第9章 電磁兼容應(yīng)用

1、 第第9章章 電磁兼容應(yīng)用電磁兼容應(yīng)用9.1 電子設(shè)備的電磁兼容電子設(shè)備的電磁兼容9.1.1 電子線路的設(shè)計(jì)電子線路的設(shè)計(jì) 應(yīng)當(dāng)注意以下幾個(gè)方面：1元器件的選擇 考慮元器件結(jié)構(gòu)型式和實(shí)際特性電阻、電容、電感、變壓器、集成電路2電路的設(shè)計(jì) (1)電源 濾波、輸入/輸出分隔、減小公共阻抗 (2)控制單元 屏蔽、瞬態(tài)騷擾抑制 (3)模擬電路 控制頻帶外的響應(yīng)、去耦、隔離 (4)數(shù)字電路 接地、遠(yuǎn)離強(qiáng)騷擾源、限制工作頻率、延緩上升/下降時(shí)間 9.1.2 印制電路板上的電磁兼容印制電路板上的電磁兼容 一定要熟悉電流流通路徑，了解電磁騷擾源，識(shí)別無意天線結(jié)構(gòu)，明白電磁干擾機(jī)理。 正確布置系統(tǒng)中的元器件及導(dǎo)

2、線!1印制電路板的布局 印制電路板的布局一般原則：將數(shù)字電路與模擬電路分開；將高頻、中頻和低頻電路分開；有對(duì)外信號(hào)傳輸?shù)碾娐繁M量靠近連接器一側(cè)；連接器置于電路板的一側(cè)。 2印制電路板的布線原則 電路板的走線要短而粗，線條要均勻；為保持阻抗連續(xù)，應(yīng)避免線的寬度發(fā)生突變，走線也應(yīng)避免突然拐角。 電源線和地線走線盡量靠近，在電源線和地線之間加高頻去耦電容，以減小電源阻抗；在集成電路等功率消耗器件的電源線和地線之間加去耦電容，且電容盡量靠近該器件。 避免長距離平行走線，適當(dāng)增加平行走線的間距(3W準(zhǔn)則)。 3多層印制電路板 多層印制電路板采用整片銅箔作電源線和地線，使電源阻抗和地阻抗極小，公共阻抗耦合

3、大大減小，并提供了屏蔽，大大減小其電磁輻射和提高其抗擾性，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。 多層印制電路板的電源層和地線層，作為屏蔽層分隔信號(hào)層，模擬電路的低電平信號(hào)和高電平信號(hào)應(yīng)分別布在地線層與電源層的兩側(cè)，與地線相鄰的信號(hào)層主要布高速信號(hào)層或?qū)Ω蓴_敏感的信號(hào)層，離地線層較遠(yuǎn)的布線層上布低速信號(hào)層，在布線時(shí)應(yīng)避免隨意換層。 在多層印制電路板的地平面上應(yīng)避免有間隙，尤其是垂直于信號(hào)層走線的間隙。 地線層外緣要大于信號(hào)層20倍層高（20H準(zhǔn)則）。 4印制電路板上其他應(yīng)注意的問題 將所有的輸入/輸出線纜都集中在電路板中設(shè)定的輸入/輸出區(qū)內(nèi)，對(duì)輸入/輸出線纜進(jìn)行共模濾波。 晶體振蕩電路是整個(gè)電路板上頻率最高的部

4、分，應(yīng)布置在印制電路板的中央，然后以最短的引線連至各需要部位。 散熱器應(yīng)接地。 將產(chǎn)生騷擾的電路單元與其他電路分開布置，并采取適當(dāng)?shù)钠帘未胧?EMC設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問題 在PCB的EMC設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)注意以下4個(gè)方面： (1)識(shí)別潛在的騷擾源和敏感單元 (2)識(shí)別關(guān)鍵的電流路徑 (3)識(shí)別潛在的天線 (4)分析可能的耦合機(jī)理 6一些PCB設(shè)計(jì)原則的理解 (1)使高速數(shù)字信號(hào)或時(shí)鐘線最短 (2)連接到連接器的線最短 (4)所有連接器應(yīng)置于印制電路板的一側(cè)或一角 (5)高速電路不能置于連接器之間 (3)高頻信號(hào)不應(yīng)在用于印制電路板輸入/輸出的元件下走線 (6)關(guān)鍵的信號(hào)或時(shí)鐘線應(yīng)夾在地/電源平面之間

