切斷感性負載時的電磁兼容性探討??

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

關鍵詞：感性負載；電磁閥；電磁兼容

1??? 引言

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

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

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

2??? 電磁閥的電磁干擾測試

2.1??? 電磁閥參數

??? 我們使用的電磁閥參數為：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1520V。由于電磁閥開斷時刻是隨機的，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。兩個最極端的狀態是：電磁閥開斷時刻的電流值為零時，電磁閥內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，電磁閥內存儲的磁場能量最大，即電磁干擾最嚴重。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，其上的電場強度很高。

??? 由于電磁閥開斷時刻的隨機性導致磁場存貯能量的隨機性，再加之觸點分斷是個漸近的過程，于是在觸點間產生多次擊穿和電弧，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??? 開斷感性負載的電磁兼容性探討

??? 為了提高電子設備的電磁兼容能力，必須從開始設計時就要給予它足夠的重視。為此，要充分分析電子設備可能存在的電磁騷擾源及性質；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，在設計時采取相應對策，這樣可以部分消除可能出現的電磁干擾，減輕調試工作的壓力。在調試工作中，針對具體出現的電磁干擾，從接收電磁干擾的電路和元器件的表現，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。

??? 對開斷電感性負載——電磁閥所產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繼電器控制電磁閥的開斷

??? 因為，不管關斷信號是何時發出的，而固態繼電器中的晶閘管只有當其通過的電流小于維持電流時才自行關斷，這時電磁閥中存儲的能量很少，所以，產生的干擾也最小。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體廠生產的，JG25Z3D電壓過零型固態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，固態繼電器不是理想的開關，它導通時其上有壓降，它關斷時其上有漏電流。

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，在關斷時不會產生電磁干擾。這是因為，感性的電磁線圈中的電流將通過全橋整流二極管續流，產生的感應電動勢很小。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

??? 采用壓敏電阻時應考慮的主要技術參數：

??? 1）標稱電壓；

??? 2）殘壓比；

??? 3）吸收能量；

??? 4）響應時間。

??? 另外，壓敏電阻應盡量緊靠電感連接。

??? 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標稱電壓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，這與壓敏電阻響應時間不夠快有關；第二個正向峰值720V為壓敏電阻所限壓，但殘壓比較大。總之，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??? 采用瞬態電壓抑制二極管

??? 采用瞬態電壓抑制二極管時應考慮的主要技術參數：

??? 1）擊穿電壓；

??? 2）箝位系數；

??? 3）峰值脈沖功率；

??? 4）響應時間。

??? 同樣，瞬態電壓抑制二極管應盡量緊靠電感連接。

??? 采用瞬態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擊穿電壓400V的瞬態電壓抑制二極管后測得的。該瞬態電壓抑制二極管是某國營廠生產的，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，這與瞬態電壓抑制二極管響應時間快有關。但是，其箝位系數仍偏高。

??? 總之，瞬態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

??? 該臺探測設備沒有設置電源濾波器。為此，在供電進線處加裝電源濾波器，作為抑制電源線傳導干擾的主要措施。

??? 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成。市場上的電源濾波器一般主要是為抑制共模干擾設計的，如果要對差模干擾也起作用，應該另外增加兩個獨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絕緣包裹壓制退火的磁性材料(國產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。應用信號濾波器時，為使傳輸的信號損耗小，應盡量使電源阻抗，濾波器阻抗和負載阻抗匹配。相反，應用電源濾波器時，為抑制傳輸的干擾信號，應盡量使電源阻抗，濾波器阻抗和負載阻抗不匹配。

??? 設計和選用電源濾波器一定要根據電路的實際情況而定。首先測量傳導干擾的電平和頻帶，再與電磁兼容的標準或實際應用的需要信號電平進行比較，選擇對超標信號或超過實際應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??? 采用獨立電源供電

??? 由于該探測設備與電磁閥采用同一電源供電，當電磁閥關斷時所產生的電磁干擾很容易通過公用電源傳導給探測設備。為此，該探測設備應當采用獨立電源供電，以防止電磁閥關斷時所產生的電磁干擾的傳入。

3.3.2??? 采用隔離措施

??? 當無法采用獨立電源供電時，應當在探測設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當加強屏蔽

??? 對干擾敏感的電路，例如探測元件和放大器等，應當加強屏蔽措施，以防止電磁干擾信號從空間傳入。

4??? 結語

??? 由于該探測設備對電磁兼容性工作重視不夠，試驗中發現：當探測元件無輸入信號時，關斷電磁閥時，探測設備有較大概率產生較強的輸出信號，致使整個設備無法正常工作。為此，對電磁閥的電磁干擾信號進行了測量，分析了產生電磁干擾的原因，并對以下有針對性的電磁兼容性措施進行了試驗和分析：

??? 1）采用固態繼電器關斷電磁閥；

??? 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）在探測設備供電進線處加裝電源濾波器，作為采取抑制電源線傳導干擾的主要措施。

??? 另外，還要注意以下兩點：

??? 1）為防止系統設備的強電部分對弱電探測部分通過共一個電源產生的干擾，對這兩部分應當分別供電或增加隔離措施；

??? 2）加強該探測設備的電磁屏蔽，并注意屏蔽的完整性和良好的接地措施。