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电磁兼容传导耦合 理论及其应用
学
生
张** 年
级
2010级 班
级
0210** 班 学
号
021012** 专
业
电子信息工程 学
院
电子工程学院
西安电子科技大学 2013年5月
电磁兼容传导耦合原理及其应用
张**
摘要： 本文就现实中普遍存在的电子，电气设备电磁骚扰现象引发的电磁干扰出发，先介绍了电磁兼容这个学科的发展及意义，然后重点介绍了电磁干扰耦合传输理论。最后从传导耦合和辐射耦合两个方面并结合相关案例分析如何在这两个耦合途径上减少电磁干扰的发生。
关键词：电磁兼容 传输耦合 传导耦合 辐射耦合目录
引言…………………………………………………………………………………………………1 第一章 电磁兼容发展及意义…………………………………………………………………….1 1.1电磁兼容技术的发展………………………………………………………………………..1 1.2 电磁兼容的地位和意义……………………………………………………………………..1 第二章 电磁干扰耦合传输理论…………………………………………………………………1 2.1传导耦合……………………………………………………………………………………..2 2.2 辐射耦合……………………………………………………………………………………..2 第三章 传导耦合理论应用实例及分析…………………………………………………………2 3.1电力线载波…………………………………………………………………………………..3 3.2 变频器………………………………………………………………………………………..3 3.2抑制传导干扰的有效办法…………………………………………………………………..4 第四章 辐射耦合理论应用实例及分析…………………………………………………………5 3.1雷电电磁辐射对微电子设备的影响………………………………………………………..5 3.2感性负载的瞬态噪声抑制及其触点的保护………………………………………………..5 3.2抑制辐射干扰的有效办法…………………………………………………………………..5 第五章 结束语……………………………………………………………………………………6 参考文献……………………………………………………………………………………………7
引言
随着现代科学技术的发展，各种电子，电气设备不仅数量及种类不断增加，而且向小型化，数字化，高速化和网络化的方向高速发展，然而电子，电气设备在正常工作时还会产生一些有用无用的电磁能量，影响其他设备，系统或者生物，使得电磁环境日益复杂，造成了电磁污染，形成电磁骚扰。电磁骚扰有可能使电气，电子设备和系统的工作性偏离预期，产生误差。严重时还会摧毁电气电子设备，危害人体。正是在这种背景下，电磁兼容性设计成为了现代工程设计中的重要组成部分。
第一章 电磁兼容发展及意义
1.电磁兼容技术的发展
电磁兼容是指“设备在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态，即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中的其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级，它也不会使同一电磁环境中其它设备因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级。
1881年英国科学家希维赛德发表了“论干扰”的文章，标志着电磁兼容性研究的开端，1889年英国邮电部门研究了通信中的干扰问题，使电磁兼容性研究开始走向工程化，1944年德国电气工程师协会制订了世界上第一个电磁兼容性规范VDE0878，1945年美国颁布了第一个电磁兼容性军用规范JAN-I-225。世界多数发达国家早已开始以法令、法规形式进行管理控制，在我国电磁兼容理论和技术的研究起步较晚，从1983年开始陆续颁布了一系列有关电磁兼容性标准和规范。自此以后，电磁兼容技术迅速发展成为非常活跃的学科领域之一。