5、 (7)有源數(shù)字元件應(yīng)選擇允許的最大轉(zhuǎn)換時(shí)間 (8)地平面上不應(yīng)有間隙或槽 (9)電路板上與外殼相連的電源或地導(dǎo)體、電纜或其他良天線部分應(yīng)當(dāng)高頻連接 9.1.3 設(shè)備內(nèi)部的布線設(shè)備內(nèi)部的布線 布線是指各種電纜和導(dǎo)線的布置。如果隨意走線，各種線纜簡單地捆扎在一起，不采取任何屏蔽、濾波、接地措施，則各信號(hào)傳輸導(dǎo)線之間會(huì)產(chǎn)生互擾。1布線原則 要跟據(jù)實(shí)際情況，選擇適當(dāng)?shù)牟季治恢煤妥呔€路徑，在布線時(shí)應(yīng)注意導(dǎo)線的分開、隔離、分類捆扎等。 (1)設(shè)備內(nèi)部的各種裸露走線要盡量短，走線應(yīng)盡量靠近屏蔽機(jī)殼，長距離的走線放置在走線槽內(nèi)，且走線槽應(yīng)良好接地，對(duì)于輻射騷擾較強(qiáng)的導(dǎo)線要采取屏蔽措施。 (2)處理好導(dǎo)線的屏

6、蔽，選擇適當(dāng)?shù)钠帘螌咏拥胤绞健?(3)對(duì)各種線纜做不同的處理。 (4)將各種線纜分成幾組，分別捆扎，并保持適當(dāng)間距。 (5)處理好功能單元和設(shè)備內(nèi)部電路的分隔。 (6)注意電纜連接器的使用。 2減小線纜的差模輻射和對(duì)輻射騷擾的敏感度3減小線纜的共模輻射和對(duì)輻射騷擾的敏感度 減小線纜的長度和距離地面的高度，在線纜上套鐵氧體磁環(huán)或使用共模扼流圈，采取屏蔽措施。 對(duì)于磁場(chǎng)耦合，應(yīng)減小騷擾源與敏感電路各自的回路面積，可使用屏蔽線，或雙絞線且信號(hào)線及其回線緊密地扭絞在一起；增大線間的距離，使得騷擾源與敏感電路的線路間的互感盡可能??；減小被干擾電路的負(fù)載阻抗。 對(duì)于電場(chǎng)耦合，增大線路間的距離是減小電容耦合

7、的好辦法；采取屏蔽措施，且屏蔽層接地；減小被干擾電路的源阻抗或負(fù)載阻抗。 減小其回路面積，使線纜的長度盡可能短，且載流導(dǎo)線及其回線盡量靠近。 采用屏蔽電纜，采用雙絞線，使用信號(hào)線、地線交錯(cuò)排列的扁平電纜。4減小線纜間的串?dāng)_ 高電壓、小電流電場(chǎng)為主； 低電壓、大電流磁場(chǎng)為主。9.1.4 設(shè)備機(jī)殼的屏蔽處理設(shè)備機(jī)殼的屏蔽處理1場(chǎng)源性質(zhì)及屏蔽材料 良導(dǎo)體屏蔽電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)； 低頻磁場(chǎng)鐵磁材料，如高磁導(dǎo)率的合金或鐵； 塑料殼體在內(nèi)壁敷金屬箔、噴涂屏蔽層或在注塑時(shí)摻入金屬纖維/屏蔽電場(chǎng)2縫隙 對(duì)于縫隙的處理可采用減小縫隙的長度、增加縫隙的深度、在接合面使用電磁襯墊、增加緊固連接等方法。3穿透和開口

