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(lái)越多，越來(lái)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(méi)有改變，但是功率單元的電磁運(yùn)行環(huán)境卻變得越來(lái)越來(lái)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(guò)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(guó)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(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB72-85《電磁干擾和電磁兼容性名詞術(shù)語(yǔ)》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(jiǎn)介 （1）EFT的干擾源 在電氣和機(jī)電設(shè)備中常見(jiàn)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(lái)說(shuō)，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(kāi)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(guò)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(méi)有足夠的時(shí)間放電，就又開(kāi)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(kāi)關(guān)系統(tǒng)斷開(kāi)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(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的電特性（如觸點(diǎn)打開(kāi)的速度，觸點(diǎn)斷開(kāi)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(lái)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(lái)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(guó)標(biāo)是 GB/T13926.4-92《工業(yè)過(guò)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(guó)際上非常有影響，不少國(guó)際組織或一些國(guó)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(guò)眾多脈沖的逐級(jí)累積，最后達(dá)到并超過(guò)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(guò)，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(lái)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(jiǎn)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)電快速瞬變脈沖群3級(jí)測(cè)試，未通過(guò)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?，F(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(kāi)始無(wú)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(zhǎng)度為300s的測(cè)試中，通過(guò)三次，未通過(guò)二次。說(shuō)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(kāi)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(guò)電源線進(jìn)入后，經(jīng)過(guò)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(guò)輸入端濾波進(jìn)入后繼電路，對(duì)寄生電容的充電，經(jīng)過(guò)眾多脈沖的逐級(jí)累積，最后達(dá)到并超過(guò)IC的抗擾度限值，通過(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)始無(wú)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(guò)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(zhǎng)距離并行的一些線纜之間的電壓等級(jí)差異大、通過(guò)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(zhǎng)度長(zhǎng)、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(zhǎng)電纜不但充當(dāng)了極好天線，還由于其并行長(zhǎng)度長(zhǎng)，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(lái)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(guò)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(zhǎng)，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(guò)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(guò)長(zhǎng)。 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(guò)以上的分析，功率單元在電快速瞬變脈沖群4級(jí)通不過(guò)的原因應(yīng)為功率單元內(nèi)電纜過(guò)長(zhǎng)、并行過(guò)多、電壓等級(jí)不同電纜混行所造成。其中功率單元中最長(zhǎng)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(zhǎng)電纜，將這些長(zhǎng)電纜通過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)長(zhǎng)電纜到功率單元后部的整流橋與變壓器，在走線過(guò)程中，沒(méi)有與其它電氣元件聯(lián)接?？梢詫㈤L(zhǎng)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(zhǎng)度達(dá)1000mm,變壓器電纜達(dá)700mm。如此之長(zhǎng)的長(zhǎng)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(zhǎng)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)?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(kāi)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(zhǎng)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(jiǎn)潔，不能過(guò)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(lái)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(wú)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(lái)功率單元的后部移到了功率單元的前部，其走線電纜的長(zhǎng)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(kù)存料中，有著標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)氧樹(shù)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(jiǎn)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(zhǎng)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(guò)后，進(jìn)行單獨(dú)加滿載考核其各部份溫升，經(jīng)過(guò)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(guò)以上數(shù)據(jù)看出，結(jié)構(gòu)更改后的功率單元通過(guò)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(guò)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(méi)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(zhǎng)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(zhǎng)度得到了大比例的縮短，最長(zhǎng)的幾根線束，每條長(zhǎng)度均超過(guò)功率單元本體長(zhǎng)度，減少了這些線纜的使用，對(duì)于EMC的性能來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)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(guò)長(zhǎng)的線纜。 功率單元原型內(nèi)的長(zhǎng)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(yǔ) 電磁兼容在電子產(chǎn)品的研制過(guò)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(kāi)發(fā)出的產(chǎn)品都希望能順利通過(guò)國(guó)家的相應(yīng)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，但如果沒(méi)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(guò)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(guò)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)。