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发布时间:15-08-31 17:23分类:技术文章 标签:功率分析仪,电磁 一、概述
在电气测量领域,功率分析仪的电磁兼容性显得尤为重要,随着现场测试环境的日益复杂,特别是变频电源的普及,现场的电磁干扰现象越来越严重,导致某些电磁兼容性不好的功率分析仪不能准确测量甚至无法正常运行。这是由于变频电源中IGBT等电子开关的频繁开合,产生大量的高次谐波,这些高次谐波通过连接导线的传导或者空气耦合的方式对设备产生干扰。既然功率分析仪都无法正常运行,那么保证复杂电磁环境下的高精度测量从何谈起呢?由此看出,变频测量电磁环境的特殊性,对功率分析仪的电磁兼容性能提出了更高的要求。
二、提升功率分析仪兼容性措施
1.截断干扰源对干扰源采取电磁屏蔽措施(如变频器),对于功率分析仪来讲,这是一种间接的削弱电磁干扰的方法,通过屏蔽、滤波等措施,削减干扰源对外界产生的电磁干扰强度,对于无意发射干扰源来说,操作起来从理论上说是可行的,但是对于有意发射干扰源来说,比如雷达、导航等无线电设备来说,是不可能实现的。因此采用截断干扰源的方式来避免其对周围环境设备产生超过限值的电磁骚扰,实际实施起来也要分情况考虑,且操作难度较大,不可控。那么对于置身于复杂电磁环境中的功率分析仪来说,不可避免的会通过空气耦合周围环境中存在的电磁波能量,如何减少分析仪所受到的辐射干扰呢?一是通过机箱屏蔽、滤波、接地等措施,降低外界磁场耦合到功率分析仪主要工作电路,保证功率分析仪的正常工作。二是通过相关电路设计,PCB工艺等措施,增强功率分析仪抗骚扰能力。而一般的功率分析仪一般采用直测或者一次互感器变换成小信号后,通过电缆线连接至分析仪端,这样,干扰信号势必会通过信号导线传输至功率分析仪,影响功率分析仪的测量精度与正常工作,而这样的方式,也是绝大部分功率分析仪普遍采用的信号传输方式,这也*是为何不同的功率分析仪在同样的变频测量场合,会测量出不同的结果。电磁兼容性一般包含两个方面,EMI和EMS,即电磁干扰和电磁耐受两方面。一台电磁兼容性好的设备,*要求设备在正常运行的过程中对所在的环境产生的电磁干扰不能超过一定限度,也要求设备对其运行环境中的电磁干扰有一定的抗扰度。干扰源包含自然干扰源和人为干扰源,我们主要关注的是人为干扰源,比如一些能发射电磁能量的装置,如广播、雷达、电机、变频器等设备。
2.辐射干扰
辐射干扰是通过介质以电磁波的形式传播,干扰能量按电磁场的规律向周围空间发射。
3.传导干扰
传导干扰的产生一般是在干扰源与敏感器之间有完整的电路连接,干扰信号沿着这个连接电路传递到敏感器。

EMI——Electro Magnetic Interference 电磁干扰

定义:是指电磁波与电子元件作用后而产生的干扰现象。

分类:有传导干扰和辐射干扰两种。

   传导干扰:

    是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。

   辐射干扰:

    是指干扰源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络。

来源:在高速PCB及系统设计中,高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源,能发射电磁波并影响其他系统或系统内其他子系统的正常工   作。

电磁干扰要素:理论和实践的研究表明,不管复杂系统还是简单装置,任何一个电磁干扰的发生必须具备三个基本条件:首先应具有干扰源;其次有传播干扰能量的途径和通道;第       三必须还有被干扰对象的响应。在电磁兼容性理论中把被干扰对象统称为敏感设备(或敏感器)。

       因此,电磁骚扰源、骚扰传播途径(或传输通道)和敏感设备称为电磁干扰三要素。

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  1、电磁骚扰源分类

  电磁骚扰源的分类方法很多。

  1.1、一般说来电磁干扰源分为两大类:自然干扰源与人为干扰源。

      自然干扰源主要来源于大气层的天电噪声、地球外层空间的宇宙噪声。他们既是地球电磁环境的基本要素组成部分,同时又是对无线电通讯和空间技术造成干扰的干扰      源。自然噪声会对人造卫星和宇宙飞船的运行产生干扰,也会对弹道导弹运载火箭的发射产生干扰。

