电气干扰与抗干扰

电气干扰与抗干扰前言本次讲座为电气信号传递过程中所受的干扰进行分析讨论并介绍常见的信号传递的抗干扰措施。有的地方有称做电磁兼容和电磁干扰（EMC或EMI)。电气干扰所涉及面非常广，关于这方面的书籍有很多。我们只能做简要的介绍。电气干扰可以分为两类：受外界的干扰和对外界的干扰。同样抗干扰措施也是围绕这两个方面展开的。抗干扰措施还包含如何抵御外部的干扰，和如何降低自身各部分间的相互干扰。（一）干扰源：1.电源干扰电源干扰是一种很复杂的干扰,产生的原因是多样的,并包括了许多可变的因素，反映出干扰的形式也是多种多样，但从干扰的方式上可归为共模干扰和差模干扰两类。共模干扰是由电源输入线对大地或中线对大地之间的电压差所形成的。对于三相电源而言，共模干扰存在于任何一相与地之间。共模干扰又称共态干扰、对地干扰和不对称干扰。差模干扰存在于电源线间、线与中线间，对于三相电源还存在于相线与相线之间。我国工频电采用的标准是50Hz，但是在电网中由于使用各种用电设备带来的各种干扰源会使电源波形发生畸变，电源中会含有多种高次谐波，高次谐波容易使电机颤振、用电设备过热，从而使设备不能正常运转。直流电源也不是理想的直流电源，存在纹波，而很多电子器件对需要限制，纹波超出限定值会使设备不能正常工作。2．2电磁干扰在介绍电磁干扰之前，我们先介绍电磁兼容。（ElectromagneticCompatibility简称EMC）。电磁兼容(EMC)最浅显的解释是“电磁环境中共存的能力”。电磁干扰进入设备可分为二大类、即传导和辐射。辐射干扰：干扰信号是通过电磁波辐射传播的。传导干扰：干扰信号是通过干扰源和被干扰设备之间的公共阻抗进行传播的。以上二种干扰传播方式可能互相转换，辐射干扰可以通过导线转换成为传导干扰，而传导干扰又可通过导线形成辐射干扰。(1)干扰传播方式干扰源传播途径和传播的方式通过干扰的耦合通道来完成，干扰耦合通道主要有二种，一种是金属导线,即传导干扰。另一种是通过空间场，即辐射干扰。(2)干扰的耦合方式①共阻抗耦合当两个设备的电流流经一个公共阻抗时，电流在阻抗上产生的电压降会影响到另一个设备。②电感性耦合又称电磁耦合或磁场耦合，它是由两个电路之间的互感，使一个电路的电流变化并通过磁场链影响到另一个电路。③电容性耦合又称为静电耦合或电场耦合，它是由于二个电路之间存在着分布电容，使一个电路的电荷影响另一个电路，如印制线路板上的印制电路之间，变压器初、次级之间，都会存在这种分布电容，通过电容干扰传播到设备内。3.常见的抗干扰措施根据电气干扰的来源和干扰途径，常用的抗干扰措施有：科学布局、滤波、电气隔离、屏蔽、接地、合适的信号传递方式。3.1科学布局科学布局的方法包含通过选择合适的安装地点来降低设备所收的外界干扰，和合理对设备布局来增强设备的抗干扰能力。离干扰源越远所收到辐射的能量越小，导线越短时所收到的辐射干扰越小。可以通过远离干扰源的方式，发现较强的干扰源，在条件允许的情况下远离干扰源。尽量缩短设备见的连线，信号线越短越不容易收到外界的干扰。3.2滤波是利用滤波器来抑制传导干扰，大部分用于抑制低频或中频干扰，抑制的频率可达300MHz。滤波器是由集中参数的电阻、电感和电容，或者是分布参数的电阻、电容和电感构成的一种网络，这种网络只允许某些频率通过，而阻止其它的频率通过以达到抑制电磁干扰的目的。常用的滤波器有T型滤波器，π型滤波器，L型滤波器及C型滤波器、电容低通滤波器和电感低通滤波器等。在采用滤波方法抑制传导干扰时，首先要了解干扰源的频谱，干扰源在频带中的分布情况，干扰波的幅值等，可以通过干扰仪器来检测，获得干扰源的频带分布和幅值，有针对性地选择滤波器的种类或者针对性地设计滤波器。对于220V交流电源我们推荐图1.[3]所示电路图滤除高次谐波。此图是一50Hz带通滤波器。咱们公司的低压无功补偿器可以看作低通滤波器，电抗和电容串联的设备是带阻滤波器（现在可画草图看看）。用直流作电源的电子器件在电源处并联一个1000p—1u的电容可以滤除直流电源中存在的高频纹波。3.3隔离经导线传输是干扰传输的主要方式，经导线引入表现为干扰经电源线、信号线、控制线入侵。经电源线入侵我们已经在前面介绍。