Tianjin University of Technology and Education

天津职业技术师范大学2011本科生毕业设计（论文）1第一章绪论1.1电磁干扰1.电磁干扰的定义（1）电磁骚扰（EMD,ElectroMagneticDisturbance）电磁骚扰是“任何可能引起装置、设备或系统性能降级或对有生命或对无生命物质产生作用的电磁现象。电磁骚扰可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化”。（2）电磁干扰（EMI,ElectroMagneticInterference）电磁干扰是“电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降”。电磁骚扰仅仅是电磁现象，即客观存在的一种物理现象，它可能引起设备性能的降级或损害，但不一定已经形成后果。而电磁干扰是由电磁骚扰引起的后果。过去在术语上并未将物理现象与其造成的后果明确划分，统称为干扰（Interference）.IECS0(161)于1990年发布后，引入了Disturbance这一术语（中文译为“骚扰”），给出了明确的区分。但是为了方便，通常人们在分析电磁干扰问题时常常是与电磁骚扰联系在一起讨论，或统称为电磁干扰。2.电磁干扰（骚扰）源的分类电磁干扰的分类可以有很多种方法，例如，按传播途径分，有传导干扰和辐射干扰，其中传导干扰的传输性质有电耦合、磁耦合及电磁耦合；按辐射干扰的传输性质分，有近区场感应耦合和远区场辐射耦合；按频带分，由窄带干扰和宽带干扰；按干扰频率范围分，可细分为五种（见表1—1）；按实施干扰者的主观意向分，可分为有意干扰源和无意干扰源。按干扰源性质分，有自然干扰和人为干扰（如图1-1所示），等等。表1—1电磁干扰的频率范围分类天津职业技术师范大学2011本科生毕业设计（论文）2输电车开家工电气辆关用业线化点系、、铁火统办科路系公学统用、电医器疗设备无意发射干扰有意发射干扰广电通雷导播视信达航人为干扰自然干扰大雷宇热气电宙噪干干干声扰扰扰电磁干扰源图1-1电磁干扰源分类3.电磁干扰的三要素所有的电磁干扰都是由3个基本要素组合而产生的，它们是：电磁干扰源；对该干扰能量敏感的设备；将电磁干扰源传输到敏感设备的媒介，即传输通道或耦合途径。相应地对抑制所有的电磁干扰的方法也应由这三个要素着手解决。（1）电磁干扰源：指产生电磁干扰的任何元件、器件、设备、系统或自然现象。（2）耦合途径（或称传输通道）：指将电磁干扰能量传输到干扰设备的通道或媒介。（3）敏感设备：指受到电磁干扰影响，或者说对电磁干扰发生响应的设备。1.2电磁兼容电磁兼容（EMC,ElectroMagneticCompatinility）一般指电器及电子设备在天津职业技术师范大学2011本科生毕业设计（论文）3共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的各种设备都能正常工作又互不干扰，达到“兼容”状态。换句话说，电磁兼容是指电子线路、设备、系统相互不影响，从电磁角度具有相容性的状态。相容性包括设备内电路模块之间的相容性、设备之间的相容性和系统之间的相容性。我国国家军用标准GJB72—85《电磁干扰和电磁兼容性名词术语》中给出了电磁兼容性的定义为“设备（分系统、系统）在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态，即：该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其它设备的电磁发射而导致或遭受不允许的性能降级，它也不会使同一电磁环境中其他设备（分系统、系统）因受其电磁发射而导致或遭受不允许的性能降级”。可见，从电磁兼容的观点出发，除了要求设备（分系统、系统）能按设计要求完成其功能外，还要求设备（分系统、系统）有一定的抗干扰能力。不产生超过规定限度的电磁干扰。国际电工技术委员会（IEC）认为，电磁兼容是一种能力的变现。