      人为干扰源是有机电或其他人工装置产生电磁能量干扰,其中一部分是专门用来发射电磁能量的装置,如广播、电视、通信、雷达和导航等无线电设备,称为有意发
射      干扰源。另一部分是在完成自身功能的同时附带产生电磁能量的发射,如交通车辆、架空输电线、照明器具、电动机械、家用电器以及工业、医用射频设备等等。
因此      这部分又成为无意发射干扰源。

  1.2、从电磁干扰属性来分,可以分为功能型干扰源和非功能新干扰源。

      功能性干扰源系指设备实现功能过程中造成对其他设备的直接干扰;

      非功能性干扰源是指用电装置在实现自身功能的同时伴随产生或附加产生的副作用,如开关闭合或切断产生的电弧放电干扰。

  1.3、从电磁干扰信号频谱宽度,可以分为宽带干扰源和窄带干扰源。

      他们是相对于指定感受器的带宽大或小来加以区别的。

      干扰信号的带宽大于指定感受器带宽的成为宽带干扰,反之称为窄带干扰源。

  1.4、从干扰信号的频率范围来分

      可以把干扰源分为工频与音频干扰源(50Hz及其谐波)、甚低频干扰源(30Hz以下)、载频干扰源(10kHz~300kHz)、射频及视频干扰源(300kHz)、微波干      扰源(300MHz~100GHz)。


