三相电机正反转用固态继电器电磁兼容测试

王 悦

(天津铁路信号有限责任公司，天津 300300)

1 概述

电动车辆减速器控制箱是驼峰编组场[1]电动车辆减速器的控制单元,其中主电路采用了固态继电器技术，作为控制主回路的关键零部件需要对其进行电磁兼容测试，以保证其在控制电机正反转过程中不被外界干扰信号扰乱其正常工作状态。

铁路信号产品要求有高可靠性，同时对电气电子产品的电磁兼容要求较高，所以电磁兼容是电动车辆减速器控制箱用的控制三相电机正反转固态继电器的一项重要试验内容[2]。

所以，天津铁路信号有限责任公司（以下简称公司）对该关键件——固态继电器进行了电磁兼容试验[3]中的脉冲群抗扰度[4]（IEC61000-4-4）、浪涌抗扰度[5]（IEC61000-4-5） 两项试验[6]。

为找到合适的控制三相电机正反转的固态继电器，公司选取实验样品，做大量实验，积累大量试验数据，为固态继电器选型提供依据。主要介绍控制三相电机正反转固态继电器的电磁兼容的测试方法和注意事项，以免误操作发生测试失败，烧毁固态继电器。

2 三相电机正反转用固态继电器概述

电动车辆减速器控制箱使用的交流固态继电器是一种无触点通断电子开关[7，8]，即整个器件无机械可动部件及触点,可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能，同时在输入控制端设置逻辑正反互锁电路，有效防止正反两路可控硅同时导通造成相间短路，保证供电系统、电机及模块本身的安全。

三相电机正反转控制固态继电器由三组端子组成，其中一组为输入控制端，在输入端加上直流或脉冲信号，输出控制端能从关断状态转变成导通状态(无信号时呈阻断状态)，从而控制较大负载；改变输入端正反转信号，可以控制固态继电器的输出相序；另外两组端子为输出受控端，三进三出，在控制的主回路中起到关键的作用。本文测试使用的固态继电器内部原理如图1所示。

图1 三相电机正反转用固态继电器内部原理Fig.1 Internal principle of SSR used for positive and reverse rotation of three-phase motor

3 电磁兼容试验

3.1 试验样品

样品1：一种是带监测电路的固态继电器；样品2：没有任何附加电路的固态继电器。

3.2 试验内容

为测试公司采买的两种控制三相电机正反转固态继电器的电磁兼容性能，特布置以下试验场景，试验示意如图2所示。

3.2.1 试验项目

1）浪涌抗扰度：共模±2 kV、差模±1 kV。

2）脉冲群抗扰度：AC2 kV/5 kHz。

3.2.2 试验条件

1）控制电压：0 V；

2）负载：无；

3）三相输入AC380 V。

图2 试验示意图Fig.2 Schematic diagram EMC test

3.2.3 试验方法

1） 浪涌试验

将经过耦合和去耦网络的电源三相线接在固态继电器的三相输入端，然后通过实验设备依次给固态继电器中的一相施加共模±2 kV干扰信号，试验接线如图3所示。试验结果：两个试验固态继电器样品均在不同试验点时炸裂，具体试验结果如表1所示。在此种试验方法下，两种固态继电器样本均不能通过试验。

图3 浪涌共模接线图Fig.3 Surge common mode connection diagram

表1 浪涌共模试验结果Tab.1 Surge common mode test results

2） 电快速脉冲群试验

同样接线方式，通过实验设备给固态继电器施加AC380 V+ACkV/5 kHz干扰信号，试验结果：两个试验固态继电器样品均在不同试验点时炸裂同时伴随起火现象，具体试验结果如表2所示。

表2 电快速脉冲群试验结果Tab.2 Electrical fast pulse group test results

3.2.4 试验结果分析

通过上述两个试验结果和试验过程中的现象，分析比较两个样品的区别，发现：

样品1：两项试验均不通过是因为在三相电源输入端口处厂家增加了监测电路，该监测电路不能承受干扰信号而导致固态继电器炸裂。

样品2：

1)固态继电器电源端口A1在对地进行浪涌和电快速脉冲群试验过程中，无异样发生，试验正常通过；

2)浪涌共模试验过程中，在电源端口B1对地的共模试验时，固态继电器内部电路导致正在做试验的B1电源与另一相C1之间引入了差模（干扰信号为±2 kV）信号，最终导致固态继电器不能承受高的干扰信号而炸裂。分析原因是因为A相与B、C相之间是独立存在的，在试验过程中不会引入差模信号，B、C两相之间有保护电路导致不能承受2 kV的干扰信号而使试验失败。为验证以上说法，在第3.3节进行变换试验方法再次试验；

