào)線(xiàn)電流之間。在這兩個(gè)電路之間，如果電位差發(fā)生波動(dòng)，那么就會(huì)有電流流過(guò)位于它們之間的絕緣介質(zhì)，比如說(shuō)空氣。
    彼此相臨近的兩條線(xiàn)路可以看作是一個(gè)電容器的兩極。耦合電容CK隨著線(xiàn)路之間并行長(zhǎng)度的增加而線(xiàn)性增加，與此同時(shí)，耦合電容隨著線(xiàn)路之間距離的增加而減小，把兩根電纜之間的距離從l mm增加到10 cm，在被干擾電路中的感應(yīng)電壓可能下降98％。

    (5)感性耦合
    感性耦合是一種經(jīng)由電磁場(chǎng)進(jìn)行的耦合。這種耦合在彼此并行的線(xiàn)路之間發(fā)生。一條線(xiàn)路中的電流變化會(huì)引起電磁場(chǎng)的波動(dòng)，電磁場(chǎng)會(huì)影響并行線(xiàn)路，并在其中引起感應(yīng)電壓。這樣一來(lái)就會(huì)有電流流過(guò)，產(chǎn)生干擾信號(hào)。電感性耦合產(chǎn)生于電纜，線(xiàn)束和電纜管道中的并行線(xiàn)路。
    圖2給出了電感性耦合的產(chǎn)生方式。由啟動(dòng)較大的負(fù)載或者短路而造成的電路l中的電流變化，引發(fā)了磁場(chǎng)的波動(dòng)，從而影響到電路2。

    (6)輻射耦合
    當(dāng)一些系統(tǒng)部件被與該部件尺寸相匹配波長(zhǎng)的電磁波所激發(fā)時(shí)，就會(huì)輻射能量，并通過(guò)電磁場(chǎng)向接收器傳播。由環(huán)路，偶極子或者單地線(xiàn)構(gòu)成的天線(xiàn)就屬于此類(lèi)敏感部件。在這種情況下，眾所周知的干擾源包括：屏蔽不夠充分的高頻設(shè)備、無(wú)線(xiàn)電廣播和電視廣播設(shè)備、熒光燈、移動(dòng)電話(huà)等。

3 基本的EMC措施
    產(chǎn)生電磁干擾有三個(gè)必要條件：干擾源、傳輸介質(zhì)、敏感的接收單元，在電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)電磁兼容就是要破壞電磁干擾形成的條件。
    ·消除或抑制噪聲干擾源。
    ·切斷或限制噪聲干擾傳播途徑。
    ·提高敏感設(shè)備的抗干擾能力。
    在實(shí)際的工作中，會(huì)有來(lái)自成本壓力、技術(shù)等方面的約束和限制，不可能從三個(gè)方面都采取措施，此時(shí)，往往以盡可能高的電磁兼容性效費(fèi)比作為電磁干擾消除或抑制的總的出發(fā)點(diǎn)。
    (1)屏蔽
    屏蔽是以某種導(dǎo)電材料或?qū)Т挪牧现瞥傻钠帘误w將需要防護(hù)的區(qū)域形成電磁隔離，達(dá)到阻隔或減少電磁能傳播的一種有效的電磁干擾技術(shù)，屏蔽的原理是利用屏蔽體對(duì)干擾電磁波的吸收、反射來(lái)達(dá)到減弱干擾能量的目的。屏蔽能有效抑制通過(guò)空間傳播的電磁干擾。采用屏蔽的目的有兩個(gè)：一是限制設(shè)備內(nèi)部的輻射電磁能越出某一區(qū)域；二是防止外部的輻射電磁能進(jìn)入某一區(qū)域。
    電控柜中常采用的屏蔽方式有：使用屏蔽電纜屏蔽、隔離板屏蔽、柜體屏蔽。變頻器輸出電纜采用屏蔽電纜，變頻器的控制電纜采用屏蔽線(xiàn)，屏蔽層接地。在電柜中間，常使用金屬隔板將強(qiáng)電部分和弱電部分隔離，達(dá)到屏蔽的目的。

    (2)濾波
    濾波器被用于保護(hù)設(shè)備中的電源網(wǎng)絡(luò)不受干擾的影響、保護(hù)電路不受來(lái)自電路內(nèi)部設(shè)備的干擾的影響。在濾波器的輸入端有用信號(hào)和不需要的信號(hào)混雜在一起，但輸出的則只有有用信號(hào)，被濾出的無(wú)用信號(hào)通過(guò)地連接被消耗掉。
    在機(jī)柜內(nèi)安裝濾波器時(shí)，遵循以下方針，濾波器直接安裝到電柜電源輸入處，濾波器要用螺釘直接固定在安裝板上，讓濾波器的金屬鍍鋅板外殼和安裝板良好接觸，濾波器的輸入線(xiàn)不能和輸出線(xiàn)或其它信號(hào)以及電源線(xiàn)放在一起，濾波器的輸入輸出線(xiàn)千萬(wàn)不能并排放置。
    (3)接地
    元件安裝板必須使用未漆過(guò)的鍍鋅板，機(jī)柜內(nèi)的所有金屬接地部件都要連接到一起，濾波器變頻器等電氣部件要用螺絲直接固定在元件安裝板上，柜門(mén)和柜體通過(guò)接地銅帶連接，所有的保護(hù)接地導(dǎo)體都必須和大地連接。
    (4)布線(xiàn)
    控制電纜與動(dòng)力電纜盡量避免長(zhǎng)距離平行分布，二者之間要留有一定距離，需要交叉時(shí)要從空間上垂直通過(guò)。
    (5)空間安排
    從EMC的角度出發(fā)進(jìn)行空間安排，也就是要讓各個(gè)敏感部件之間能夠保持一定距離，以避免耦合的發(fā)生，比如將變頻器、接觸器安裝在電柜的左部，將PLC、傳感器等安裝在電柜的右部，這樣一來(lái)，系統(tǒng)中的干擾源和敏感設(shè)備就會(huì)被盡量分開(kāi)。
    (6)電氣隔離
    控制回路采用直流24V,或采用交流隔離變壓器將二次回路隔離，減少干擾。

4 實(shí)例介紹
    圖4是2008年7月制作的扶梯電控柜照片，遵循了上述幾個(gè)原則，電柜中間是金屬隔離板，隔離板左邊是強(qiáng)電部分，右邊是弱電部分；變頻器安裝在左邊強(qiáng)電區(qū)，變頻器的左邊是進(jìn)線(xiàn)濾波器，PLC安裝在電柜的右部；元件安裝版采用鍍鋅板，所有接地端子和接地線(xiàn)連通。

5 結(jié)語(yǔ)
    本文簡(jiǎn)要介紹了電控柜在電磁兼容設(shè)計(jì)中采用的一些主要的措施，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，往往要具體問(wèn)題具體分析，不同的產(chǎn)品要采用不同的方案。