要:变频器技术是集自动控制、微电子、电力电子、通信等技术于一体的高科技技术。它以很好的调速、节能性能在各行各业中获得了广泛的应用。但随之也带来了一些干扰问题,现场的供电和用电设备会对变频器产生影响,变频器运行时产生的高次谐波也会干扰周围设备的运行。介绍了变频器应用系统中干扰产生的来源及其传播途径,提出了抗干扰的实际解决方法,阐述了在变频器应用系统设计和安装中抑制干扰的具体措施。真正的绿色变频器将会面世。关键词:
变频器干扰 谐波0
引言变频器调速技术是集自动控制、微电子、电力电子、通信等技术于一体的高科技技术。它以很好的调速、节能性能,在各行各业中获得了广泛的应用。由于其采用软启动,可以减少设备和电机的机械冲击,延长设备和电机的使用寿命。随着科学技术的高速发展,变频器以其具有节电、节能、可靠、高效的特性应用到了工业控制的各个领域中,如变频调速在供水、空调设备、过程控制、电梯、机床等方面的应用,保证了调节精度,减轻了工人的劳动强度,提高了经济效益,但随之也带来了一些干扰问题。现场的供电和用电设备会对变频器产生影响,变频器运行时产生的高次谐波也会干扰周围设备的运行。变频器产生的干扰主要有三种:对电子设备的干扰、对通信设备的干扰及对无线电等产生的干扰。对计算机和自动控制装置等电子设备产生的干扰主要是感应干扰。如果变频器的干扰问题解决不好,不但系统无法可靠运行,还会影响其他电子、电气设备的正常工作。因此有必要对变频器应用系统中的干扰问题进行探讨,以促进其进一步的推广应用。下面主要讨论变频器的干扰及其抑制方法。1
变频调速系统的主要电磁干扰源及途径1.1
主要电磁干扰源电磁干扰也称电磁骚扰,是以外部噪声和无用信号在接收中所造成的电磁干扰,通常是通过电路传导和磁场的形式传播的。变频器的整流桥对电网来说是非线性负载,它所产生的谐波会对同一电网的其他电子、电气设备产生谐波干扰。另外,变频器的逆变器大多采用PWM
技术,当其工作于开关模式并作高速切换时,产生大量耦合性噪声。因此,变频器对系统内其他的电子、电气设备来说是一个电磁干扰源。另一方面,电网中的谐波干扰主要通过变频器的供电电源干扰变频器。电网中存在大量谐波源,如各种整流设备、交直流互换设备、电子电压调整设备、非线性负载及照明设备等。这些负荷都使电网中的电压、电流产生波形畸变,从而对电网中其他设备产生危害的干扰。变频器的供电电源受到来自被污染的交流电网的干扰后,若不加以处理,电网噪声就会通过电网的电源电路干扰变频器。供电电源对变频器的干扰主要有过压、欠压、瞬时掉电;浪涌、跌落;尖峰电压脉冲;射频干扰。其次,共模干扰通过变频器的控制信号线也会干扰变频器的正常工作。1.2
电磁干扰的途径变频器能产生功率较大的谐波,对系统其他设备干扰性较强。其干扰途径与一般电磁干扰途径是一致的,主要分电磁辐射、传导、感应耦合。具体为:①
对周围的电子、电气设备产生电磁辐射;②
对直接驱动的电动机产生电磁噪声,使得电动机铁耗和铜耗增加,并传导干扰到电源,通过配电网络传导给系统内其他设备;③
变频器对相邻的其他线路产生感应耦合,感应出干扰电压或电流。同样,系统内的干扰信号通过相同的途径干扰变频器的正常工作。1.2.1
电磁辐射变频器如果不是处在一个全封闭的金属外壳内,它就可以通过空间向外辐射电磁波。其辐射场强取决于干扰源的电流强度、装置的等效辐射阻抗以及干扰源的发射频率。变频器的整流桥对电网来说是非线性负载,它所产生的谐波对接入同一电网的其它电子、电气设备产生谐波干扰。变频器的逆变桥大多采用PWM
技术,当根据给定频率和幅值指令产生预期的和重复的开关模式时,其输出的电压和电流的功率谱是离散的,并且带有与开关频率相应的高次谐波群。高载波频率和场控开关器件的高速切换所引起的辐射干扰问题相当突出。当变频器的金属外壳带有缝隙或孔洞,则辐射强度与干扰信号的波长有关,当孔洞的大小与电磁波的波长接近时,会形成干扰辐射源向四周辐射。而辐射场中的金属物体还可能形成二次辐射。同样,变频器外部的辐射也会干扰变频器的正常工作。1.2.2
传导上述的电磁干扰除了通过与其相连的导线向外部发射,也可以通过阻抗耦合或接地回路耦合将干扰带入其它电路。与辐射干扰相比,其传播的路程可以很远。比较典型的传播途径是:接自工业低压网络的变频器所产生的干扰信号将沿着配电变压器进入中压网络,并沿着其它的配电变压器最终又进入民用低压配电网络,使接自民用配电母线的电气设备成为远程的受害者。1.2.3
感应耦合感应耦合是介于辐射与传导之间的第三条传播途径。当干扰源的频率较低时,干扰的电磁波辐射能力相当有限,而该干扰源又不直接与其它导体连接,但此时的电磁干扰能量可以通过变频器的输入、输出导线与其相邻的其他导线或导体产生感应耦合,在邻近导线或导体内感应出干扰电流或电压。感应耦合可以由导体间的电容耦合的形式出现,也可以由电感耦合的形式或电容、电感混合的形式出现,这与干扰源的频率以及与相邻导体的距离等因素有关。2
抗电磁干扰的措施据电磁学基本原理,形成电磁干扰须具备电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统等3个要素。为防止干扰,可采用硬件和软件的抗干扰措施。其中,硬件抗干扰是最基本和最重要的抗干扰措施,一般从抗和防两方面入手来抑制干扰,其总原则是抑制和消除干扰源、切断干扰对系统的耦合通道、降低系统对干扰信号的敏感性。具体措施在工程上可采用隔离、滤波、屏蔽、接地等方法。2.1
隔离所谓干扰的隔离是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来,使它们不发生电的联系。在变频调速传动系统中,通常是在电源和放大器电路之间的电源线上采用隔离变压器以免传导干扰,电源隔离变压器可应用噪声隔离变压器。2.2
滤波设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电源及电动机。为减少电磁噪声和损耗,在变频器输出侧可设置输出滤波器。为减少对电源的干扰,可在变频器输入侧设置输入滤波器。若线路中有敏感电子设备,可在电源线上设置电源噪声滤波器,以免传导干扰。2.3
屏蔽接地屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽,不让其电磁干扰泄漏。输出线最好用钢管屏蔽,特别是以外部信号控制变频器时,要求信号线尽可能短,且信号线采用双芯屏蔽,并与主电路及控制回路完全分离,不能放于同一配管或线槽内,周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效,屏蔽罩必须可靠接地。2.4
接地实践证明,接地往往是抑制噪声和防止干扰的重要手段。良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合,防止外部干扰的侵入,提高系统的抗干扰能力。变频器的接地方式有多点接地、一点接地及经母线接地等几种形式,要根据具体情况采用,要注意不要因为接地不良而对设备产生干扰。单点接地指在一个电路或装置中,只有一个物理点定义为接地点。在低频下的性能好;多点接地是指装置中的各个接地点都直接接到距它最近的接地点。在高频下的性能好;混合接地是根据信号频率和接地线长度,系统采用单点接地和多点接地共用的方式。变频器本身有专用接地端子PE
端,从安全和降低噪声的需要出发,必须接地。既不能将地线接在电器设备的外壳上,也不能接在零线上。可用较粗的短线一端接到接地端子PE端,另一端与接地极相连,接地电阻取值<100
Ω,接地线长度在20 m
以内,并注意合理选择接地极的位置。当系统的抗干扰能力要求较高时,为减少对电源的干扰,在电源输入端可加装电源滤波器。为抑制变频器输入侧的谐波电流,改善功率因数,可在变频器输入端加装交流电抗器,选用与否可视电源变压器与变频器容量的匹配情况及电网允许的畸变程度而定,一般情况下采用为好。为改善变频器输出电流,减少电动机噪声,可在变频器输出端加装交流电抗器。图1
为一般变频调速传动系统抗干扰所采取的措施。

