1 引言 高壓大功率變頻器的拓樸結(jié)構(gòu)中，多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器是采用多電平疊加、標(biāo)準(zhǔn)低電壓功率單元結(jié)構(gòu)串聯(lián)，單元內(nèi)部電容陣列穩(wěn)壓的拓樸結(jié)構(gòu)。在系統(tǒng)組成上由于其拓樸結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，內(nèi)部元器件眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。同時(shí)拓樸結(jié)構(gòu)的疊加特性，只需增加在主拓樸結(jié)構(gòu)中的標(biāo)準(zhǔn)低電壓功率單元數(shù)量及串聯(lián)方式，就能實(shí)現(xiàn)電壓升級(jí)和功率升級(jí)，而不需進(jìn)行對(duì)其功率電路的器件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。其通用性及繼承性的優(yōu)點(diǎn)非常突出，在高電壓，大功率方面具有天然的優(yōu)勢(shì)。故而多電平單元串聯(lián)電壓源型結(jié)構(gòu)的變頻器在大功率，高電壓等級(jí)的環(huán)境應(yīng)用越來越多，越來越廣。 標(biāo)準(zhǔn)低電壓功率單元的性能與質(zhì)量，是決定多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器的性能的關(guān)鍵。在實(shí)際的應(yīng)用中功率變換回路中單相上的標(biāo)準(zhǔn)低壓功率單元由三個(gè)串聯(lián)，發(fā)展六個(gè)串聯(lián)，再發(fā)展九個(gè)串聯(lián)，即能使輸出電壓等級(jí)從3kV至6kV至10kV。雖然在不同的電壓等級(jí)下每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)低電壓功率單元的電壓等級(jí)和輸出功率沒有改變，但是功率單元的電磁運(yùn)行環(huán)境卻變得越來越來越惡劣。隨著總電壓等級(jí)和總輸出功率的提高，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功率單元內(nèi)部干擾能量的空間分布加大、時(shí)間分布非周期性加強(qiáng)、干擾頻率的頻譜帶寬增加、發(fā)射干擾源增多等不利因素相應(yīng)增加，其電磁兼容環(huán)境的惡化會(huì)嚴(yán)重影響標(biāo)準(zhǔn)低壓功率單元的性能。這就要求功率單元在保持輸出特性不變的前提下，采用相對(duì)應(yīng)的電磁兼容技術(shù)措施，能通過嚴(yán)酷工業(yè)電磁環(huán)境測(cè)試而穩(wěn)定運(yùn)行，從而保證多電平單元串聯(lián)電壓源型高壓變頻系統(tǒng)的性能與質(zhì)量。 2 電磁兼容的基本知識(shí) 國際電工技術(shù)委員會(huì)（IEC）給出的電磁兼容性定義為:“電磁兼容性是設(shè)備的一種能力，它在其它環(huán)境中能完成自身的功能，而不致于在其環(huán)境中產(chǎn)生不允許的干擾�！� 我國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB72-85《電磁干擾和電磁兼容性名詞術(shù)語》中給出電磁兼容性的定義為:“設(shè)備（分系統(tǒng)、系統(tǒng)）在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即該設(shè)備不會(huì)由于受到處于同一電磁環(huán)境中其它設(shè)備的電磁發(fā)射而導(dǎo)致或遭受不允許的性能降級(jí)。” 2.1 EMC測(cè)試項(xiàng)目——電快速瞬變脈沖群（EFT）簡介 （1）EFT的干擾源 在電氣和機(jī)電設(shè)備中常見的一種瞬態(tài)干擾，是由繼電器、電機(jī)、變壓器等電感器件產(chǎn)生的，一般來說，這些器件是系統(tǒng)組成的一部份，因此干擾往往在系統(tǒng)的內(nèi)部產(chǎn)生。 （2）EFT對(duì)設(shè)備的影響 電快速瞬變脈沖群是由電路中的感性負(fù)載斷開時(shí)產(chǎn)生。其特點(diǎn)是一連串的脈沖，因此它對(duì)電路的影響較大。