切斷感性負(fù)載時的電磁兼容性探討

摘要：討論了切斷感性負(fù)載時的電磁兼容性。由于在一臺探測設(shè)備中采用了感性負(fù)載——電磁閥，同時該探測設(shè)備中的電磁兼容性設(shè)計(jì)不完善，電磁閥產(chǎn)生的電磁干擾使整個設(shè)備工作不正常。因此，有必要對該探測設(shè)備的電磁干擾進(jìn)行測量，分析該探測設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾的原因，探討應(yīng)該采取的電磁兼容性措施，以便保證整個設(shè)備正常工作。

關(guān)鍵詞：感性負(fù)載；電磁閥；電磁兼容

1    引言

    電磁兼容是指電子設(shè)備在電磁環(huán)境中正常工作的能力。電磁干擾是對電子設(shè)備工作性能有害的電磁變化現(xiàn)象。電磁干擾不僅影響電子設(shè)備的正常工作，甚至造成電子設(shè)備中的元器件損害。因此，對電子設(shè)備的電磁兼容技術(shù)要給予充分的重視。既要注意電子設(shè)備不受周圍電磁干擾而能正常工作，又要注意電子設(shè)備本身不對周圍其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，而影響其他設(shè)備正常運(yùn)行。

    本文以電磁閥為例，討論了切斷感性負(fù)載時的電磁兼容性問題。切斷正在運(yùn)行的電感線圈可能產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。因?yàn)?，電感線圈中的電流變化必然產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，電流變化率越高，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢越大。這種感應(yīng)電動勢的低頻分量將通過某種路徑傳導(dǎo)到探測電路中，而高頻分量將會通過輻射而耦合到探測電路中，成為嚴(yán)重的電磁干擾。

    試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：在探測元件無輸入信號時關(guān)斷電磁閥，探測元件有較大概率產(chǎn)生較強(qiáng)的輸出信號，致使整個設(shè)備無法正常工作。因此，必須對探測設(shè)備的電磁干擾信號進(jìn)行測量，并分析產(chǎn)生電磁干擾的原因，以便采取有針對性的電磁兼容性措施，保證整個設(shè)備正常工作。

2    電磁閥的電磁干擾測試

2.1    電磁閥參數(shù)

    我們使用的電磁閥參數(shù)為：工頻AC220V，0.25A，55V·A，空載電感0.496H。

    電磁閥通電時電流電壓測試波形圖見圖1。

圖1    電磁閥電流電壓測試波形圖

    圖1中，Ch1為電流波形，Ch2為電壓波形。圖中顯示電磁閥工作頻率50Hz；電壓峰值312V，有效值220V，電流峰值0.35A，有效值0.25A；電磁閥電流相位滯后電壓60°電角度，為感性負(fù)載。

2.2    電磁閥開斷時的電磁干擾信號測量

    電磁閥開斷時閥電流和兩端電壓測試波形圖見圖2。

圖2    電磁閥開斷時閥電流和兩端電壓測試波形圖

    圖2中，Ch1為閥電流波形，Ch2為閥電壓波形，電磁閥開斷時兩端電壓峰—峰值達(dá)1520V。由于電磁閥開斷時刻是隨機(jī)的，因此，電磁閥開斷時的過電壓取決于電磁閥開斷時刻的電流值。兩個最極端的狀態(tài)是：電磁閥開斷時刻的電流值為零時，電磁閥內(nèi)存儲的磁場能量也為零，即不存在電磁干擾；電磁閥開斷時刻的電流值為峰值時，電磁閥內(nèi)存儲的磁場能量最大，即電磁干擾最嚴(yán)重。電磁閥開斷時閥電流和兩端電壓測試展開波形圖見圖3－圖6。