IEC给出的电磁兼容性定义为：“电磁兼容性是设备的一种能力，它在其电磁环境中能完成自身的功能，而不致于在其环境中产生不允许的干扰”。进一步讲，电磁兼容学是研究在有限的空间、有限的时间、有限的频谱资源条件下，各种用电设备或系统(广义的还包括生物体)可以共存，并不致引起性能降级的一门学科。电磁兼容的理论基础涉及数学、电磁场理论、电路基础、信号分析等学科与技术，其应用范围又几乎涉及到所有用电领域。由于其理论基础宽、工程实践综合性强、物理现象复杂，所以在观察与判断物理现象或解决实际问题时，实验与测量具有重要的意义。对于最后的成功的验证，也许没有任何其他领域像电磁兼容那样强烈地依赖于测量。在电磁兼容领域中，我们所面对的研究对象（主要指电磁噪声）无论时域特性还是频域特性都十分复杂。此外，研究对象的频谱范围非常宽，使得电路中的集中参数与分布参数同时存在，近场与远场同时存在，传导与辐射同时存在，为了在国际上对这些物理现象有统一的评价标准和统一实现设备或系统电磁兼容的技术要求，对测量设备与设施的特性以及测量方法等均予以严格的规定，并制定了大量的技术标准。在国际上正在掀起一个电磁兼容要求法规化、电磁兼容技术标准国标化及推行电磁兼容强制性认证的热潮。1.3数控机床的电磁干扰所谓干扰，就是有用信号以外的噪声对系统产生的影响，干扰主要分内部干和外部干扰。内部干扰有：1、信号相互间串扰2、元器件布局不合理，元件质量差。天津职业技术师范大学2011本科生毕业设计（论文）43、相邻回路的耦合。4、数字地和模拟地的影响。5、寄生振荡。外部干扰主要有：1、电磁干扰，包括近距离系统附近用电设备通断，过往车辆，电磁波等。2、供电电源波动影响。3、环境干扰、振动、温湿度等。内部干扰与数控系统制造有关，它可以通过精心设计，尽可能消除和抑制。进口机床都能做到这点，而外部干扰则是随机的，与NC结构无关，一般对干扰源还难以限制，只能对具体情况采取防范措施。外部干扰耦合方式主要有：1、公共阻抗耦合方式。由地线系统接地点不同，引起公共阻抗，就不可避免地产生共阻抗耦合的干扰。2、静电耦合方式。就是电场通过电容耦合途径，窜入共它线路的干扰。3、电磁感应耦合方式。由于动力线与信号线间存在互感磁场，而在NC系统中的闭合回路产生感应电势，也就是干扰电压。4、漏电耦合方式：主要由于相邻导线间或一些耦合电容绝缘电阻降低，干扰通过导体间电阻传到信号线上干扰源通过干扰途径对使用设备发出干扰，因此抑制干扰也就从以下三个方面着手。1、对干扰源采用滤波、阻尼、屏散、去耦等手段降低干扰源作用。2、对干扰途径采用隔离、屏散、阻抗匹配和平衡配线，电路去耦等多种措施。3、对受扰设备可采用提高信噪比、增大开关时间，提高功率等级、实行电源和信号滤波等多种方式。1.4数控机床对电磁兼容的要求电磁兼容性（EMC）是电气设备产生的电磁骚扰不应超过其预期使用场合允许的水平；设备对电磁骚扰应有足够的抗扰度水平，以保证电气设备在预期使用环境中可以正确运行。电磁兼容的主要内容是围绕造成干扰的三要素进行的，即电磁骚扰源、传输途径和敏感设备。数控系统一般在电磁环境较恶劣的工业现场使用，为了保证系统在此环境中能够正常工作，系统必须达到JB/T8832—2001“机床数控系统通用技术条件”中的电磁兼容性要求。因此数控机床对电磁兼容的要求如下：天津职业技术师范大学2011本科生毕业设计（论文）51.电压暂降和短时中断抗扰度数控系统运行时，在交流输入电源任意时间电压幅值降为额定值的70%，持续时间500ms，相继降落间隔时间为10s；在交流输入电源任意时间电压短时中断3ms，相继中断间隔时间为10s。电压暂降和短时中断各进行3次，数控系统应能正常工作。2.浪涌（冲击）抗扰度数控系统运行时，分别在交流输入电源相线之间叠加峰值为1KV的浪涌（冲击）电压；在交流输入电源相线与保护接地端（PE）间叠加峰值为2KV浪涌（冲击）电压。浪涌（冲击）重复率为1次/min，极性为正/负极。试验时正/负各进行5次，数控系统应能正常工作。3.电快速瞬变脉冲群抗扰度(1)数控系统运行时，分别在交流供电电源端和保护地端（PE）之间，加入峰值2KV、重复频率5KHz脉冲群，时间1min。