回路中一連串的脈沖可以在電路的輸入端產(chǎn)生累積效應(yīng)，使干擾電平的幅度最終超過電路的噪聲門限。從這個(gè)機(jī)理上看，脈沖串的周期越短，則對(duì)電路的影響越大。因?yàn)楫?dāng)脈沖串中的每個(gè)脈沖相距很近時(shí)，電路的輸入電容沒有足夠的時(shí)間放電，就又開始新的充電，很容易達(dá)到較高的電平，湮滅正常的輸入信號(hào)。 （3）EFT的特性 電感負(fù)載開關(guān)系統(tǒng)斷開時(shí)，會(huì)在斷點(diǎn)處產(chǎn)生瞬態(tài)騷擾（EFT），這種瞬態(tài)騷擾由大量脈沖組成。對(duì)220V電源線的測(cè)量表明，這種脈沖群的幅值在100V至數(shù)千伏之間，具體大小由開關(guān)觸點(diǎn)的電特性（如觸點(diǎn)打開的速度，觸點(diǎn)斷開時(shí)的耐壓等級(jí)，觸點(diǎn)滅弧的機(jī)制等）決定，脈沖重復(fù)頻率在1kHz～1MHz，對(duì)于單個(gè)脈沖而言，其上升沿在納秒級(jí)，脈沖持續(xù)期在幾十納秒至數(shù)毫秒之間。這種騷擾信號(hào)的頻譜分布非常寬，高速數(shù)字電路對(duì)它比較敏感，容易受到騷擾。 從實(shí)際測(cè)試結(jié)果來看，發(fā)現(xiàn)很大一部分產(chǎn)品（主要是數(shù)字式設(shè)備）都不能承受這種騷擾，經(jīng)常出現(xiàn)程序混亂、數(shù)據(jù)丟失、控制電路失靈等現(xiàn)象。 （4）EFT標(biāo)準(zhǔn) IEC專門制定了標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-4（1995）《電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)》來模擬電快速脈沖群對(duì)電氣和電子設(shè)備的影響，與其對(duì)應(yīng)的國標(biāo)是 GB/T13926.4-92《工業(yè)過程測(cè)量和控制裝置的電磁兼容性——電快速瞬變脈沖群要求》。由于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在國際上非常有影響，不少國際組織或一些國內(nèi)相關(guān)部門都將此標(biāo)準(zhǔn)引入其產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或通用標(biāo)準(zhǔn)。 2.2 電快速瞬變脈沖群干擾的抑制方法 （1）減小PCB接地線公共阻抗 在IC輸入端，EFT對(duì)寄生電容充電，通過眾多脈沖的逐級(jí)累積，最后達(dá)到并超過IC的抗擾度限值。由于任何地線既有電阻又有電抗，所以當(dāng)電流流過，必然會(huì)產(chǎn)生壓降，很容易產(chǎn)生電位差，這可應(yīng)用良好的布線、增加接地導(dǎo)線的面積方法來減小，使其低于數(shù)字電路的抗干擾電平。 （2）應(yīng)用EFT電感瞬態(tài)干擾抑制網(wǎng)絡(luò) 使用EFT濾波器或吸收器將騷擾源遠(yuǎn)離敏感電路； （3）正確使用接地技術(shù)； （4）在軟件中加入抗騷擾指令； （5）安裝瞬變騷擾吸收器。 通常將以上方法根據(jù)具體情況結(jié)合使用，以達(dá)到最佳效果。 3 電磁兼容測(cè)試平臺(tái)簡介與功率單元電磁兼容改進(jìn)的目標(biāo) 3.1 功率單元電磁兼容性能測(cè)試平臺(tái) 地點(diǎn):哈爾濱工業(yè)大學(xué)電磁兼容試驗(yàn)室。 儀器:EMC TRANSIENT 2000。 測(cè)試對(duì)象:變頻器功率單元原型 執(zhí)行人員:哈爾濱九洲電氣股份有限公司研發(fā)員: 李凱 白德芳 哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系在讀博士: 嚴(yán)冬 功率單元結(jié)構(gòu)更改場(chǎng)地:哈爾濱九洲電氣股份有限公司開發(fā)中心實(shí)驗(yàn)室。 3.2 功率單元電磁性能提升的預(yù)定目標(biāo) 功率單元通過4.0kV、2.5kHz、30s的嚴(yán)酷工業(yè)環(huán)境等級(jí)的電快速瞬變脈沖群測(cè)試。 功率單元電磁兼容完成后，外部連接空間位置不變，可直接安裝于原柜體內(nèi)。 對(duì)功率單元的結(jié)構(gòu)改動(dòng)重點(diǎn)在外部結(jié)構(gòu)改動(dòng)，不改變內(nèi)部元器件的相對(duì)位置。 