王 悅

(天津鐵路信號有限責任公司，天津 300300)

1 概述

電動車輛減速器控制箱是駝峰編組場[1]電動車輛減速器的控制單元,其中主電路采用了固態(tài)繼電器技術，作為控制主回路的關鍵零部件需要對其進行電磁兼容測試，以保證其在控制電機正反轉(zhuǎn)過程中不被外界干擾信號擾亂其正常工作狀態(tài)。

鐵路信號產(chǎn)品要求有高可靠性，同時對電氣電子產(chǎn)品的電磁兼容要求較高，所以電磁兼容是電動車輛減速器控制箱用的控制三相電機正反轉(zhuǎn)固態(tài)繼電器的一項重要試驗內(nèi)容[2]。

所以，天津鐵路信號有限責任公司（以下簡稱公司）對該關鍵件——固態(tài)繼電器進行了電磁兼容試驗[3]中的脈沖群抗擾度[4]（IEC61000-4-4）、浪涌抗擾度[5]（IEC61000-4-5） 兩項試驗[6]。

為找到合適的控制三相電機正反轉(zhuǎn)的固態(tài)繼電器，公司選取實驗樣品，做大量實驗，積累大量試驗數(shù)據(jù)，為固態(tài)繼電器選型提供依據(jù)。主要介紹控制三相電機正反轉(zhuǎn)固態(tài)繼電器的電磁兼容的測試方法和注意事項，以免誤操作發(fā)生測試失敗，燒毀固態(tài)繼電器。

2 三相電機正反轉(zhuǎn)用固態(tài)繼電器概述

電動車輛減速器控制箱使用的交流固態(tài)繼電器是一種無觸點通斷電子開關[7，8]，即整個器件無機械可動部件及觸點,可實現(xiàn)相當于常用的機械式電磁繼電器一樣的功能，同時在輸入控制端設置邏輯正反互鎖電路，有效防止正反兩路可控硅同時導通造成相間短路，保證供電系統(tǒng)、電機及模塊本身的安全。

三相電機正反轉(zhuǎn)控制固態(tài)繼電器由三組端子組成，其中一組為輸入控制端，在輸入端加上直流或脈沖信號，輸出控制端能從關斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變成導通狀態(tài)(無信號時呈阻斷狀態(tài))，從而控制較大負載；改變輸入端正反轉(zhuǎn)信號，可以控制固態(tài)繼電器的輸出相序；另外兩組端子為輸出受控端，三進三出，在控制的主回路中起到關鍵的作用。本文測試使用的固態(tài)繼電器內(nèi)部原理如圖1所示。

圖1 三相電機正反轉(zhuǎn)用固態(tài)繼電器內(nèi)部原理Fig.1 Internal principle of SSR used for positive and reverse rotation of three-phase motor

3 電磁兼容試驗

3.1 試驗樣品

樣品1：一種是帶監(jiān)測電路的固態(tài)繼電器；樣品2：沒有任何附加電路的固態(tài)繼電器。

3.2 試驗內(nèi)容

為測試公司采買的兩種控制三相電機正反轉(zhuǎn)固態(tài)繼電器的電磁兼容性能，特布置以下試驗場景，試驗示意如圖2所示。

3.2.1 試驗項目

1）浪涌抗擾度：共?！? kV、差?！? kV。

2）脈沖群抗擾度：AC2 kV/5 kHz。

3.2.2 試驗條件

1）控制電壓：0 V；

2）負載：無；

3）三相輸入AC380 V。

圖2 試驗示意圖Fig.2 Schematic diagram EMC test

3.2.3 試驗方法

1） 浪涌試驗

將經(jīng)過耦合和去耦網(wǎng)絡的電源三相線接在固態(tài)繼電器的三相輸入端，然后通過實驗設備依次給固態(tài)繼電器中的一相施加共?！? kV干擾信號，試驗接線如圖3所示。試驗結(jié)果：兩個試驗固態(tài)繼電器樣品均在不同試驗點時炸裂，具體試驗結(jié)果如表1所示。在此種試驗方法下，兩種固態(tài)繼電器樣本均不能通過試驗。

圖3 浪涌共模接線圖Fig.3 Surge common mode connection diagram

表1 浪涌共模試驗結(jié)果Tab.1 Surge common mode test results

2） 電快速脈沖群試驗

同樣接線方式，通過實驗設備給固態(tài)繼電器施加AC380 V+ACkV/5 kHz干擾信號，試驗結(jié)果：兩個試驗固態(tài)繼電器樣品均在不同試驗點時炸裂同時伴隨起火現(xiàn)象，具體試驗結(jié)果如表2所示。

表2 電快速脈沖群試驗結(jié)果Tab.2 Electrical fast pulse group test results

3.2.4 試驗結(jié)果分析

通過上述兩個試驗結(jié)果和試驗過程中的現(xiàn)象，分析比較兩個樣品的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)：