  2、电磁骚扰传播途径

  电磁干扰传播途径一般也分为两种:即传导耦合方式和辐射耦合方式。

  传导传输必须在干扰源和敏感器之间有完整的电路连接,干扰信号沿着这个连接电路传递到敏感器,发生干扰现象。这个传输电路可包括导线,设备的导电构件、供电电源、公  共阻抗、接地平板、电阻、电感、电容和互感元件等。

  辐射传输是通过介质以电磁波的形式传播,干扰能量按电磁场的规律向周围空间发射。常见的辐射耦合由三种:

  1.
甲天线发射的电磁波被乙天线意外接受,称为天线对天线耦合;

  2.
空间电磁场经导线感应而耦合,称为场对线的耦合;

  3.两根平行导线之间的高频信号感应,称为线对线的感应耦合。

  在实际工程中,两个设备之间发生干扰通常包含着许多种途径的耦合。正因为多种途径的耦合同时存在,反复交叉耦合,共同产生干扰,才使电磁干扰变得难以控制。

图1 变频调速传动系统抗干扰措施

  3、敏感设备

  敏感设备是对干扰对象的总称,他可以是一个很小的元件或一个电路板组件,也可以是一个单独的用电设备甚至可以是一个大型系统。

EMI的检验项目有:

  1. 传导(CE)(150kHz~108MHz);
  2. 断续干扰电压(喀呖声)(150kHz、500kHz、1.4MHz和30MHz);
  3. 干扰功率(30MHz~300MHz)
  4. 谐波电流(2~40次谐波)
  5. 辐射发射(RE)(100k~2.7G)