8、電源線、信號(hào)線出入機(jī)殼時(shí)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波。 對(duì)指示燈、顯示器等設(shè)置的開口，采取屏蔽措施。 9.2 電力電子裝置的電磁兼容電力電子裝置的電磁兼容9.2.1 諧波諧波9.2.1.1 諧波的產(chǎn)生、危害及諧波標(biāo)準(zhǔn)諧波的產(chǎn)生、危害及諧波標(biāo)準(zhǔn)1諧波的產(chǎn)生 對(duì)于常見的整流電路，根據(jù)濾波元件的不同，整流后產(chǎn)生的諧波情況有所不同。 一類是電容濾波 2諧波的危害 (1)電壓畸變 另一類是電感濾波 (2)過零噪聲 (3)零線過熱 (4)對(duì)變壓器和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的影響 (5)使無功補(bǔ)償電容器過載 (6)集膚效應(yīng) 3諧波電流標(biāo)準(zhǔn) IEC制定了IEC61000-3-2限制標(biāo)準(zhǔn) 我國的國家標(biāo)準(zhǔn)，GB17625.1低壓電氣與電子

9、設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值（設(shè)備每相輸入電流16A） GB17625.1標(biāo)準(zhǔn)適用于準(zhǔn)備接入到公用低壓供點(diǎn)系統(tǒng)（頻率為50Hz，電壓為220/380V）每相輸入電流16A的電氣、電子設(shè)備，將不同用電設(shè)備分成4類： A類是平衡的三相設(shè)備、家用電器（不包括列入D類的設(shè)備）、電動(dòng)工具（不包括便攜式工具）、白熾燈調(diào)光器、音頻設(shè)備，以及后面3類之外的設(shè)備； B類是便攜式工具以及非專用的電弧焊接設(shè)備； C類是照明設(shè)備； D類是功率小于600W的個(gè)人計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)顯示器以及電視接收機(jī)等。 A類設(shè)備諧波電流的限值諧波次數(shù)n（奇次）最大允許諧波電流/A諧波次數(shù)n（偶次）最大允許諧波電流/A32.3021.0851.1

10、440.4370.7760.3090.408n400.238/n110.33 130.21 15n390.1515/n 9.2.1.2 諧波電流的抑制諧波電流的抑制1交流側(cè)設(shè)置LC濾波器2采取有源功率因數(shù)校正 3采用PWM（脈寬調(diào)制）整流器 4多繞組變壓器的多脈整流 9.2.2 電磁兼容電磁兼容9.2.2.1 功率器件模型功率器件模型 電力電子裝置的騷擾源主要集中在較高電壓變化率du/dt、電流變化率di/dt的元器件和導(dǎo)線上，如功率開關(guān)器件、二極管、高頻變壓器及其連線等；敏感單元主要是測(cè)量和控制電路。 功率二極管的反向恢復(fù)特性和功率開關(guān)器件的開關(guān)特性等是產(chǎn)生電磁騷擾的主要原因。 功率器件在開

11、關(guān)過程中產(chǎn)生較高的較高的du/dt和和di/dt會(huì)引起嚴(yán)重的傳導(dǎo)電磁騷擾，有的還會(huì)引起強(qiáng)電磁輻射（通常是近場(chǎng)）。 1功率二極管模型續(xù)流二極管的工作電流二極管的等效電路 2功率MOSFET模型 功率開關(guān)器件的寄生電感和寄生電容 開關(guān)斷開時(shí) 開關(guān)接通時(shí) 9.2.2.2 電路模型電路模型 差模騷擾主要是由開關(guān)變換器的脈動(dòng)電流引起，而共模騷擾則主要是由較高的電壓變化率du/dt與雜散參數(shù)間相互作用產(chǎn)生的高頻振蕩引起。 以開關(guān)電源為例： 功率開關(guān)器件與散熱器之間存在寄生電容，散熱器一般與電源外殼連在一起并且接地，開關(guān)器件端子上較高的du/dt通過該寄生電容產(chǎn)生流入大地的共模電流。 為抑制該共模電流，可采