提高電磁兼容性改動(dòng)成本控制在功率單元總成本10%之內(nèi)。 改后的功率單元的內(nèi)部功率元件運(yùn)行方式不變。 功率單元電磁兼容性提高研究的完成時(shí)間預(yù)定為三個(gè)月。 3.3 將對(duì)電磁兼容性能進(jìn)行提升的功率單元原型 對(duì)600V-63A的標(biāo)準(zhǔn)功率進(jìn)行電磁兼容性能的改造，要求達(dá)到能通過電磁兼容測(cè)試的最高的嚴(yán)酷工業(yè)環(huán)境等級(jí)，改造前的原型結(jié)構(gòu)如圖1所示。 [align=center] 圖1 功率單元原型結(jié)構(gòu)圖[/align] 4 對(duì)功率單元原型進(jìn)行電磁兼容性能測(cè)試，并分析電磁性能弱的要點(diǎn) 4.1 對(duì)功率單元原型進(jìn)行電磁兼容測(cè)試 （1）測(cè)試前的預(yù)定方案 對(duì)多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器的功率單元原型進(jìn)行電磁兼容性能分析的前提，是對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)密的電磁兼容測(cè)試。在哈爾濱工業(yè)大學(xué)電磁兼容試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)功率單元原型采取多等級(jí)，多時(shí)間，多校驗(yàn)的方式進(jìn)行測(cè)試，其最高測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)預(yù)定為嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。 （2）經(jīng)測(cè)試后，其測(cè)試完成后數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。 表1 測(cè)試完成后數(shù)據(jù)匯總 4.2 根據(jù)測(cè)試結(jié)果，對(duì)功率單元的電磁兼容性能進(jìn)行深入的剖析 （1）功率單元的電磁兼容性能等級(jí) 多電平功率單元EMC性能通過電快速瞬變脈沖群3級(jí)測(cè)試，未通過4級(jí)測(cè)試，即現(xiàn)功率單元的電快速脈沖抗干擾特性已達(dá)到3級(jí)，還未達(dá)到4級(jí)即嚴(yán)酷工業(yè)環(huán)境等級(jí)下正常運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)。 （2）對(duì)功率單元進(jìn)行EFT測(cè)試時(shí)，受EFT影響而出現(xiàn)工作不正常現(xiàn)象的要點(diǎn) 在功率單元僅加電，處于備用狀態(tài)時(shí)，對(duì)其加4.0kV電快速瞬變脈沖群等級(jí)，功率單元上的所有狀態(tài)顯示燈全部開始無規(guī)則快速閃爍，其EMI的噪聲騷擾已經(jīng)完全擾亂了數(shù)字信號(hào)回路的正常工作。 在3.0kV，2.5kHz狀態(tài)下進(jìn)行電快速瞬變脈沖群測(cè)試中，功率單元運(yùn)行正常，當(dāng)將測(cè)試頻率加大為5kHz時(shí)，5次長度為300s的測(cè)試中，通過三次，未通過二次。說明3.0kV等級(jí)是功率單元對(duì)電快速瞬變脈沖群抗干擾能力的一個(gè)臨界值。 5 根據(jù)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行深入分析，結(jié)合分析結(jié)果制定出項(xiàng)目進(jìn)行的開展方向 5.1 針對(duì)在電磁兼容測(cè)試中出現(xiàn)的故障要點(diǎn)的深入分析 （1）不定時(shí)出現(xiàn)故障的原因分析 在3.0kV等級(jí)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，在頻率為2.5kHz時(shí)運(yùn)行正常，在頻率為5.0kHz時(shí)運(yùn)行出現(xiàn)不定時(shí)的故障。其產(chǎn)生的原因分析應(yīng)為EFT信號(hào)通過電源線進(jìn)入后，經(jīng)過IC信號(hào)端口時(shí)，在2.5kHz的干擾信號(hào)全部被濾除，功率單元保持正常行。