2.电磁兼容的地位及意义
经验证明，如果记在产品开发阶段解决电磁干扰问题的费用为1个单位，那么等到产品设计定型后再解决其问题，费用将增加10倍；而到产品批量生产后再解决时，费用将增加100倍；到用户发现问题后才解决时，费用可能高达1000倍。而在产品开发阶段同时进行电磁兼容性设计，就可望把80%~90%的电磁兼容性问题解决在产品定型之前。只按常规进行产品功能设计，不仅在技术上带来一系列的难题，而且还会造成人力、财力的极大浪费。
就产品本身功能和市场占有而言，电磁兼容性设计的意义也是不可估量的。其一，电子设备工作的可靠性依赖于其电磁抗干扰性。电磁兼容性表征电子设备在电磁环境中正常工作的能力。其二，电子设备国内外市场的开拓需要其具有良好的电磁兼容性。电磁兼容性达标认证已由一个国家范围向全球地区发展，成为一个国际标准。其三，安全因素，存在电磁辐射的电子产品可能会引起如设备误操作、通讯设施电磁泄密、电爆装置误爆、误燃等危险。
第二章 电磁干扰耦合传输理论
产生电磁干扰三要素：电磁干扰源，干扰传播途径，敏感设备。由此可知，任何电磁干扰的产生必然存在电磁骚扰（或者骚扰电磁能量）的耦合与传输途径。这里，耦合的概念指的是电路、设备、系统与其它电路、设备、系统之间的电磁量联系，耦合起着把电磁能量从
一个电路、设备、系统“传输”到另一个电路、设备、系统的作用。耦合途径是从各种电磁骚扰源传输电磁骚扰至敏感设备的通路或媒介。耦合途径主要有两种方式，传导耦合和辐射耦合。
1.传导耦合传导耦合是骚扰源与敏感设备之间的主要耦合途径之一。传导耦合必须在骚扰源与敏感设备之间存在有完整的电路连接，电磁骚扰沿着这一连接电路从骚扰源传输电磁骚扰至敏感设备，产生电磁干扰。传导耦合的连接电路包括互连导线、电源线、信号线、接地导体、设备的导电构件、公共阻抗、电路元器件等。传导耦合按其耦合方式划分三种基本方式：
① 电路性耦合是最常见、最简单的传导耦合方式。当电路1有电压U1作用时，该电压经Z1加到公共阻抗Z12上。当电路2开路时，电路1耦合到电路2的电压为U2=Z12U1若公共阻抗Z12中不含电抗元件时为共电阻耦合，简称为Z1+Z12电阻性耦合。
② 电容性耦合也称为电耦合，它是由两电路间的电场相互作用所引起。
③ 电感性耦合也称为磁耦合，它是由两电路间的磁场相互作用所引起。当电流I在闭合电路中流动时，该电流就会产生与此电流成正比的磁通量。该磁通量
与电流I的比值称为电感。电感的取决于电路的几何形状和包含场的媒质的磁特性。
2.辐射耦合辐射耦合是电磁骚扰通过其周围的媒介以电磁波的形式向外传播，骚扰电磁能量按电磁场的规律向周围空间发射。辐射耦合的途径主要有天线、电缆、导线、机壳的发射对组合。通常将辐射耦合划分为三种：
① 天线与天线的耦合,指的是天线 A 发射的电磁波被另一天线B无意接收，从而导致天线A 对天线B产生功能性电磁干扰； ② 场与线的耦合，指的是空间电磁场对存在于其中的导线实施感应耦合，从而在导线上形成分布电磁骚扰源；
③ 与线的感应耦合，指的是导线之间以及某些部件之间的高频感应耦合。
第三章 传导耦合理论应用实例及分析
根据上文对传导耦合传输理论的研究，现结合案例分析传导电磁干扰及其解决办法。1.电力线载波(以下简称PLC)1）案例一：某岗位用了某公司的PLC模块采集信号，在同一通讯线上放了5个模块，使用过程中模块通讯会中断，重上电后会正常，但很快通讯又中断。分析如下：
1）从现场看，模块24VDC供电从电源模块接出，性能稳定，排除电源引起干扰的情况。
2）PLC数采模块大部分接Pt100, K型、I型热电偶信号，观察控制柜内进线排，电缆统一采用了屏蔽双绞线，且屏蔽端编辫接到接地排上，由现场接地网统一接地。现场干扰应能屏蔽。为确保起见，将模块接线端子拔除，观察模块通讯状况未变，排除干扰由信号端引起的可能。
3）将控制柜内线槽盖板打开，发现模块间通讯线采用二根单线，无接地，线槽布线较乱，有可能产生干扰．
从以上分析后发现问题可能出在模块间通讯线上，解决办法是将通讯线换成屏蔽双绞线，屏蔽端接地，经实际更换后，通讯正常。
