邪恶漫画全集之幼儿园:数字化逆变电源屏蔽机柜设计

摘要：本文重点分析了数字化逆变电源电磁干扰等问题，并对输入和输出端谐波抑制措施进行了分析，特别是对数字化逆变电源屏蔽机柜的设计和工程实施提出了合理化建议。
关键词：数字化逆变电源；电磁兼容；分析；解决措施

0引言
数字化逆变电源普遍应用于多型设备中，主要给自整角机的信号传输系统提供能源。由于其所处的电磁环境非常复杂，其工作的稳定性在整个控制系统中起着不可替代的作用。实际工作中的数字化逆变电源如果没有适当的电磁屏蔽措施，将会受到控制系统中其他电子设备的电磁干扰，使得电源性能下降，严重影响其工作的稳定性，甚至导致系统功能丧失以至不能完成预定的任务。因此，必须采取切实有效的措施对数字化逆变电源进行电磁兼容设计，使其在电磁干扰的环境下能正常工作，而且其本身所产生的电磁辐射也不超过规定的极限值，以免对周围的电子设备产生电磁干扰。本文对此进行详细分析并提出了解决方案…。
1电磁干扰分析
数字化逆变电源通过整流器与三相电网相连，其中整流器是典型的非线性电路，它使输入电流畸变。此外，整流器会从电网吸收无功功率，使输入功率因素降低。因此在输入端必须采取措施，对注入电网的谐波干扰加以限制。
在逆变单元中，目前大都已采用IGBT一类的快速半导体开关器件和脉宽调制(PWM)技术，其开关重复频率可达10kHzN 25kHz。
很大的du／dt(例如在400V等级的逆变器中，du／dt可达5～15 kV／I．tS)在沿输出电缆传输时，由于输出电缆存在分布电容和漏感(每100米三相四线电缆
有70I．tH漏感和10nF分布电容)，在电缆较长时，在负载端可能出现2．5倍幅值的振荡电压。
总之，很大的du／dt和di／dt将在数字化逆变电源机柜内产生很强的电磁辐射，在输出电缆上产生强大的射频传导型电磁干扰和辐射干扰。
另外，由于数字化逆变电源采用脉宽调制技术，输出中不可避免的含有丰富的谐波，而且谐波能量主要集中在低次谐波上，将在输出电缆上引起能量相当可观的低频传导和辐射干扰。
治理谐波的方法有主动型和被动型两大类。主动型即设法使接入电网的电气装置不产生谐波和不产生某些次数的谐波，这一类有：多绕组变压器的多脉整流电路．多重化并联电流型整流电路、PWM可控整流电路和有源功率因素校正电路等。被动型治理谐波的方法主要是滤波I
21。
考虑到这些技术当前的成熟程度和EMC的成本效益问题，目前谐波治理主要采用输入电抗器(如图1所示)和多脉整流电路(如图2、3所示)的措施。

在数字化逆变电源中，逆变器的输出端除了要考虑IGBT很大的du／dt引起的不利影响外，还要考虑如何限制输出端能量相当可观的低次谐波引起的低频传导和辐射干扰。为此，可采用专门设计的正弦滤波器，对需要抑制的谐波频率产生足够的衰减。
这样不仅降低了输出端的du／dt，而且可使输出端的传导和辐射干扰得到大幅度的抑制。

数字化逆变电源的功率单元是一个强大的噪音发射源，而其控制单元却是一个噪音接收器，它必须具备在这样恶劣的电磁环境中可靠工作的能力131。
不管是数字化逆变电源外部的噪音，还是内部的噪音进入控制单元的途径主要是通过电、互感和电容三种耦合方式。
信号电缆在空间上分隔开，或正交布线，使电容、互感耦合减至最小。
防止电的耦合可采用阻容滤波、隔离变压器、光电耦合器或光纤传输等方法。
了解了噪音的进入途径，就可合理的选择各种有效的抑制噪音措施，来提高数字化逆变电源的抗干扰能力。
2数字化逆变电源的屏蔽机柜的设计
数字化逆变电源的机柜可对外部空间的电磁辐射、干扰起到屏蔽衰减作用，有助于提高作为噪音接收器的控制单元的抗干扰能力，同时又对数字化逆变电源向外部其它电气设备的电磁辐射也起到屏敞衰减作用。此外在机柜设计中合理的搭接、接地措施可为噪音电流提供一个低阻的回路，有助于减

防止空间噪音耦合的最简单的方法是严格地将功率电子单元与控制单元在空间上隔离开来，同时将传输功率的电缆、电平相差大的电缆与信柜体的EMC性能通常以衰减系数“a”的分贝值来表示：
a=20 logE0／E1，或a=20 logH0／H1，其中E0、H0为未衰减值，E1、H1为屏蔽衰减后的值。
柜体一般用1．5mm厚的冷轧钢板或不锈钢板，厚度再增加，衰减效果也不再增加了。柜体开孔(操作按钮、面板、风扇进出气孔、进出电缆孔等)和接
缝(门缝)，都必须采取措施，才能取得良好的屏蔽效果。
提高柜体EMC性能的结构和工艺措施。数字化逆变电源功率大时，因敖热、电磁环境的实际需要，通常分为三个独立的机柜，每一相形成一个机柜，每个机柜由柜体、柜门和后板三部分构成。
柜体宜采用钢板无缝拼装焊接成形，以确保柜体接缝在恶劣的条件下不会出现缝隙。柜门、后板与柜体的接触面采用射频密封条呈导电性接触，以保证柜体四周的无缝导电接触和射频密封。内壁涂黑色导电胶，呈绝对黑体，以利柜体散热。
机柜的结构件(如立柱、底座、安装基板、搭接、接地构件等)以及各，单元模块的屏蔽箱、罩表面均镀镉。立柱、底座与柜体的连接采用焊接，以保证在盐雾、湿热环境下接触面的化学稳定性，以获得长期稳定的低阻连接。
柜门、柜体上尽可能少布置元器件，少开孔，凡是必须开孔的地方如风扇进出气孔、电缆进出口、操作按钮和显示仪表安装孔等，都需采取必要的
EMC措施。
机柜附件的EMC措施。数字化逆变电源功率大时，其功率器件和正弦滤波器等功率耗散较大，机柜散热风扇开孔尺寸必然较大，电磁泄漏是个严重
的问题。因此，必须选用EMC风扇和滤网，图4为其对射频干扰的衰减曲线。