试验时，数控系统能正常工作。(2)数控系统运行时，在I/O信号、数据和控制端口电缆上用耦合夹加入峰值1KV，重复频率5KHz脉冲群，时间1min。试验时，数控系统能正常工作。4.静电放电抗扰度数控系统运行时，对操作人员经常触及的所有部位和保护地端（PE）之间进行静电放电试验，接触放电电压6KV，空气放电电压8KV，试验中数控系统能正常运行。第二章数控机床中常见的干扰源2.1谐波干扰2.1.1谐波产生的机理常用的变频器主要有交流—直流—交流模式和交流—交流模式。根据工作原理分析，这2种模式变频器在工作时都会产生高次谐波。交流—直流—交流模式变频器输入侧为三相桥式整流电路，电流波形为矩形波，常含有61n(n=1,2,3,…)次高次谐波。设a为延时角；dI为直流电路电流；sX为每相电源侧电抗；dsE为空载直流电压平均值；sU为电源线电压；nI为n次高次谐波电流；sQ为电源设备容量；sV为电源线电压；nK为n次高次谐波电流占有率；k′为谐波次数0'6(21)ikkn，n取整数；i为输入电源频率；0为输出正弦电压频率。如果电源侧电抗充分小，电流上升期间的角度可以忽略，则次高次谐波电流天津职业技术师范大学2011本科生毕业设计（论文）6为基波电流的1n，称为换流重叠角，与交流回路电抗和直流回路电流等有关可表示如下：arccos[cos6()]sddsuaaXIE1.35dssEU高次谐波的电流可表示如下：3101003snnsQKIV交流—交流模式变频器输出谐波电压可表示如下：00sin(')cos(')ukskxuAktAkt00sin['(21)120]cos['(21)120]vkskxuAktnAktn00sin['(21)120]cos['(21)120]wkskxuAktnAktn2.1.2谐波干扰途径变频器整流产生的高次谐波，在其输入端将使电源的电压波形和电流波形发生畸变，对与其共电源的其它设备直接造成干扰。其输出端的高次谐波，通过感应、辐射和地线系统等途径，对相关联设备亦造成干扰。高次谐波主要通过以下途径对其它设备造成干扰：a.静电耦合干扰。静电耦合干扰是由于干扰源电缆和周围线路间的杂散电容耦合而形成的，其大小正比于杂散电容。b.电磁感应干扰。由于变频器电源电缆产生的磁通变化在周围线路中感应出电势，从而形成感应干扰。其大小取决于干扰电缆间生成的磁通大小，控制线路形成的闭环面积和二者间相对角度。c.电磁场辐射干扰。变频器辐射的电磁场在周围线路中感应而产生的干扰。干扰电势大小取决于电磁场的大小和辐射源与受感物间的距离。d.电源线传导干扰。当变频器和其它设备共用电源时，将对其它设备直接产生干扰。变频器产生的谐波辐射干扰能量主要是经电源线和电机电缆线的传导向外传播的。按其辐射强度排列如下：a.电机电缆线。连接电机的电缆线有较强的电磁干扰电流，但它对周围产生的电磁干扰随距离的增加而迅速衰减。b.电源线。电源线上的电磁干扰电压比电机电缆线上的要低，但电源线布线长，天津职业技术师范大学2011本科生毕业设计（论文）7面积大，相当于一个发射天线。电磁干扰也经传导途径对电网上的其它设备产生影响，因此电源线是电磁干扰的主要传播源。c.接地线。变频器及电机机座的接地线间存在着电磁干扰电压。变频器输出端有电磁干扰电流，电机电缆和绕组对地的分布电容对电磁干扰电流呈低阻抗，因而电磁干扰电流经过地和变频器接地线流回变频器，故处在变频器和电机接地点附近的电气设备易受到电磁干扰的影响。2.1.3谐波抑制实例一．对编码器的干扰变频器在工作时输出的高次谐波在编码器工作时将叠加到其输出的矩形脉冲上。若使用这些叠加了高次谐波的矩形脉冲作为触发脉冲，则必然会引起测速偏差。当这些干扰尖峰到来时，系统将尖峰的上升沿误认为是矩形脉冲的上升沿而引起误触发，这样在某些区段内原本应该只触发记数1次，但在这些突变尖峰的作用下变成2次甚至多次记数，从而引起误记数，据此求取转速必将得出错误的测速结果。为了提高抗干扰能力，编码器信号线均采用屏蔽线，且屏蔽层在编码器内部与编码器壳体相连，另一端又与机床