12、取如下兩種方法： 在功率開關(guān)器件與散熱器之間的絕緣層中加入屏蔽層，并將屏蔽層連接到開關(guān)回路，使du/dt引起的電流進(jìn)入開關(guān)回路，而不是進(jìn)入大地； 在開關(guān)電源的網(wǎng)端回路中加EMI濾波器，以阻止共模電流進(jìn)入電網(wǎng)。 開關(guān)電源中續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流、功率開關(guān)器件的開關(guān)特性及其電流、整流二極管的換流重疊等形成差模電流。 為抑制差模電流，可以采取如下措施：選用快恢復(fù)二極管，減小反向恢復(fù)電流的影響；采用緩沖電路，減小開關(guān)器件開關(guān)過程中的di/dt；減小電流回路的面積，以減少磁場(chǎng)耦合。 以給交流電動(dòng)機(jī)供電的變頻器為例： 共模電流路徑由一條直流母線、相地間的寄生電容，大地、交流電源、整流器構(gòu)成，一部分電流經(jīng)

13、整流器的寄生電容、直流電容流過。 差模電流路徑由兩條直流母線、相間的寄生電容、直流電容構(gòu)成，由于直流電容存在交流阻抗，一部分電流從整流器、交流電源流過。 9.3 電力系統(tǒng)中的電磁兼容電力系統(tǒng)中的電磁兼容 電力系統(tǒng)本身就是一個(gè)強(qiáng)大的電磁騷擾源，在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種電磁騷擾，而系統(tǒng)中的各種電氣、電子設(shè)備，如繼電保護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)、通信設(shè)備等，又是電磁敏感設(shè)備，易受到電磁騷擾的影響而出現(xiàn)不正常工作狀態(tài)及產(chǎn)生誤動(dòng)，嚴(yán)重的還可能損壞元器件及設(shè)備。 電力系統(tǒng)中的電磁兼容問題一般可歸為三個(gè)方面：變電站的電磁兼容問題；輸變電系統(tǒng)的電磁環(huán)境問題；電能質(zhì)量問題。 9.3.1 電力系統(tǒng)中的騷擾源電力系統(tǒng)中的騷擾源(1)高壓隔

14、離開關(guān)和斷路器操作 騷擾源主要來自以下幾個(gè)方面：(2)雷擊及系統(tǒng)短路(3)局部放電(4)二次系統(tǒng)中的開關(guān)操作 (5)負(fù)荷變化和運(yùn)行故障時(shí)電網(wǎng)中產(chǎn)生的電壓暫降、中斷、不平衡、諧波和頻率變化等騷擾(6)發(fā)電機(jī)和變壓器產(chǎn)生的工頻及諧波電場(chǎng)和磁場(chǎng)(7)輸電線路在其周圍產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)(8)自動(dòng)化設(shè)備、無線電設(shè)備產(chǎn)生的高頻傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾 (9)自然現(xiàn)象，如雷擊、靜電放電、地磁干擾和核電磁脈沖等產(chǎn)生的騷擾 9.3.2 電力系統(tǒng)電磁騷擾的耦合途徑電力系統(tǒng)電磁騷擾的耦合途徑 電力系統(tǒng)中的電磁干擾有3種：一次設(shè)備之間、一次設(shè)備和二次設(shè)備之間、二次設(shè)備之間的電磁干擾。 按電磁騷擾的傳播途徑可分為傳導(dǎo)耦合和輻射

15、耦合。 電力系統(tǒng)一次線路中進(jìn)行開關(guān)操作、發(fā)生故障、受到雷擊時(shí)，線路中產(chǎn)生瞬態(tài)電流、電壓及輻射電磁場(chǎng)，通過多種耦合方式進(jìn)入二次回路，這些通路有電磁式電壓互感器、電容式電壓互感器、電流互感器、耦合電容器、高壓母線與二次線纜間的分布電容和互感等傳導(dǎo)耦合途徑，也有一次線路向周圍空間輻射瞬態(tài)電磁能量，被二次設(shè)備或回路接收輻射耦合途徑。 9.3.3 電磁騷擾的抑制電磁騷擾的抑制 應(yīng)從電磁干擾三要素入手，盡量降低騷擾源產(chǎn)生的瞬態(tài)騷擾的幅度和出現(xiàn)幾率，阻斷騷擾傳播的途徑，采取各種抑制和防護(hù)措施，提高設(shè)備本身的抗擾能力。 一些具體措施： 對(duì)敷設(shè)在高壓導(dǎo)線附近的二次電纜，采取屏蔽措施。外界磁場(chǎng)較小時(shí)，一點(diǎn)接地；外

