探讨切断感性负载时的电磁兼容性

 摘要：讨论了切断感性负载时的电磁兼容性。由于在一台探测设备中采用了感性负载——电磁阀，同时该探测设备中的电磁兼容性设计不完善，电磁阀产生的电磁干扰使整个设备工作不正常。因此，有必要对该探测设备的电磁干扰进行测量，分析该探测设备产生的电磁干扰的原因，探讨应该采取的电磁兼容性措施，以便保证整个设备正常工作。

关键词：感性负载；电磁阀；电磁兼容

1    引言

    电磁兼容是指电子设备在电磁环境中正常工作的能力。电磁干扰是对电子设备工作性能有害的电磁变化现象。电磁干扰不仅影响电子设备的正常工作，甚至造成电子设备中的元器件损害。因此，对电子设备的电磁兼容技术要给予充分的重视。既要注意电子设备不受周围电磁干扰而能正常工作，又要注意电子设备本身不对周围其他设备产生电磁干扰，而影响其他设备正常运行。

    本文以电磁阀为例，讨论了切断感性负载时的电磁兼容性问题。切断正在运行的电感线圈可能产生严重的电磁干扰。因为，电感线圈中的电流变化必然产生感应电动势，电流变化率越高，产生的感应电动势越大。这种感应电动势的低频分量将通过某种路径传导到探测电路中，而高频分量将会通过辐射而耦合到探测电路中，成为严重的电磁干扰。

    试验中发现：在探测元件无输入信号时关断电磁阀，探测元件有较大概率产生较强的输出信号，致使整个设备无法正常工作。因此，必须对探测设备的电磁干扰信号进行测量，并分析产生电磁干扰的原因，以便采取有针对性的电磁兼容性措施，保证整个设备正常工作。

2    电磁阀的电磁干扰测试

2.1    电磁阀参数

    我们使用的电磁阀参数为：工频AC220V，0.25A，55V·A，空载电感0.496H。

    电磁阀通电时电流电压测试波形图见图1。

图1    电磁阀电流电压测试波形图

    图1中，Ch1为电流波形，Ch2为电压波形。图中显示电磁阀工作频率50Hz；电压峰值312V，有效值220V，电流峰值0.35A，有效值0.25A；电磁阀电流相位滞后电压60°电角度，为感性负载。

2.2    电磁阀开断时的电磁干扰信号测量

    电磁阀开断时阀电流和两端电压测试波形图见图2。

图2    电磁阀开断时阀电流和两端电压测试波形图

    图2中，Ch1为阀电流波形，Ch2为阀电压波形，电磁阀开断时两端电压峰—峰值达1520V。由于电磁阀开断时刻是随机的，因此，电磁阀开断时的过电压取决于电磁阀开断时刻的电流值。两个最极端的状态是：电磁阀开断时刻的电流值为零时，电磁阀内存储的磁场能量也为零，即不存在电磁干扰；电磁阀开断时刻的电流值为峰值时，电磁阀内存储的磁场能量最大，即电磁干扰最严重。电磁阀开断时阀电流和两端电压测试展开波形图见图3－图6。

图3    电磁阀开断时阀两端电压测试波形图

图4    电磁阀开断时阀两端电压测试波形图 
 

图5    电磁阀开断时阀电流和两端电压测试波形图

图6    电磁阀开断时阀两端电压测试波形图

    由于电磁阀开断时阀存储的磁场能量将转换为阀寄生电容的电场能量，而阀寄生电容很小，所以，其上的电场强度很高。

    由于电磁阀开断时刻的随机性导致磁场存贮能量的随机性，再加之触点分断是个渐近的过程，于是在触点间产生多次击穿和电弧，所以，电磁阀电流和两端电压测试波形图呈现脉冲串形式。