當(dāng)EFT干擾的脈沖頻率加大到5.0kHz時(shí)，將有一部分干擾信號(hào)通過輸入端濾波進(jìn)入后繼電路，對(duì)寄生電容的充電，經(jīng)過眾多脈沖的逐級(jí)累積，最后達(dá)到并超過IC的抗擾度限值，通過直接觸發(fā)或靜電耦合，使數(shù)字電路工作異常。其中電容中干擾的累積受IC回路運(yùn)行狀態(tài)，輸入濾波效果等影響，為離散型故障發(fā)生，符合測(cè)試數(shù)據(jù)匯總表中故障出現(xiàn)的規(guī)律。 （2）在未運(yùn)行時(shí)即出現(xiàn)故障的原因分析 在功率單元加電，處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，對(duì)其加4.0kV電快速瞬變脈沖群等級(jí)的干擾，所有指示燈都在閃爍，表明在IC回路中的干擾電平已經(jīng)超過電路的噪聲門限，數(shù)字回路的噪聲已經(jīng)湮滅正常的運(yùn)行信號(hào)，其不應(yīng)是脈沖的累積效應(yīng)產(chǎn)生的，應(yīng)是線路中的電容性耦合或電感性耦合較大，在干擾信號(hào)輸入后，在數(shù)字回路中的耦合出的干擾信號(hào)直接超過了回路中正常工作信號(hào)的電平，造成功率單元的停止?fàn)顟B(tài)時(shí)加入4.0kV等級(jí)的干擾，還未運(yùn)行時(shí)，指示燈就開始無序閃爍。 5.2 功率單元原型中電纜布局不合理的要點(diǎn) （1）輸入的主回路電纜與控制回路電纜從功率單元前部輸入/輸出端子引到功率單元后部的整流二極管與控制變壓器，相當(dāng)于全部輸入/輸出的功率先通過了線纜環(huán)繞了半個(gè)功率單元后再進(jìn)入相應(yīng)元器件。 （2）主控板的80V與8V電源電纜，溫度報(bào)警信號(hào)電纜圍繞了主控板周圍一半以上的空間。長距離并行的一些線纜之間的電壓等級(jí)差異大、通過的電源型式種類多、電流密度分布廣、相互工作頻譜區(qū)域復(fù)雜。 總體上其功率及控制線纜在單元內(nèi)大體呈環(huán)形排列，而且長度長、并列布線多。 由于以上的種種的線纜布局極易產(chǎn)生相互干擾，同時(shí)長電纜不但充當(dāng)了極好天線，還由于其并行長度長，運(yùn)行時(shí)電壓差異大（最高為800V，最小為5V），故其電磁耦合現(xiàn)象比較嚴(yán)重。 5.3 結(jié)合測(cè)試結(jié)果分析和具體的功率單元結(jié)構(gòu)判斷其電磁兼容性能弱的最主要原因 （1）電磁兼容的電纜設(shè)計(jì) 在電磁兼容理論中，電纜是效率很高的電磁波接收天線，空間的電磁干擾往往首先被電纜接收到，然后傳入到設(shè)備中，造成數(shù)字電路的誤動(dòng)作。同時(shí)電纜還是很高的電磁波輻射天線，當(dāng)設(shè)備被屏蔽起來后，電纜是產(chǎn)生電磁波輻射的主要原因。當(dāng)設(shè)備或系統(tǒng)不能滿足有關(guān)電磁干擾的限制要求時(shí)，90%是電纜的原因。 （2）功率單元原型未通過工業(yè)嚴(yán)酷等級(jí)的EFT測(cè)試的直接因素 在功率單元內(nèi)，電纜不但多而亂，而且都非常長，已近似于在功率單元再加入了一個(gè)大天線網(wǎng)，分析確定通不過電快速瞬變脈沖群測(cè)試4級(jí)的主要原因應(yīng)該是線纜過長。 5.4 功率單元原型進(jìn)行電磁兼容性能改進(jìn)的目標(biāo)方向 （1）對(duì)功率單元原型電磁兼容改進(jìn)的主要對(duì)象 通過以上的分析，功率單元在電快速瞬變脈沖群4級(jí)通不過的原因應(yīng)為功率單元內(nèi)電纜過長、并行過多、電壓等級(jí)不同電纜混行所造成。其中功率單元中最長的電纜如圖2所示，改善電磁兼容性能的主要改變對(duì)象就是這些長電纜，將這些長電纜通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)行方式進(jìn)行縮短，并同時(shí)改變電纜在功率單元內(nèi)呈環(huán)狀的布線方式。 [align=center] 圖2 功率單元原型內(nèi)的長電纜[/align] （2）對(duì)功率單元原型電磁兼容改進(jìn)的方向 在不改變主功率元件的相對(duì)位置的基礎(chǔ)上,對(duì)功率單元原型的殼體形式、輸出/輸入端子、主控板的固定位置進(jìn)行改變，從而對(duì)長電纜的縮短和重新布局。 