16、部騷擾嚴(yán)重時(shí)，兩端接地。 對(duì)于多根線纜，合理敷設(shè)電纜及選擇正確的走向，如將高、低電平的電纜分開、二次電纜走向盡可能呈輻射狀。 對(duì)保護(hù)小室，加強(qiáng)其屏蔽，并保證良好接地。 改善變電站接地網(wǎng)的接地。 在電源中，設(shè)置多種浪涌抑制器件構(gòu)成防護(hù)電路。 可通過正確的接地、屏蔽、濾波和隔離等措施保證系統(tǒng)設(shè)備的安全運(yùn)行。 9.3.4 電力系統(tǒng)設(shè)備的電磁抗擾性電力系統(tǒng)設(shè)備的電磁抗擾性 可通過試驗(yàn)?zāi)M運(yùn)行中可能出現(xiàn)的電磁騷擾，并使設(shè)備在盡可能接近于正常工作條件下，試驗(yàn)被試設(shè)備是否會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作或永久性損壞。 電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備的抗擾度測(cè)試項(xiàng)目有：靜電放電抗擾度、射頻輻射電磁場(chǎng)抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、浪涌抗擾度

17、、射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)抗擾度、工頻磁場(chǎng)抗擾度、諧波/間諧波抗擾度、信號(hào)電壓抗擾度、振鈴波、衰減振蕩波、阻尼振蕩磁場(chǎng)、電壓波動(dòng)/暫降/中斷/變化、電網(wǎng)頻率抗擾度等。 9.3.5 電力系統(tǒng)諧波電力系統(tǒng)諧波 影響電能質(zhì)量的因素有諧波、諧間波、電壓變化、電壓暫降、短時(shí)中斷、三相電壓不平衡及電源頻率偏移等，其中，諧波是影響電能質(zhì)量的重要因素，受到人們的普遍關(guān)注。 各次諧波有效值的平方和的均方根值和其基波有效值的百分比稱為正弦波的畸變率，簡稱畸變率，又稱總諧波畸變率。對(duì)于低壓供電網(wǎng)，電壓的畸變率一般應(yīng)限制在5%以下 電力系統(tǒng)中的諧波源主要有：同步發(fā)電機(jī) 非正弦分布的氣隙磁場(chǎng)，產(chǎn)生非正弦電勢(shì)變壓器 變壓器鐵心具

18、有飽和特性，產(chǎn)生非正弦勵(lì)磁電流，并通過漏抗壓降使變壓器電動(dòng)勢(shì)中出現(xiàn)諧波。大功率電力電子設(shè)備 電力電子開關(guān)器件的非線性，在電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓和諧波電流；其他各種非線性用電設(shè)備 如開關(guān)電壓、變頻器、計(jì)算機(jī)、節(jié)能燈、家用電器等，也都會(huì)產(chǎn)生各種電流諧波。 諧波會(huì)的危害： 對(duì)一次設(shè)備，增加設(shè)備（如發(fā)電機(jī)、變壓器）的損耗，減少設(shè)備出力，溫升增大，降低設(shè)備使用壽命；增加設(shè)備（如電力電容器）的絕緣介質(zhì)損耗和局部放電，使絕緣老化，甚至擊穿。 對(duì)二次設(shè)備，會(huì)影響其正常工作，如測(cè)量裝置出現(xiàn)測(cè)量偏差、繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)作等。 國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-1993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波，限制注入電力系統(tǒng)的諧波電流，控制電力系統(tǒng)中的諧波含量。 減小電力系統(tǒng)中的諧波，有兩類方法： (1)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備和用電裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波或者少產(chǎn)生諧波； (2)裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償諧波，這對(duì)各種諧波源都適用，它包括傳統(tǒng)的無源電力濾波器（PPF）和近年來迅速發(fā)展的有源電力濾