电控柜的兼容设计

1 引言
    变频器为交流调速带来了方便，但也带来了电磁干扰。在设计中，曾为一欧洲扶梯公司制作电控柜，客户提出了严格的EMC要求，研制第一台样柜时，由于对EMC的认识不够，没有严格参照EMC的要求设计，比如变频器的输入输出线混杂在一起，从而导致在欧洲的EMC测试没通过。第二次，在接地、屏蔽、滤波、布线等方面严格按照EMC的要求，EMC测试顺利通过。本文将经验整理成文，与读者分享。

2 EMC的基本概念介绍
    (1)EMC
    EMC(Electro Magnetic Compatibility)直译是“电磁兼容性”，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中，对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗干扰能力。所有电器和电子设备工作时都会有间歇或连续性电压电流变化，有时变化速率还相当快，这样会导致在不同频率内或一个频带间产生电磁能量，而相应的电路则会将这种能量发射到周围的环境中，这就是EMC问题的来源。
    (2)差模干扰
    如果一个干扰电压只被耦合到电路的一个支路，那么就会产生差模干扰；接下来就会在输出线和返回线之间产生一个电位差，其成因是在输出和返回导体与大地参考平面之间方向相反的电流。
    (3)共模干扰
    如果一个干扰电压被同时耦合到电路的两个支路中去，就会导致共模干扰。共模干扰的电流和线路中其他电流成份的流向完全一致。电路通过大地参考平面或者有害电容来形成回路。
    有很多不同的原因都可以导致共模干扰，共模干扰可能产生感性或者容性耦合，如果在对称的线对和地之间的区域存在着电磁场，就会产生感性耦合。
    (4)电容性耦合
    电容性耦合是通过电场进行的耦合。见图1。它发生于相邻电路之间，比如在较大的电源线电流和信号线电流之间。在这两个电路之间，如果电位差发生波动，那么就会有电流流过位于它们之间的绝缘介质，比如说空气。
    彼此相临近的两条线路可以看作是一个电容器的两极。耦合电容CK随着线路之间并行长度的增加而线性增加，与此同时，耦合电容随着线路之间距离的增加而减小，把两根电缆之间的距离从l mm增加到10 cm，在被干扰电路中的感应电压可能下降98％。

    (5)感性耦合
    感性耦合是一种经由电磁场进行的耦合。这种耦合在彼此并行的线路之间发生。一条线路中的电流变化会引起电磁场的波动，电磁场会影响并行线路，并在其中引起感应电压。这样一来就会有电流流过，产生干扰信号。电感性耦合产生于电缆，线束和电缆管道中的并行线路。
    图2给出了电感性耦合的产生方式。由启动较大的负载或者短路而造成的电路l中的电流变化，引发了磁场的波动，从而影响到电路2。

    (6)辐射耦合
    当一些系统部件被与该部件尺寸相匹配波长的电磁波所激发时，就会辐射能量，并通过电磁场向接收器传播。由环路，偶极子或者单地线构成的天线就属于此类敏感部件。在这种情况下，众所周知的干扰源包括：屏蔽不够充分的高频设备、无线电广播和电视广播设备、荧光灯、移动电话等。

3 基本的EMC措施
    产生电磁干扰有三个必要条件：干扰源、传输介质、敏感的接收单元，在电气设备的设计过程中实现电磁兼容就是要破坏电磁干扰形成的条件。
    ·消除或抑制噪声干扰源。
    ·切断或限制噪声干扰传播途径。
    ·提高敏感设备的抗干扰能力。
    在实际的工作中，会有来自成本压力、技术等方面的约束和限制，不可能从三个方面都采取措施，此时，往往以尽可能高的电磁兼容性效费比作为电磁干扰消除或抑制的总的出发点。
    (1)屏蔽
    屏蔽是以某种导电材料或导磁材料制成的屏蔽体将需要防护的区域形成电磁隔离，达到阻隔或减少电磁能传播的一种有效的电磁干扰技术，屏蔽的原理是利用屏蔽体对干扰电磁波的吸收、反射来达到减弱干扰能量的目的。屏蔽能有效抑制通过空间传播的电磁干扰。采用屏蔽的目的有两个：一是限制设备内部的辐射电磁能越出某一区域；二是防止外部的辐射电磁能进入某一区域。
    电控柜中常采用的屏蔽方式有：使用屏蔽电缆屏蔽、隔离板屏蔽、柜体屏蔽。变频器输出电缆采用屏蔽电缆，变频器的控制电缆采用屏蔽线，屏蔽层接地。在电柜中间，常使用金属隔板将强电部分和弱电部分隔离，达到屏蔽的目的。

    (2)滤波
    滤波器被用于保护设备中的电源网络不受干扰的影响、保护电路不受来自电路内部设备的干扰的影响。在滤波器的输入端有用信号和不需要的信号混杂在一起，但输出的则只有有用信号，被滤出的无用信号通过地连接被消耗掉。
    在机柜内安装滤波器时，遵循以下方针，滤波器直接安装到电柜电源输入处，滤波器要用螺钉直接固定在安装板上，让滤波器的金属镀锌板外壳和安装板良好接触，滤波器的输入线不能和输出线或其它信号以及电源线放在一起，滤波器的输入输出线千万不能并排放置。
    (3)接地
    元件安装板必须使用未漆过的镀锌板，机柜内的所有金属接地部件都要连接到一起，滤波器变频器等电气部件要用螺丝直接固定在元件安装板上，柜门和柜体通过接地铜带连接，所有的保护接地导体都必须和大地连接。
    (4)布线
    控制电缆与动力电缆尽量避免长距离平行分布，二者之间要留有一定距离，需要交叉时要从空间上垂直通过。
    (5)空间安排
    从EMC的角度出发进行空间安排，也就是要让各个敏感部件之间能够保持一定距离，以避免耦合的发生，比如将变频器、接触器安装在电柜的左部，将PLC、传感器等安装在电柜的右部，这样一来，系统中的干扰源和敏感设备就会被尽量分开。
    (6)电气隔离
    控制回路采用直流24V,或采用交流隔离变压器将二次回路隔离，减少干扰。

4 实例介绍
    图4是2008年7月制作的扶梯电控柜照片，遵循了上述几个原则，电柜中间是金属隔离板，隔离板左边是强电部分，右边是弱电部分；变频器安装在左边强电区，变频器的左边是进线滤波器，PLC安装在电柜的右部；元件安装版采用镀锌板，所有接地端子和接地线连通。

5 结语
    本文简要介绍了电控柜在电磁兼容设计中采用的一些主要的措施，实际应用过程中，往往要具体问题具体分析，不同的产品要采用不同的方案。