2）案例二：华鲁恒升化工股份有限公司一水处理岗位采用西门子公司的S7-300系统的模拟量模块采集变频器信号，正常连接后不能正常显示。经检测发现信号端对地有很高的交流电压，所以判断信号线路受干扰，产生10V以上的杂波而干扰模拟量模块工作。处理如下：
1）信号电缆采用质量可靠的屏蔽电缆，且在PLC侧单端接地。2）电流变送器侧增加隔离式安全栅。
经以上处理后，PLC工作正常，数值显示稳定可靠。
PLC主要通过电源和信号线引入，通常为传导干扰。这种干扰在我国工业现场较严重。
1）来自电源的干扰
PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电路。尤其是电网内部的变化，例如：开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。PLC电源通常采用隔离电源，但其机构及制造工艺因素使其隔离性并不理想。实际上，由于分布参数特别是分布电容的存在，绝对隔离是不可能的。2）来自信号线引入的干扰
与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。3）来自接地系统混乱时的干扰
接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。
2.变频器
变频器的主电路一般为交-直-交组成，外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压信号，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。
在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。在逆变输出回路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形，对于GTR大功率逆变元件，其PWM的载波频率为2～3kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHz。
同样，输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。
解决措施：
1）变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立，或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器，切断谐波电流。2）在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器，或安装谐波滤波器，滤波器的组成必须是LC型，吸收谐波和增大电源或负载的阻抗，达到抑制谐波的目的。
抑制传导干扰的有效办法： 1.传导干扰源的处理
1）如果传导干扰源是产生强电磁场元件，如线圈、变压器等，在布置时应远离接收器加以屏蔽。
2）如果传导干扰源是频率相同的电路，如接收机的高频放大、输入及振荡电路，它们之间的交链容易引起自激振荡，因此布置应相隔远些。3）移去对系统工作无用的、有潜在的干扰设备的电源。
4）应尽可能使设备工作在设计曲线线性最好的部分，以便输出所含谐波分量最小。
5）如果干扰源的工作波形是脉冲形状，因为当脉冲上升沿较慢且持续时间较长时，产生的电磁干扰最小，随着脉冲宽度的减小且上升时间缩短，脉冲中的高频成分的幅度将增加。所以一个控制装置或其他脉冲的上升时间只需快到能在指定的时间内保证可靠工作即可。不要使振荡器和开关器件的工作速度高于性能所需要的速度。6）电弧放电：当两个物体之间的电位差大到足以使它们之间的绝缘击穿时就会产生电弧。因此要尽量避免出现电弧放电。
2.传输通道的处理
1）为缩短电磁干扰传输通道的长度，要使电路中的导线尽量短。2）把带有电磁干扰的导线和元件与连接接收器的布线隔离开来。3）把带有电磁干扰的元件的回线与接收器的回线隔离开来。4）用粗的隔离线和隔离套来减少级间的电容耦合。
5）各级电路的连接导线应尽可能缩短，对高频电路的布置尤应注意这个问题。6）对高频电路，应尽量避免平行排列导线，特别不能像低频电路那样将各种导线扎成一束。