圖3    電磁閥開斷時閥兩端電壓測試波形圖

圖4    電磁閥開斷時閥兩端電壓測試波形圖 

圖5    電磁閥開斷時閥電流和兩端電壓測試波形圖

圖6    電磁閥開斷時閥兩端電壓測試波形圖

    由于電磁閥開斷時閥存儲的磁場能量將轉(zhuǎn)換為閥寄生電容的電場能量，而閥寄生電容很小，所以，其上的電場強(qiáng)度很高。

    由于電磁閥開斷時刻的隨機(jī)性導(dǎo)致磁場存貯能量的隨機(jī)性，再加之觸點(diǎn)分?jǐn)嗍莻€漸近的過程，于是在觸點(diǎn)間產(chǎn)生多次擊穿和電弧，所以，電磁閥電流和兩端電壓測試波形圖呈現(xiàn)脈沖串形式。

    由于電磁閥的電感和電容振蕩頻率很高，所以，振蕩波形上升和下降速率很快。

    圖3中顯示電磁閥開斷時閥兩端電壓振蕩頻率接近2.5MHz，電壓上升前沿約80.1ns，電壓峰—峰值約2440V。

    圖4中顯示電磁閥開斷時閥兩端產(chǎn)生的電壓脈沖串。

    圖5中顯示電磁閥開斷時閥電流和電壓振蕩波形。其中Ch1為電流波形，Ch2為電壓波形，電壓峰—峰值達(dá)5440V。

    圖6中顯示電磁閥開斷時閥兩端電壓上升前沿約5.33ns，電壓峰—峰值約3440V。

3    開斷感性負(fù)載的電磁兼容性探討

    為了提高電子設(shè)備的電磁兼容能力，必須從開始設(shè)計(jì)時就要給予它足夠的重視。為此，要充分分析電子設(shè)備可能存在的電磁騷擾源及性質(zhì)；電磁干擾可能傳播的路徑及易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件。從而，在設(shè)計(jì)時采取相應(yīng)對策，這樣可以部分消除可能出現(xiàn)的電磁干擾，減輕調(diào)試工作的壓力。在調(diào)試工作中，針對具體出現(xiàn)的電磁干擾，從接收電磁干擾的電路和元器件的表現(xiàn)，分析出電磁騷擾源之所在及電磁干擾可能傳播的路徑，再采取合適的解決辦法。從源頭抓起，往往是最根本的方法。

    對開斷電感性負(fù)載——電磁閥所產(chǎn)生的電磁干擾可采用如下電磁兼容性措施。

3.1    對騷擾源采用的電磁兼容性措施

3.1.1    采用電壓過零型固態(tài)繼電器控制電磁閥的開斷

    因?yàn)?，不管關(guān)斷信號是何時發(fā)出的，而固態(tài)繼電器中的晶閘管只有當(dāng)其通過的電流小于維持電流時才自行關(guān)斷，這時電磁閥中存儲的能量很少，所以，產(chǎn)生的干擾也最小。從而可在根源上消滅騷擾源。

    采用電壓過零型固態(tài)繼電器來控制電磁閥的開斷時，閥電流和兩端電壓測試波形圖見圖7。

圖7    采用固態(tài)繼電器控制電磁閥開斷時閥電流和兩端電壓測試波形圖

    該波形圖是采用齊齊哈爾電力半導(dǎo)體廠生產(chǎn)的，JG25Z3D電壓過零型固態(tài)繼電器控制電磁閥開斷時測得的。圖中顯示電磁閥開斷時，閥兩端電壓第一個正向峰值只有260V，小于電源電壓峰值。但是，固態(tài)繼電器不是理想的開關(guān)，它導(dǎo)通時其上有壓降，它關(guān)斷時其上有漏電流。

3.1.2    采用全橋整流后的直流給電磁閥供電

    對感性的電磁閥線圈采用全橋整流后的直流電源供電，在關(guān)斷時不會產(chǎn)生電磁干擾。這是因?yàn)?，感性的電磁線圈中的電流將通過全橋整流二極管續(xù)流，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢很小。采用全橋整流后的直流供電，電磁閥開斷時閥電流和兩端電壓測試波形圖見圖8。