    由于电磁阀的电感和电容振荡频率很高，所以，振荡波形上升和下降速率很快。

    图3中显示电磁阀开断时阀两端电压振荡频率接近2.5MHz，电压上升前沿约80.1ns，电压峰—峰值约2440V。

    图4中显示电磁阀开断时阀两端产生的电压脉冲串。

    图5中显示电磁阀开断时阀电流和电压振荡波形。其中Ch1为电流波形，Ch2为电压波形，电压峰—峰值达5440V。

    图6中显示电磁阀开断时阀两端电压上升前沿约5.33ns，电压峰—峰值约3440V。

3    开断感性负载的电磁兼容性探讨

    为了提高电子设备的电磁兼容能力，必须从开始设计时就要给予它足够的重视。为此，要充分分析电子设备可能存在的电磁骚扰源及性质；电磁干扰可能传播的路径及易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件。从而，在设计时采取相应对策，这样可以部分消除可能出现的电磁干扰，减轻调试工作的压力。在调试工作中，针对具体出现的电磁干扰，从接收电磁干扰的电路和元器件的表现，分析出电磁骚扰源之所在及电磁干扰可能传播的路径，再采取合适的解决办法。从源头抓起，往往是最根本的方法。

    对开断电感性负载——电磁阀所产生的电磁干扰可采用如下电磁兼容性措施。

3.1    对骚扰源采用的电磁兼容性措施

3.1.1    采用电压过零型固态继电器控制电磁阀的开断

    因为，不管关断信号是何时发出的，而固态继电器中的晶闸管只有当其通过的电流小于维持电流时才自行关断，这时电磁阀中存储的能量很少，所以，产生的干扰也最小。从而可在根源上消灭骚扰源。

    采用电压过零型固态继电器来控制电磁阀的开断时，阀电流和两端电压测试波形图见图7。

图7    采用固态继电器控制电磁阀开断时阀电流和两端电压测试波形图

    该波形图是采用齐齐哈尔电力半导体厂生产的，JG25Z3D电压过零型固态继电器控制电磁阀开断时测得的。图中显示电磁阀开断时，阀两端电压第一个正向峰值只有260V，小于电源电压峰值。但是，固态继电器不是理想的开关，它导通时其上有压降，它关断时其上有漏电流。

3.1.2    采用全桥整流后的直流给电磁阀供电

    对感性的电磁阀线圈采用全桥整流后的直流电源供电，在关断时不会产生电磁干扰。这是因为，感性的电磁线圈中的电流将通过全桥整流二极管续流，产生的感应电动势很小。采用全桥整流后的直流供电，电磁阀开断时阀电流和两端电压测试波形图见图8。

图8    采用全桥整流后的直流供电时电磁阀两端电压测试波形图 
图8中显示对感性的电磁阀线圈采用全桥整流后的直流电源供电，电磁阀开断时电磁阀两端电压几乎无任何干扰信号。但是，采用这种使用方法时特别要注意铁心线圈的磁特性。

3.2    对干扰传播路径采用的电磁兼容性措施

3.2.1    对干扰信号的吸收措施

3.2.1.1    采用压敏电阻

    采用压敏电阻时应考虑的主要技术参数：

    1）标称电压；

    2）残压比；

    3）吸收能量；

    4）响应时间。

    另外，压敏电阻应尽量紧靠电感连接。

    采用MY31型压敏电阻时电磁阀两端电压测试波形图见图9。

图9    采用MY31型压敏电阻开断时电磁阀两端电压测试波形图

    该波形图是在电磁阀两端并联标称电压360V的压敏电阻后测得的。图中显示电磁阀开断时阀两端电压上升前沿很陡，第一个正向峰值1440V的干扰信号未被吸收掉，这与压敏电阻响应时间不够快有关；第二个正向峰值720V为压敏电阻所限压，但残压比较大。总之，压敏电阻对快速变化的电感性干扰信号的吸收作用有限。

3.2.1.2    采用瞬态电压抑制二极管

    采用瞬态电压抑制二极管时应考虑的主要技术参数：

    1）击穿电压；

    2）箝位系数；

    3）峰值脉冲功率；

    4）响应时间。

    同样，瞬态电压抑制二极管应尽量紧靠电感连接。

    采用瞬态电压抑制二极管时电磁阀两端电压测试波形图见图10。

图10    采用瞬态电压抑制二极管电磁阀开断时两端电压测试波形图

    该波形图是在电磁阀两端并联击穿电压400V的瞬态电压抑制二极管后测得的。该瞬态电压抑制二极管是某国营厂生产的，型号为5KP340C。图中显示电磁阀开断时，阀两端电压上升沿57.7ns，下降沿5.55ns。尽管上升沿及下降沿很陡，瞬态电压抑制二极管还是将干扰电压限制在了872V以下，这与瞬态电压抑制二极管响应时间快有关。但是，其箝位系数仍偏高。