3) 电快速脉冲群试验主要是做共模性质的干扰试验， 由于A相与B、C相之间是独立关系，在A相对地之间加入干扰信号，不会与B相或C相之间产生2 kV差模信号，所以A相对地试验通过；由于B、C相之间没有隔离，所以在做B相对地的电快速脉冲群试验过程中，对C相产生了差模信号，反之亦然，导致试验不通过。

3.3 再试验

通过第3.2节的试验，分析该种固态继电器电磁兼容（浪涌和电快速脉冲群）试验与其他电路测试方法不同，所以决定采用样品2，同时变换试验方法，在试验项目不变的情况下再次进行试验，以验证3.2.4节的结果分析。

3.3.1 试验内容

1） 浪涌试验 共模 2 kV

固态继电器A1、B1、C1相互之间短接，并接入经过耦合和去耦网络的电源的一相电源线同时给固态继电器的三相电源端口浪涌冲击2 kV干扰信号。试验结果：固态继电器样品2通过该项试验。

2） 浪涌试验 差模 1 kV

接线如图4所示，接入经过耦合和去耦网络的电源A，B相接入固态继电器输入端A1和B1，C相不接，启动试验设备引入1 KV差模信号，进行试验。该步试验成功后，依次做A1、C1相和B1、C1相；试验结果：固态继电器样品2通过该项试验。

图4 浪涌差模接线图Fig.4 Surge differential mode connection diagram

3） 脉冲群抗扰度试验 AC2 kV/5 kHz

接入经过耦合和去耦网络的三相电源同时接入固态继电器的A1，B1，C1，手动设置信号给入方式：三相同时进行电快速脉冲群信号（AC2 kV/5 kHz），试验结果：固态继电器样品2通过该项试验。

4） 脉冲群抗扰度试验 AC1 kV/5 kHz

在3.2.3试验脉冲群抗扰度试验中，固态继电器无法通过AC2 kV/5 kHz测试，为更好摸清固态继电器特性增加以下试验内容。设置干扰信号由AC2 kV/5 kHz变为AC 1kV/5 kHz，给入方式为 ：A1、B1、C1、A1+B1、A1+C1、C1+B1分 别 对PE。试验结果：固态继电器样品2通过该项试验。

3.3.2 试验结果分析

1） 共模2 kV浪涌试验,实验前可以将固态继电器三相输入端短接，然后由实验设备给出干扰信号，这样B、C两相之间不会引入差模2 kV干扰信号，试验可以通过；同理，试验设备可以同时给固态继电器三相输入端干扰信号（端口不短接），也可以避免引入差模信号。

2） 脉冲群抗扰度（AC2 kV/5 kHz）测试与共模2 kV浪涌试验测试方法一致，干扰信号可以同时给入固态继电器三相输入端，不会使B，C相间引入差模干扰信号，造成试验失败。

3） 脉冲群抗扰度（AC1 kV/5 kHz）测试发现：相间不能承受AC2 kV/5 kHz干扰信号，但可以承受AC1 kV/5 kHz干扰信号，所以在测试脉冲群抗扰度时，要了解固态继电器内部电路，然后选取适宜参数测试，不能将同样的干扰信号随意加在测试回路中。

4 试验总结

1) 控制三相电机正反转的固体继电器的电磁兼容不同于每条回路都是独立的固态继电器，厂家在考核其电磁兼容耐受性时一定要选择正确的接线方式和信号幅值，以免烧毁器件。

2) 产品内部结构的变化直接影响到产品的EMC 性能。如：内部PCB的排版设计、输入输出之间的走线和元件的摆放位置等。

3) 厂家选购控制电机正反转三相固态继电器时不能盲目，一定要根据产品需要选择适合的参数，否则无法通过电磁兼容测试，影响产品在特定环境中的使用效果。