7）减小引线电感，以使感应电压减到最小。
8）产生电磁干扰的元件应尽量靠近与它们相关联的负载，以使耦合路径最短。9）由同一电源总线馈电的几个设备之间，必须用旁路电容去耦。在干扰极严重的情况下，可以用齐纳二极管或分别供电的方法来隔离设备间的耦合。有时需要对潜在的干扰源和敏感器件专门去耦。
3.接收器的处理
1）尽量少用低电平器件，只使用完成任务所需的灵敏度。2）移去那些在系统工作时不需要的接收器的电源。
3）对电磁场感应敏感的接收器如果可能的话加屏蔽。
第四章 辐射耦合理论应用实例及分析
先根据前面对辐射耦合理论的学习，再结合具体案例，研究辐射耦合的应用 1.雷电电磁辐射对微电子设备的影响
雷电流辐射的电磁场，可在任何闭合的导线环内产生感应电流，可在任何开口的金属回路内产生感应过电压。对于普通工业设备来说，这样的过电压不足以造成威胁和干扰，但对于微电子设备来说，就可能导致破坏其稳定工作的伤害或损坏。
关于雷电电磁辐射对微电子设备的干扰与破坏，美国科学家D•希尔进行过模拟试验。他将被试的计算机放置在木箱中，用雷电电磁辐射对其进行干扰。当雷电放电的干扰磁感应强度达0.07高斯时，电子计算机会误动作，当干扰磁感应强度超过2.4高斯时，计算机会发生永久性损坏。时下，0.07高斯和2.4高斯就分别作为微电子设备在电磁辐射干扰下发生障碍和故障的阈值。
2.感性负载的瞬态噪声抑制及其触点的保护
如果电路的负载是感性的，在切断回路时电感两端产生很高的瞬态电压，使开关的触点产生飞弧而损坏触点，同时产生强烈的脉冲噪声通过辐射和传导向外发射，影响其他电路的正常工作，所以必须在电感负载两端或开关触电处加装保护网络。
减少辐射干扰的有效方法： 1.减少辐射干扰源的辐射
1）减少传导干扰时提出的处理传导干扰源的有效方法也同样适用于辐射干扰源辐射的方法。
2）利用天线电路的电压驻波比特性减少谐波辐射。
3）在发射机输出端加相应的滤波器，滤掉对接收器构成烦扰的频率。4）改变天线发射方向，使其对接收器不构成干扰。
5）改变天线的极化方向，使其和接收天线不同极化，减少对接收器的干扰。6）改变辐射的频率，远离接收设备的频率，以减小对接收器的干扰。7）改变发射机的调制特性、带宽等，使其减少对接收器的干扰。8）减少发射机不需要的功率，以减少对接收器的干扰。9）改变发射机的工作时间，使其不和接收器在同一时间工作，以减少对接收器的干扰。
2.增加辐射干扰源传输通道的损耗
1）增加传输通道的长度，使其增加损耗。
2）对直射波可在传输通道加阻挡，切断和接收器的通路。
3）在辐射干扰源和接收器之间的通道上加屏蔽，可以明显减少辐射干扰。
3.减少接收器接收干扰的无用信号或噪声
1）适当选择接收器的灵敏度，对于通信来讲，接收器灵敏度越高越好，这样作用距离才能远。但是对于干扰来讲，则相反，接收器灵敏度越低越好，低到根本收不到电磁干扰就更好，显然，在能完成任务的同时，所选的灵敏度不要太高。
2）在接收器的输入短加滤波器，滤掉相应的干扰频率。3）改变接收天线的方向，使它不对着干扰方向。
4）改变天线极化方向，使其和干扰源天线不同极化，减少干扰。5）改变接收频率，使其远离干扰源频率，以减少接收器的干扰。6）改变接收器的选择性、带宽，来减少干扰。
7）改变接收机的位置，使其远离发射机，从而减少接收机的干扰。8）改变接收机的工作时间，使其不和辐射干扰源同时间工作。
第五章 结束语
电磁兼容性设计是一个系统的、整体的概念，它贯穿于电子电气设备使用的全过程，从开始的技术路线制定到硬件电路设计、印制电路板设计、系统软件设计再到设备的调试安装等每个环节，它是一个系统的、完整的学科。本文基于电磁干扰耦合传输理论的介绍，并对具体的电磁干扰案例的分析，从传导耦合和辐射耦合两方面给出了对避免产生电磁干扰的办法。
参考文献
[1] 钱照明 电力电子装置电磁兼容研究最新进展[J]，电工技术学报，2007（7）[2] 黄明华 电磁兼容在集成电路中的设计应用[J]，机电工程技术，2005（10）[3] 路宏敏 《工程电磁兼容(第2版)》，西安：西安电子科技大学出版社，2010
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