    总之，瞬态电压抑制二极管对快速变化的电感性干扰信号的吸收作用较好。

3.2.2    对干扰信号的滤波措施

    该台探测设备没有设置电源滤波器。为此，在供电进线处加装电源滤波器，作为抑制电源线传导干扰的主要措施。

    电源线中的干扰分为两种：一种是共模干扰，即在相线与地线间，中线与地线间存在的干扰，共模干扰电流在相线与中线中同时存在，大小相等，流向相同；另一种是差模干扰，即在相线与中线间存在的干扰，差模干扰电流在相线与中线中同时存在，大小相等，流向相反。

    由于电源线中往往同时存在上述两种干扰，因此，电源滤波器由共模滤波电路和差模滤波电路综合构成。市场上的电源滤波器一般主要是为抑制共模干扰设计的，如果要对差模干扰也起作用，应该另外增加两个独立的差模抑制电感和一个抑制电容。共模电感的磁性材料以金属磁性材料(1J8510.02mm)或非晶、超微晶磁性材料效果较好。差模电感的磁性材料以金属软磁粉末经绝缘包裹压制退火的磁性材料(国产ZW-1)效果较好，而不用开口铁氧体材料。

    电源滤波器与信号滤波器的不同之处在于阻抗搭配。应用信号滤波器时，为使传输的信号损耗小，应尽量使电源阻抗，滤波器阻抗和负载阻抗匹配。相反，应用电源滤波器时，为抑制传输的干扰信号，应尽量使电源阻抗，滤波器阻抗和负载阻抗不匹配。

    设计和选用电源滤波器一定要根据电路的实际情况而定。首先测量传导干扰的电平和频带，再与电磁兼容的标准或实际应用的需要信号电平进行比较，选择对超标信号或超过实际应用的需要信号的幅值和频带有抑制作用的电源滤波器。

    采用电源滤波器开断电磁阀时电源滤波器两端电压测试波形图见图11。

图11    采用电源滤波器开断电磁阀时电源滤波器两端电压测试波形图

    该波形图是在接入电源滤波器后测得的。该电源滤波器是中石公司生产的，型号为FLCB74。图11中显示开断时电源滤波器两端电压几乎无任何干扰信号。

3.3    对干扰敏感的电路采用的电磁兼容性措施

3.3.1    采用独立电源供电

    由于该探测设备与电磁阀采用同一电源供电，当电磁阀关断时所产生的电磁干扰很容易通过公用电源传导给探测设备。为此，该探测设备应当采用独立电源供电，以防止电磁阀关断时所产生的电磁干扰的传入。

3.3.2    采用隔离措施

    当无法采用独立电源供电时，应当在探测设备的供电线路上加装隔离变压器措施。

3.3.3    对干扰敏感的电路应当加强屏蔽

    对干扰敏感的电路，例如探测元件和放大器等，应当加强屏蔽措施，以防止电磁干扰信号从空间传入。

4    结语

    由于该探测设备对电磁兼容性工作重视不够，试验中发现：当探测元件无输入信号时，关断电磁阀时，探测设备有较大概率产生较强的输出信号，致使整个设备无法正常工作。为此，对电磁阀的电磁干扰信号进行了测量，分析了产生电磁干扰的原因，并对以下有针对性的电磁兼容性措施进行了试验和分析：

    1）采用固态继电器关断电磁阀；

    2）采用全桥整流后的直流给电磁阀供电；

    3）采用两种尖峰电压吸收器件，比较吸收效果；

    4）在探测设备供电进线处加装电源滤波器，作为采取抑制电源线传导干扰的主要措施。

    另外，还要注意以下两点：

    1）为防止系统设备的强电部分对弱电探测部分通过共一个电源产生的干扰，对这两部分应当分别供电或增加隔离措施；

    2）加强该探测设备的电磁屏蔽，并注意屏蔽的完整性和良好的接地措施。