圖8    采用全橋整流后的直流供電時電磁閥兩端電壓測試波形圖 

    圖8中顯示對感性的電磁閥線圈采用全橋整流后的直流電源供電，電磁閥開斷時電磁閥兩端電壓幾乎無任何干擾信號。但是，采用這種使用方法時特別要注意鐵心線圈的磁特性。

3.2    對干擾傳播路徑采用的電磁兼容性措施

3.2.1    對干擾信號的吸收措施

3.2.1.1    采用壓敏電阻

    采用壓敏電阻時應(yīng)考慮的主要技術(shù)參數(shù)：

    1）標(biāo)稱電壓；

    2）殘壓比；

    3）吸收能量；

    4）響應(yīng)時間。

    另外，壓敏電阻應(yīng)盡量緊靠電感連接。

    采用MY31型壓敏電阻時電磁閥兩端電壓測試波形圖見圖9。

圖9    采用MY31型壓敏電阻開斷時電磁閥兩端電壓測試波形圖

    該波形圖是在電磁閥兩端并聯(lián)標(biāo)稱電壓360V的壓敏電阻后測得的。圖中顯示電磁閥開斷時閥兩端電壓上升前沿很陡，第一個正向峰值1440V的干擾信號未被吸收掉，這與壓敏電阻響應(yīng)時間不夠快有關(guān)；第二個正向峰值720V為壓敏電阻所限壓，但殘壓比較大?？傊?，壓敏電阻對快速變化的電感性干擾信號的吸收作用有限。

3.2.1.2    采用瞬態(tài)電壓抑制二極管

    采用瞬態(tài)電壓抑制二極管時應(yīng)考慮的主要技術(shù)參數(shù)：

    1）擊穿電壓；

    2）箝位系數(shù)；

    3）峰值脈沖功率；

    4）響應(yīng)時間。

    同樣，瞬態(tài)電壓抑制二極管應(yīng)盡量緊靠電感連接。

    采用瞬態(tài)電壓抑制二極管時電磁閥兩端電壓測試波形圖見圖10。

圖10    采用瞬態(tài)電壓抑制二極管電磁閥開斷時兩端電壓測試波形圖

    該波形圖是在電磁閥兩端并聯(lián)擊穿電壓400V的瞬態(tài)電壓抑制二極管后測得的。該瞬態(tài)電壓抑制二極管是某國營廠生產(chǎn)的，型號為5KP340C。圖中顯示電磁閥開斷時，閥兩端電壓上升沿57.7ns，下降沿5.55ns。盡管上升沿及下降沿很陡，瞬態(tài)電壓抑制二極管還是將干擾電壓限制在了872V以下，這與瞬態(tài)電壓抑制二極管響應(yīng)時間快有關(guān)。但是，其箝位系數(shù)仍偏高。

    總之，瞬態(tài)電壓抑制二極管對快速變化的電感性干擾信號的吸收作用較好。

3.2.2    對干擾信號的濾波措施

    該臺探測設(shè)備沒有設(shè)置電源濾波器。為此，在供電進(jìn)線處加裝電源濾波器，作為抑制電源線傳導(dǎo)干擾的主要措施。

    電源線中的干擾分為兩種：一種是共模干擾，即在相線與地線間，中線與地線間存在的干擾，共模干擾電流在相線與中線中同時存在，大小相等，流向相同；另一種是差模干擾，即在相線與中線間存在的干擾，差模干擾電流在相線與中線中同時存在，大小相等，流向相反。