以上抗干扰措施可根据系统的抗干扰要求来合理选择使用。若系统中含控制单元如微机等,还须在软件上采取抗干扰措施。3
变频控制系统设计中应注意的其他问题①
在设备排列布置时,应该注意将变频器单独布置,尽量减少可能产生的电磁辐射干扰。在实际工程中,由于受到房屋面积的限制往往不可能有单独布置的位置,应尽量将容易受干扰的弱电控制设备与变频器分开,比如将动力配电柜放在变频器与控制设备之间。②
变频器电源输入侧可采用容量适宜的空气开关作为短路保护,但切记不可频繁操作。由于变频器内部有大电容,其放电过程较为缓慢,频繁操作将造成过电压而损坏内部元件。③
控制变频调速电机启/停通常由变频器自带的控制功能来实现,不要通过接触器实现启/停。否则,频繁的操作可能损坏内部元件。④
量减少变频器与控制系统不必要的连线,以避免传导干扰。除了控制系统与变频器之间必须的控制线外,其它如控制电源等应分开。由于控制系统及变频器均需要24V直流电源,而生产厂家为了节省一个直流电源,往往用一个直流电源分两路分别对两个系统供电,有时变频器会通过直流电源对控制系统产生传导干扰,所以在设计中或订货时要特别加以说明,要求用两个直流电源分别对两个系统供电。4
结束语以上通过对变频器运行过程中存在的干扰问题的分析,提出了解决这些问题的实际方法。随着新技术和新理论不断在变频器上的应用,变频器应用存在的这些问题有望通过变频器本身的功能和补偿来解决。随着工业现场和社会环境对变频器的要求不断提高,满足实际需要的真正“绿色”变频器不久也会面世。参考文献1
韩安荣. 通用变频器及其应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2000.2 吴忠智,
吴加林. 变频器应用手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 1995.3 王定华主编.
电磁兼容性原理与设计[M]. 四川: 电子科技大学出版社, 1995.(end)

EMS——Electro Magnetic Susceptibility 电磁敏感性(抗干扰能力)

定义:是指在一定环境中机器设备和系统具有对所在环境中存在的电磁干扰有一定程度的抗扰度的能力,即电磁敏感性。

   EMS又包括静电抗干扰ESD,射频抗扰度RS,电快速瞬变脉冲群抗扰度EFT,浪涌抗扰度Surge,电压暂降抗扰度Voltage
DIP and Interrupt,等等相关项目。

EMS的检验项目有:

  1. 静电放电抗扰度;
  2. 辐射电磁场(80MHz~1000 MHz)抗扰度;.
  3. 电快速瞬变/脉冲群抗扰度;
  4. 浪涌(雷击)抗扰度;
  5. 注入电流(150kHz~230MHz)抗扰度;
  6. 电压暂降和短时中断抗扰度

 

EMC——Electro Magnetic Compatibility 电磁兼容性

定义:是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。

   因此,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;

                   另一方面是指器件对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度。

电磁兼容设计:

  要使产品具有良好的电磁兼容性,需要专门考虑与电磁兼容相关的设计内容:

  地线设计

  许多电磁干扰问题是由地线产生的,因为地线电位是整个电路工作的基准电位,如果地线设计不当,地线电位就会不稳,就会导致电路故障。地线设计的目的是要保证地线电位  尽量稳定,从而消除干扰现象

  线路板设计

  无论设备产生电磁干扰发射还是受到外界干扰的影响,或者电路之间产生互相干扰,线路板都是问题的核心。因此,设计好线路板对于保证设备的电磁兼容性具有重要意义。线  路板设计的目的就是减小线路板上的电路产生的电磁辐射和对外界干扰的敏感性,减小线路板上电路之间的互相影响。

  滤波设计

  对于任何设计而言,滤波都是解决电磁干扰的关键技术之一。因为设备中得到现实效率很高的接收和辐射天线。因此,设备产生的大部分辐射发射都是通过各种导线实现的,而  外界干扰往往也是首先被导线接收到,然后传入设备的。滤波的目的就是消除导线上的这些干扰信号,防止电路中的干扰信号传导导线上,借助导线辐射,也防止导线接收到的  干扰信号传入电路。

  屏蔽与搭接设计

  对于大部分设备而言,屏蔽都是必要的。特别是随着电路工作的频率日益提高,单纯依靠线路板设计往往不能满足电磁兼容标准的要求。机箱的屏蔽设计与传统的结构设计有许  多不同之处,一般如果在结构设计时没有考虑电磁屏蔽的要求,很难将屏蔽效果加到机箱上。所以,对于现代电子产品设计,必须从开始就考虑屏蔽问题。

  

区别

EMI(Electro Magnetic
Interference)直译是“电磁干扰”。

EMS(Electro Magnetic
Susceptibility)直译是“电磁敏感度”。其意是指由于电磁能量造成性能下降的容易程度。

EMC(Electro Magnetic
Compatibility)直译是“电磁兼容性”。意指设备所产生的电磁能量既不对其它设备产生干扰,也不受其他设备的电磁能量干扰的能力。

因为有了EMI,才有了EMC,因为EMS达标,才能实现EMC。

 

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