电缆进出口，可根据其直径选用屏蔽电缆PG夹紧头，使电缆屏蔽层与机柜壁呈导电性接触，而且不使屏蔽连接中断。
操作按钮和显示仪表的处理，一般可在柜内相应位置罩上一个密封金属罩，与柜门接触面间用导电胶射频密封条密封。
柜体内部件的安装、布线、搭接和接地。为了实现柜体内部的电磁兼容，最经济、有效的办法是对内部空间进行EMC的区域划分，区分哪些是噪音
源，哪些是噪音接收器，然后在空间上将它们划区分隔开来。数字化逆变电源内部可以划分为如图5

所示的四个区：
A区为工频电网输入单元，是输入端低频传导型和电磁噪音发射源。B区为整流滤波单元，是电磁噪音发射源。C区为逆变输出单元，是输出端频谱很宽的电磁噪音发射源。D区为控制单元，本单元可视为是噪音接收器。
为了实现空间电磁解耦，应将噪音源A、B、C区与噪音接收器D区隔离，将输入A区与输出C区隔离开来。隔离的最小间距应不小于20cm，也可用加装接地隔板进行隔离。除此之外，还应采取下列措施：
控制器应用箱体单独屏蔽，整流滤波模块、逆变桥模块、正弦滤波器是强辐射源，也应用箱体或罩单独屏蔽，并安装在同一安装基板上，通过尽可能大的表面积进行连接。其中的散热器可另用接地线(截面积大干lOrnm2)与安装基板连接。
输入变压器安装在底座上，与底座间用导电胶保证良好搭接。输入变压器的屏蔽层用截面不小于10 mm2、长度尽可能短的接地线与安装基板连接。
装于柜门上的操作显示面板和按钮、指示灯等，都用金属罩屏蔽，罩的周边与柜门间用射频密封条或导电胶填充，呈导电无缝连接。柜门用金属带与柜体连接。EMC风扇的安装按该产品说明书要求进行。
安装基板与柜体立柱应有良好的搭接(均为镀镉件)，并用截面不小于10mm2、长度尽可能短的接地线相互连接。柜体底板和顶板上设有PE接地端子，前者用作数字化逆变电源安装时的接地端子，后者用于三个机柜间的接地连接。
各单元问的电气连接。在进行电气连接时，首先要严格区分控制单元的信号地、数字化逆变电源的电气地和机柜的屏蔽地，区分动力电缆、信号电缆和划定的EMC区域【41。
D区控制单元的直流电源由A区电网输入单元送来的220V电压经隔离变压器供电。控制单元的PCB板的输入、输出接口宜用光耦进行电气隔离。D区控制单元与A区间、以及与操作显示面板间的信号连接用多芯屏蔽电缆，数字信号的屏幕层应两端接地，模拟信号用双绞屏蔽线，屏蔽层—般在控制单元侧接地，也可在另一端通过0．011．tF／100V电容接地。D区控制单元与C区逆变输出单元间的信号连接，除了用屏蔽线外，还必须通过光耦进行电气隔离。D区控制单元与另外两个机柜中的DSP同步信号，必须通过光耦或光纤连接。D区控制单元到A区和C区的电缆在空间要分开，避免平行敷设。
屏蔽电缆进入屏蔽箱时可用屏蔽电缆PG夹紧头，在屏蔽箱壁开孔处将屏蔽层与箱壁良好地接地。
屏蔽电缆尽量不要使用中间接线端子，如必须用时，则应在接线端子两侧将屏蔽层接地。
整流单元与逆变单元间用铜排(铜带)或屏蔽电力电缆连接，连接尽量短，如有可能，将两者合成一体共用一个屏蔽罩。
正弦滤波器尽量靠近逆变器安装，相互间用屏蔽电力电缆连接，屏蔽要两端接地。
数字化逆变电源网侧迸线，用高性能绝缘三芯屏蔽电力电缆，数字化逆变电源输出用高性能绝缘船用二芯屏蔽电力电缆，可从机柜顶板或下底板进出。进入机柜的电缆穿过安装板时，用屏蔽电缆PG防水火紧塞器将屏蔽层与机柜安装板连接，其紧固螺母能自动保证与机柜金属部位的良好接触。进入柜内后，要尽量贴近安装基板布线，两端(或多点)用接地夹子固定，使接地夹子与电缆屏蔽层压紧并导电接触。屏蔽连接不应由于接入正弦滤波器、熔断器、接触器等部件而中断，这些部件的金属壳体必须安装在同一基板上，呈良好的导电接触f4J。
输出电缆的负载侧，必须用屏蔽电缆PG夹紧塞器与负载机壳良好接地。
输入、输出电缆在空间上要尽量分隔开来，信号电缆与动力电缆在路径上必须分开，通常最小间距约为20cm，否则中间必须用接地隔板分隔。
3结论
本文重点讨论了数字化逆变电源的电磁干扰机理、抑制手段，从工程的角度对机柜电磁源进行了具体细致地分类及防护。经试验证明，上述合理设计最大限度地满足了电磁兼容环境的使用要求。