5.5 變頻器功率單元結(jié)構(gòu)改造的可行性方向 （1）根據(jù)功率單元原型結(jié)構(gòu)分析能夠?qū)崿F(xiàn)的大致改造方向 功率單元原電源布線方式均為從功率單元前部入線，經(jīng)過長電纜到功率單元后部的整流橋與變壓器，在走線過程中，沒有與其它電氣元件聯(lián)接�？梢詫㈤L電纜從功率單元內(nèi)拉出，表明其中間未和任何元件連接。主電纜長度達(dá)1000mm,變壓器電纜達(dá)700mm。如此之長的長纜存在即是由于輸入整流放在了功率單元的后部，而輸入線是從前部進(jìn)入。 將功率單元的整流橋從后部的位置調(diào)整到前側(cè)，則能將輸入的電纜長度縮短2/3左右。將輸入變壓器從后側(cè)移至前側(cè)，則能將變壓器到主控板電源的電纜也同樣可以縮短2/3左右。 （2）按照改造方向?qū)β蕟卧Y(jié)構(gòu)改造具體實(shí)現(xiàn)方法的分析 此功率單元原型的殼體即是外殼，同時(shí)也是內(nèi)部元件的支撐框架，如圖2所示，其由三部分組成，即左側(cè)板，右側(cè)板，主殼體。在具體的結(jié)構(gòu)安裝中，功率器件固定于散熱器上，電容器件及其予充電器件固定于右側(cè)板上，主控板固定于左側(cè)板上，輸入/輸出端子固定于主殼體的前側(cè)。 利用主殼體上只有輸入/輸出端子，且都為電纜連接的有利條件，若將功率單元的主殼體進(jìn)行前后鏡像翻轉(zhuǎn)，則能達(dá)到將整流橋和變壓器從后側(cè)移到前側(cè)的目標(biāo)，同時(shí)不會(huì)改變?cè)䞍?nèi)部相對(duì)位置，改造后的內(nèi)部硬連接銅帶也可以繼續(xù)使用。 6 制定變頻器功率單元電磁兼容性能改進(jìn)的結(jié)構(gòu)更改初步方案 6.1 功率單元結(jié)構(gòu)更改方法 （1）功率單元安裝擺放位置的變化 將功率單元主殼體進(jìn)行前后鏡像，將功率單元的安裝位置進(jìn)行前后鏡像，這時(shí)就將功率單元的輸入整流橋和控制變壓器從后側(cè)改到了前側(cè)。 （2）功率單元主殼體的更改 在功率單元主殼體進(jìn)行鏡像后，相應(yīng)的水平輸出/輸入端子不用更改，便是主控板輸出口的位置發(fā)生的變化，在相應(yīng)的位置對(duì)功率單元進(jìn)行重新加工主控板的輸出接口。 （3）功率單元主控板安裝結(jié)構(gòu)的更改 重新按照改后的功率單元?dú)んw上的輸出窗口位置安排主控板的空間位置。主控板繼續(xù)固定由左側(cè)板上時(shí)，由于空間位置的變化，使得在打開功率單元時(shí)，主控板的元件將會(huì)隱藏，將對(duì)廠內(nèi)測(cè)試和調(diào)節(jié)產(chǎn)生極大的不便。 針對(duì)以上要求，在功率單元內(nèi)的相應(yīng)位置作一個(gè)支架結(jié)構(gòu)，將主控板安裝于支架上，使主控板的元件安裝面處于外側(cè)，方便廠內(nèi)測(cè)試與檢查。 6.2 確定功率單元原型對(duì)電磁兼容性能進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造的操作原則 （1）元器件使用原則 采用原有的電氣元件，保持內(nèi)部硬連接結(jié)構(gòu)不變，利用改變軟連接結(jié)構(gòu)與殼體結(jié)構(gòu)完成對(duì)電纜長度進(jìn)行縮短的目標(biāo)。 （2）結(jié)構(gòu)件使用原則 殼體結(jié)構(gòu)制作盡量用原用結(jié)構(gòu)更改，能夠用原有的結(jié)構(gòu)更改的，盡量用原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，不進(jìn)行重新制作，從而加快研發(fā)的進(jìn)程與速度。 （3）電纜布線原則 在進(jìn)行電纜制作時(shí)，嚴(yán)格按照電磁兼容的技術(shù)要求，進(jìn)行電纜布線，其使用的線型，布線走向均要求簡潔，不能過于繁復(fù)，并按照成品的型式進(jìn)行多層布線。 （4）功率單元的固定原則 在進(jìn)行電磁兼容改進(jìn)行結(jié)構(gòu)更改制作完成后，能夠?qū)崿F(xiàn)原功率單元的全部功能，且其輸出輸入端子空間位置不能改變，可以直接裝入原柜體，所有柜體內(nèi)的結(jié)構(gòu)與布線均不用更改，和功率單元原型的安裝型式完全兼容。 （5）研發(fā)進(jìn)程中的工藝要求原則 研發(fā)制作中，在保證以上要求的前提下，對(duì)于不影響電氣性能和測(cè)試參數(shù)的外觀類工藝可適量放松，以加快研發(fā)的速度，在完成全部電氣性能的研發(fā)后，再進(jìn)行細(xì)致的外觀結(jié)構(gòu)處理。 6.3 功率單元內(nèi)不改動(dòng)的結(jié)構(gòu)件的確定 （1）功率單元的散熱器上的安裝元件 在散熱器上的所用元件安裝結(jié)構(gòu)保持原有形式，不進(jìn)行任何的改動(dòng)。 （2）電容陣列的安裝結(jié)構(gòu) 電容陣列的安裝隨著功率單元的鏡像，由右側(cè)板改為左側(cè)板進(jìn)行安裝，其與散熱器上所有的功率器件的安裝相對(duì)位置不變。 （3）內(nèi)部銅排的安裝結(jié)構(gòu) 在結(jié)構(gòu)更改中，保證主回路的各器件相對(duì)位置不變，即可以保證內(nèi)部銅排都不用進(jìn)行更改，直接采用原來的銅排結(jié)構(gòu)。 6.4 需進(jìn)行加工和制作的結(jié)構(gòu)件 （1）功率單元的主殼體 在主殼體的右側(cè)加工出新的主控板輸出窗口，并在主殼體的前后部份加工出主控板支架的安裝孔。 （2）功率單元的主控板支架 根據(jù)主控板的安裝位置，加工出用于主控板安裝的支架，其固定于主殼體的相應(yīng)安裝孔上，同時(shí)支架也作為內(nèi)部電纜分層走線的橋架。 （3）功率單元的主控板屏蔽板 根據(jù)主控板的安裝位置，其屏蔽板的安裝位置由主控板的前側(cè)移到后側(cè),直接安裝于主控板的支架上，保證在結(jié)構(gòu)完成的主控板屏蔽結(jié)構(gòu)保持原有形式。 7 變頻器的功率單元電磁兼容性能提升的結(jié)構(gòu)更改的具體實(shí)施步驟 7.1 安裝位置不需改動(dòng)的部分 （1）散熱器上的元件安裝不進(jìn)行改動(dòng)，保持原有結(jié)構(gòu)，如圖3所示。 [align=center] 圖3 散熱器安裝結(jié)構(gòu)[/align] （2）電容陣列、均壓板，變壓器安裝結(jié)構(gòu)都不改變，直接根據(jù)預(yù)定方案將原右側(cè)直接轉(zhuǎn)化為左側(cè)板使用，在這種方法保證了內(nèi)部銅排連接結(jié)構(gòu)無需更改，并能將內(nèi)部的主功率回路的全部功率器件安裝完成，只余下外殼，輸入/輸出引線，主控板等在預(yù)定方案中應(yīng)進(jìn)行更改的部份未安裝，此時(shí)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。 [align=center] 圖4 不需進(jìn)行改變的全部結(jié)構(gòu)[/align] 7.2 功率單元主殼體結(jié)構(gòu)的更改 （1）將功率單元原型主殼體在進(jìn)行前后鏡像更改時(shí)，由于其原型的功率單元安裝的鉚螺母的位置是按縱軸線進(jìn)行布置的，故在主殼體的位置進(jìn)行前后調(diào)轉(zhuǎn)后，其可以接安裝于左側(cè)板上，對(duì)主體進(jìn)行加工出一個(gè)主控板輸出窗口和支架安裝孔即可，在安裝完后的主殼體如圖5所示。 [align=center][b] 圖5 加工完成后的主殼體[/b][/align] 在主殼體組裝完后的圖6中，可以看到按照預(yù)定方案，在主殼體進(jìn)行前后互換后，并將功率單元的散熱器同時(shí)進(jìn)行前后互換，其輸入整流橋、控制變壓器已經(jīng)從原來功率單元的后部移到了功率單元的前部，其走線電纜的長度需求將會(huì)大比例減少。 [align=center] 圖6 主殼體組裝完畢圖[/align] 7.3 變頻器功率單元內(nèi)的主控板支架制作 （1）主控板支架材料選擇 根據(jù)主控板在功率單元內(nèi)的相對(duì)空間布放位置，支架應(yīng)在電容陣列的正極面與主控板的空間預(yù)定位置之間。在庫存料中，有著標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)氧樹脂澆鑄玻璃布層的絕緣棒，直接采用其制作支架，由于其本體絕緣的性質(zhì)，在制作中具有非常大的電氣間隙和絕緣距離的余度，同時(shí)其加工簡單容易。 （2）主控板支架的加工 首先將30mm粗的環(huán)氧澆注玻璃布層絕緣棒截成合適長二根，在兩端進(jìn)行鉆孔，攻內(nèi)螺紋，用于在主殼體前后安裝孔之上通過螺栓進(jìn)行固定。在縱向鉆出等距的標(biāo)孔，用于其作為內(nèi)部電纜橋架，對(duì)線束進(jìn)行分層走線的布線架用作線束固定孔。 （3） 主控板與屏蔽層結(jié)合 在設(shè)計(jì)支架時(shí)，利用功率單元原型上的屏蔽板進(jìn)行改裝，將其固定在支架上。用于屏蔽電容陣列輸出銅板的電磁騷擾。全部按預(yù)定的電磁兼容性能提升的結(jié)構(gòu)更改預(yù)定方案加工完成后主控板支架如圖7所示。 [align=center] 圖7 加工完成后的主控板支架[/align] 7.4 變頻器功率單元線束的更改 （1）線束的種類 IGBT驅(qū)動(dòng)線束 4組 電容陣列軟啟動(dòng)切除線束 1組 旁通控制線束 1組 主控板電源線束 2組 電容陣列電壓測(cè)量線束 2組 溫度檢測(cè)線束 1組 IGBT輸出測(cè)量線束 1組 （2）線束分層布線設(shè)計(jì)，如圖8所示。 [align=center] 圖8 主控線線束分層布線空間結(jié)構(gòu)[/align] 電容陣列電壓測(cè)量、溫度檢測(cè)在主控板下支架布線 電容分壓測(cè)量在主控板上支架布線 IGBT驅(qū)動(dòng)線束從IGBT到主控板直連。 主控板電源在控制變壓器與支架間前側(cè)空間布線。 旁通控制、軟啟動(dòng)切除在散熱器表面布線。 IGBT輸出測(cè)量在功率單元后部，通過主控制下支架固定方式布線。 7.5 變頻器功率單元主控板安裝，連接全部線纜完成樣機(jī)制作 （1）將主控板支架固定在變頻器功率單元外殼上后，根據(jù)線束分層的空間結(jié)構(gòu)，按各接線端子的位置確定線束的長度，做出其接線端頭。 （2）將主控板裝在支架上，并將相應(yīng)的電纜連接完成 其相應(yīng)的線束已布置完成，將主控板裝上，并將相應(yīng)線束對(duì)應(yīng)接好，此時(shí)，功率單元的內(nèi)部電氣結(jié)構(gòu)全部更改完成，已經(jīng)具備加電運(yùn)行的條件，在加電后，即可以進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的測(cè)試，如圖9所示。 [align=center] 圖9 主控板組裝完成圖[/align] （3）完成功率單元全部的結(jié)構(gòu)更改改裝 完成功率單元全部電氣結(jié)構(gòu)的安裝后，將右側(cè)板組裝，表明全部結(jié)構(gòu)更改完成。輸出和輸入端子與功率單元原型的空間位置保持了一致，具備了直接安裝于變頻器柜體內(nèi)的性能，表明了安裝結(jié)構(gòu)上符合項(xiàng)目的要求。如圖10所示: [align=center] 圖10 完成功率單元結(jié)構(gòu)更改的模型[/align] 8 功率單元結(jié)構(gòu)更改完成后電磁兼容性能的測(cè)試 8.1 帶載溫升與功能測(cè)試 在功率單元更改完成后，首先用功率單元測(cè)試箱對(duì)其進(jìn)行加電測(cè)試，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)更改后能否正常工作，當(dāng)工作與保護(hù)測(cè)試通過后，進(jìn)行單獨(dú)加滿載考核其各部份溫升，經(jīng)過24h滿載考核，更改后的功率單元的性能完全達(dá)到功率單元原型的各項(xiàng)性能指標(biāo)。 8.2 電磁兼容性的測(cè)試 （1）在哈爾濱工業(yè)大學(xué)電磁兼容試驗(yàn)室對(duì)功率單元進(jìn)行電快速脈變脈沖群（EFT）的測(cè)試，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)按照最高的嚴(yán)酷工業(yè)環(huán)境等級(jí)進(jìn)行,如圖11所示。 [align=center] 圖11 功率單元結(jié)構(gòu)更改完成后的電磁兼容測(cè)試[/align] （2）結(jié)構(gòu)更改完成后的測(cè)試數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。 表2 結(jié)構(gòu)更改完成后的測(cè)試數(shù)據(jù)匯總 8.3 電磁兼容測(cè)試總結(jié) （1） 通過以上數(shù)據(jù)看出，結(jié)構(gòu)更改后的功率單元通過了電快速瞬變脈沖群（EFT）最高等級(jí)（4級(jí)）的測(cè)試，其對(duì)電快速瞬變脈沖群的抗干擾度等級(jí)已經(jīng)達(dá)到甚至超過了工業(yè)嚴(yán)酷等級(jí)環(huán)境運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)。 （2） 對(duì)功率單元依照EMC的要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)更改后，其EFT的抗擾度的水平達(dá)到了項(xiàng)目所制定的目標(biāo)，表明多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器的功率單元進(jìn)行EMC性能提高的結(jié)構(gòu)更改研發(fā)任務(wù)順利完成。 9 功率單元原型的電磁兼容性能差的原因確定 9.1 更改前功率單元的線纜比更改后功率單元多用的線纜 在變頻器功率單元結(jié)構(gòu)更改中，其用的線纜都是利用功率單元原型的線纜進(jìn)行改動(dòng)制作，沒有使用新的線纜，在結(jié)構(gòu)更改完成后，未用完的線束即是原功率單元比更改后功率單元多用的線纜。 9.2 大量減少單元內(nèi)的線纜長度的意義 功率單元主回路中所用線纜比功率單元原型所用線纜的長度得到了大比例的縮短，最長的幾根線束，每條長度均超過功率單元本體長度，減少了這些線纜的使用，對(duì)于EMC的性能來說，僅這幾根線束就相當(dāng)于在功率單元內(nèi)部少了12條與功率單元一樣長的天線結(jié)構(gòu)組件。 9.3 功率單元由大面積環(huán)形布線變?yōu)榉謱硬季�的意義 電感性耦合也稱為磁耦合，它是由磁場(chǎng)作用引起的，其耦合電感取決于電路的幾何形狀和包含場(chǎng)的媒質(zhì)磁特性。當(dāng)電纜內(nèi)有電流流動(dòng)時(shí)，將在其圍起回路面積內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)磁場(chǎng)，形成與此電流成正比的磁通量，在圍起面積內(nèi)的電纜將產(chǎn)生互感。避免平行走線并設(shè)法縮小電流回路圍成面積使互感盡量地小，抑制電感性耦合。 被干擾導(dǎo)線環(huán)在干擾場(chǎng)中的放置方位應(yīng)使它對(duì)干擾磁場(chǎng)切割磁力線最小，因而所耦合的干擾信號(hào)也最小。 9.4 功率單元原型的電磁兼容性能差的原因 綜合以上分析，功率單元原型的電磁兼容性能差的主要原因確定為: 功率單元原型內(nèi)由于結(jié)構(gòu)布置不合理而使用了過長的線纜。 功率單元原型內(nèi)的長電纜的環(huán)形布置形成了極大的電感性的互擾。 10 結(jié)束語 電磁兼容在電子產(chǎn)品的研制過程中有三個(gè)重要環(huán)節(jié)是缺一不可的，那就是電磁兼容的設(shè)計(jì)、電磁兼容的診斷和調(diào)試以及電磁兼容量標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)。每一個(gè)項(xiàng)目所開發(fā)出的產(chǎn)品都希望能順利通過國家的相應(yīng)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，但如果沒有很好的把握電磁兼容的設(shè)計(jì)和診斷，那么就很難通過標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)。 在多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器的功率單元電磁兼容性能提高而進(jìn)行結(jié)構(gòu)更改的項(xiàng)目進(jìn)行中，非常注意檢測(cè)與診斷的步驟，在對(duì)功率單元進(jìn)行周密的測(cè)試后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中歸納，并根據(jù)電磁干擾的理論，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的診斷，并分析出通不過電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)大概范圍。并分析出的電磁兼干擾超標(biāo)的主要原因，從而制定出更改方案的主要原則與重點(diǎn)，并依據(jù)更改重點(diǎn)，做出預(yù)定更改方案，在具體步驟中按照預(yù)定方案所規(guī)定的原則一步步落實(shí)完成。 在本次項(xiàng)目進(jìn)行中，嚴(yán)格依照以上的步驟進(jìn)行，從而保證了功率單元的一次更改即達(dá)到了預(yù)定的項(xiàng)目規(guī)定指標(biāo)。