经信号线和控制线入侵的干扰一般可以采用光电器件隔离或脉冲变压器隔离。对模拟输入信号，还可以用专门隔离放大器隔离，我们将信号的输入回路与主回路在电气上隔离。利用光或磁来耦合输入信号。光电耦合和变压器隔离已经为广大工程技术人员所熟悉。在我们公司能见到的隔离器件为光耦TCP521和可控硅中采用的隔离隔离变压器。3.4屏蔽屏蔽是限制内部的电磁能量越出某一区域和防止外来的能量进入某一区域。一般常用于限制隔离和衰减辐射干扰，屏蔽的实质是由具有良好导电性能的金属材料制成的一个全封闭的壳体。常见的措施有将器件装入软磁材料（如铁板）制成的金属壳内。还有广泛采用屏蔽电缆传递电信号。①屏蔽体单端接地，有时也称为静电屏蔽。②当干扰电场很强而电路灵敏度又高时，可采用双层屏蔽。注意：内外屏蔽层之间只能一点连接，且要加滤波电路，两层之间距离应尽可能大。③传输线用电缆进行可采用编织、包扎、金属皮屏蔽三种屏蔽方式。编织电缆柔性好，易弯曲，寿命长，直流电阻少，在低频应用较好，包扎电缆由螺线组成，适合在视频使用。缺点是有电感，金属屏蔽电缆外加料层，隔离性强，作用距离长，柔性小，适用于射频。它们几种也可以组合。3.5接地。接地的作用概括起来只有两种：保护人和设备不受损害的保护接地和为了抑制电磁干扰的接地即工作接地。在此只讨论工作接地的问题，工作接地是为了使变频控制系统及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度而设的接地。在高压变频器信号传递中需要考虑信号回路接地、屏蔽接地，高压变频器用于石化或其他防暴系统中还有本安接地的问题。信号回路接地，如各变频器的负端接地，开关信号的负端接地等。信号地的处理原则上不允许各变送器和其他的传感器在现场接地，而应都将其负端在变频器端子处一点接地。但在有些场合，现场必须接地，这时必须注意原信号的输入端子（上双端）绝对不允许和变频控制系统的接地线有任何电气连线，而变频控制系统在处理这类信号时，必须在前端采用有效的隔离措施屏蔽接地(模拟信号的屏蔽接地)，模拟地是所有的接地中要求最高的一种，高压变频器要求接地电阻小于0.1Ω，需在变频器机柜内部安装模拟地汇流排或其他设施。用户在接线时将屏蔽线分别接到模拟地汇流排上，在机柜底部，用绝缘多股铜线连接到一点，然后将各机柜的汇流排用绝缘多股铜导线或铜条以辐射状连接到接地点。注意各机柜之间的连接电阻需小于1Ω。本安接地，是本安仪表或安全栅的接地。这种接地除了可抑制干扰外，还是使仪表和系统具有本质安全性质的措施之一。本安接地会因采用的设备不同而不同，安全栅的作用是使危险现场端永远处于安全电源和安全电压范围之内。如果现场端短路，由于负载电阻和安全栅电阻R的限流作用，会将导线上的电流限制在安全范围之内，使现场端不至于产生很高的温度，引起燃烧。如果变频器一端产生故障，则高压信号加入信号回路，则由于齐纳二极管的作用，也使电压处于安全范围。3.5合适的信号传递方式可以采取以下的信号传递方式来增强设备的抗干扰能力。在设计系统时选择抗干扰性强的信号传递技术，如优先考虑数字型与电流型信号。数字信号的抗干扰能力远远强于模拟信号。恶劣的电磁环境对信号电缆的影响主要是产生共模电压干扰，电流型信号在传输通路中不会出现在同一回路中各点电流大小不一致的问题，有很强的抗感应式干扰的能力，推荐采用工业上常用的4-20mA信号。当传递数字信号或电平信号时，采用光纤作为传输介质传递信号。以光波的形式传递信号，可以从根本上杜绝信号在传输过程中所受干扰；信号在光纤中以光速传输，光纤传输信号速度快；采用光纤可以节省有色金属-铜，比电缆传输信号经济。咱们公司的MCR用到了光纤传输信号。使用绞线。绞线的绞扭节距把信号线分隔成许多小回路，如果双绞线的绞扭一致，那么这些小回路的面积相等而方向相反，因此其磁场干扰可以相互抵消。但需要说明的是绞线的结构对电场耦合干扰没有抑制能力。当给绞线加上屏蔽层后，其抑制干扰能力更强。结束语信号传递过程中的抗干扰技术时一门实践性很强的技术，经常采用多种技术综合运用。企业里还要讲究效益，实践中需要在降低成本和提高质量中保持平衡。在保证信号传输质量的前提下，保证企业的经济效益。谢谢大家