樣品1：兩項試驗均不通過是因為在三相電源輸入端口處廠家增加了監(jiān)測電路，該監(jiān)測電路不能承受干擾信號而導致固態(tài)繼電器炸裂。

樣品2：

1)固態(tài)繼電器電源端口A1在對地進行浪涌和電快速脈沖群試驗過程中，無異樣發(fā)生，試驗正常通過；

2)浪涌共模試驗過程中，在電源端口B1對地的共模試驗時，固態(tài)繼電器內(nèi)部電路導致正在做試驗的B1電源與另一相C1之間引入了差模（干擾信號為±2 kV）信號，最終導致固態(tài)繼電器不能承受高的干擾信號而炸裂。分析原因是因為A相與B、C相之間是獨立存在的，在試驗過程中不會引入差模信號，B、C兩相之間有保護電路導致不能承受2 kV的干擾信號而使試驗失敗。為驗證以上說法，在第3.3節(jié)進行變換試驗方法再次試驗；

3) 電快速脈沖群試驗主要是做共模性質(zhì)的干擾試驗， 由于A相與B、C相之間是獨立關系，在A相對地之間加入干擾信號，不會與B相或C相之間產(chǎn)生2 kV差模信號，所以A相對地試驗通過；由于B、C相之間沒有隔離，所以在做B相對地的電快速脈沖群試驗過程中，對C相產(chǎn)生了差模信號，反之亦然，導致試驗不通過。

3.3 再試驗

通過第3.2節(jié)的試驗，分析該種固態(tài)繼電器電磁兼容（浪涌和電快速脈沖群）試驗與其他電路測試方法不同，所以決定采用樣品2，同時變換試驗方法，在試驗項目不變的情況下再次進行試驗，以驗證3.2.4節(jié)的結(jié)果分析。

3.3.1 試驗內(nèi)容

1） 浪涌試驗 共模 2 kV

固態(tài)繼電器A1、B1、C1相互之間短接，并接入經(jīng)過耦合和去耦網(wǎng)絡的電源的一相電源線同時給固態(tài)繼電器的三相電源端口浪涌沖擊2 kV干擾信號。試驗結(jié)果：固態(tài)繼電器樣品2通過該項試驗。

2） 浪涌試驗 差模 1 kV

接線如圖4所示，接入經(jīng)過耦合和去耦網(wǎng)絡的電源A，B相接入固態(tài)繼電器輸入端A1和B1，C相不接，啟動試驗設備引入1 KV差模信號，進行試驗。該步試驗成功后，依次做A1、C1相和B1、C1相；試驗結(jié)果：固態(tài)繼電器樣品2通過該項試驗。

圖4 浪涌差模接線圖Fig.4 Surge differential mode connection diagram

3） 脈沖群抗擾度試驗 AC2 kV/5 kHz

接入經(jīng)過耦合和去耦網(wǎng)絡的三相電源同時接入固態(tài)繼電器的A1，B1，C1，手動設置信號給入方式：三相同時進行電快速脈沖群信號（AC2 kV/5 kHz），試驗結(jié)果：固態(tài)繼電器樣品2通過該項試驗。

4） 脈沖群抗擾度試驗 AC1 kV/5 kHz

在3.2.3試驗脈沖群抗擾度試驗中，固態(tài)繼電器無法通過AC2 kV/5 kHz測試，為更好摸清固態(tài)繼電器特性增加以下試驗內(nèi)容。設置干擾信號由AC2 kV/5 kHz變?yōu)锳C 1kV/5 kHz，給入方式為 ：A1、B1、C1、A1+B1、A1+C1、C1+B1分 別 對PE。試驗結(jié)果：固態(tài)繼電器樣品2通過該項試驗。

3.3.2 試驗結(jié)果分析

1） 共模2 kV浪涌試驗,實驗前可以將固態(tài)繼電器三相輸入端短接，然后由實驗設備給出干擾信號，這樣B、C兩相之間不會引入差模2 kV干擾信號，試驗可以通過；同理，試驗設備可以同時給固態(tài)繼電器三相輸入端干擾信號（端口不短接），也可以避免引入差模信號。

2） 脈沖群抗擾度（AC2 kV/5 kHz）測試與共模2 kV浪涌試驗測試方法一致，干擾信號可以同時給入固態(tài)繼電器三相輸入端，不會使B，C相間引入差模干擾信號，造成試驗失敗。

3） 脈沖群抗擾度（AC1 kV/5 kHz）測試發(fā)現(xiàn)：相間不能承受AC2 kV/5 kHz干擾信號，但可以承受AC1 kV/5 kHz干擾信號，所以在測試脈沖群抗擾度時，要了解固態(tài)繼電器內(nèi)部電路，然后選取適宜參數(shù)測試，不能將同樣的干擾信號隨意加在測試回路中。

4 試驗總結(jié)

1) 控制三相電機正反轉(zhuǎn)的固體繼電器的電磁兼容不同于每條回路都是獨立的固態(tài)繼電器，廠家在考核其電磁兼容耐受性時一定要選擇正確的接線方式和信號幅值，以免燒毀器件。

2) 產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化直接影響到產(chǎn)品的EMC 性能。如：內(nèi)部PCB的排版設計、輸入輸出之間的走線和元件的擺放位置等。

3) 廠家選購控制電機正反轉(zhuǎn)三相固態(tài)繼電器時不能盲目，一定要根據(jù)產(chǎn)品需要選擇適合的參數(shù)，否則無法通過電磁兼容測試，影響產(chǎn)品在特定環(huán)境中的使用效果。