    由于電源線中往往同時存在上述兩種干擾，因此，電源濾波器由共模濾波電路和差模濾波電路綜合構(gòu)成。市場上的電源濾波器一般主要是為抑制共模干擾設(shè)計(jì)的，如果要對差模干擾也起作用，應(yīng)該另外增加兩個獨(dú)立的差模抑制電感和一個抑制電容。共模電感的磁性材料以金屬磁性材料(1J8510.02mm)或非晶、超微晶磁性材料效果較好。差模電感的磁性材料以金屬軟磁粉末經(jīng)絕緣包裹壓制退火的磁性材料(國產(chǎn)ZW-1)效果較好，而不用開口鐵氧體材料。

    電源濾波器與信號濾波器的不同之處在于阻抗搭配。應(yīng)用信號濾波器時，為使傳輸?shù)男盘枔p耗小，應(yīng)盡量使電源阻抗，濾波器阻抗和負(fù)載阻抗匹配。相反，應(yīng)用電源濾波器時，為抑制傳輸?shù)母蓴_信號，應(yīng)盡量使電源阻抗，濾波器阻抗和負(fù)載阻抗不匹配。

    設(shè)計(jì)和選用電源濾波器一定要根據(jù)電路的實(shí)際情況而定。首先測量傳導(dǎo)干擾的電平和頻帶，再與電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)或?qū)嶋H應(yīng)用的需要信號電平進(jìn)行比較，選擇對超標(biāo)信號或超過實(shí)際應(yīng)用的需要信號的幅值和頻帶有抑制作用的電源濾波器。

    采用電源濾波器開斷電磁閥時電源濾波器兩端電壓測試波形圖見圖11。

圖11    采用電源濾波器開斷電磁閥時電源濾波器兩端電壓測試波形圖

    該波形圖是在接入電源濾波器后測得的。該電源濾波器是中石公司生產(chǎn)的，型號為FLCB74。圖11中顯示開斷時電源濾波器兩端電壓幾乎無任何干擾信號。

3.3    對干擾敏感的電路采用的電磁兼容性措施

3.3.1    采用獨(dú)立電源供電

    由于該探測設(shè)備與電磁閥采用同一電源供電，當(dāng)電磁閥關(guān)斷時所產(chǎn)生的電磁干擾很容易通過公用電源傳導(dǎo)給探測設(shè)備。為此，該探測設(shè)備應(yīng)當(dāng)采用獨(dú)立電源供電，以防止電磁閥關(guān)斷時所產(chǎn)生的電磁干擾的傳入。

3.3.2    采用隔離措施

    當(dāng)無法采用獨(dú)立電源供電時，應(yīng)當(dāng)在探測設(shè)備的供電線路上加裝隔離變壓器措施。

3.3.3    對干擾敏感的電路應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)屏蔽

    對干擾敏感的電路，例如探測元件和放大器等，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)屏蔽措施，以防止電磁干擾信號從空間傳入。

4    結(jié)語

    由于該探測設(shè)備對電磁兼容性工作重視不夠，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)探測元件無輸入信號時，關(guān)斷電磁閥時，探測設(shè)備有較大概率產(chǎn)生較強(qiáng)的輸出信號，致使整個設(shè)備無法正常工作。為此，對電磁閥的電磁干擾信號進(jìn)行了測量，分析了產(chǎn)生電磁干擾的原因，并對以下有針對性的電磁兼容性措施進(jìn)行了試驗(yàn)和分析：

    1）采用固態(tài)繼電器關(guān)斷電磁閥；

    2）采用全橋整流后的直流給電磁閥供電；

    3）采用兩種尖峰電壓吸收器件，比較吸收效果；

    4）在探測設(shè)備供電進(jìn)線處加裝電源濾波器，作為采取抑制電源線傳導(dǎo)干擾的主要措施。

    另外，還要注意以下兩點(diǎn)：

    1）為防止系統(tǒng)設(shè)備的強(qiáng)電部分對弱電探測部分通過共一個電源產(chǎn)生的干擾，對這兩部分應(yīng)當(dāng)分別供電或增加隔離措施；

    2）加強(qiáng)該探測設(shè)備的電磁屏蔽，并注意屏蔽的完整性和良好的接地措施。