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技术交流
高压开关柜温湿度控制器的电磁兼容设计
发布日期:2011-03-23 16:51:10
 

摘要:讨论了外部骚扰源的产生原因,着重介绍了防静电干扰、防电磁辐射干扰、抗衰减振荡波干扰、抗浪涌(冲击)干扰以及抗快速瞬变脉冲群干扰等措施,提供在实验结果的基础上进行改进的方法。讨论了内部骚扰源抗干扰设计时应着重考虑的问题,并对软件抗干扰的设计做了简要说明。

关键词:温湿度控制器;电磁兼容;骚扰源;高压开关柜

 

O 引言

随着各种控制装置朝着计算机化、网络化、智能化,以及保护、控制、测量和数据通信一体化方向发展,计算机软、硬件设计越来越复杂,致使这些装置对电磁骚扰具有更明显的敏感性和脆弱性。设备工作在电磁环境极其恶劣的变电站中,电磁兼容水平、可靠性等因素对装置的安全、稳定工作的影响是极其重要的一方面。

国内生产的高压开关柜内部仍然采用模拟电路构造的简易温湿度测控装置,高压开关动作的计数装置仍然采用机械式结构。温湿度测控装置的测点单一,而且一般在装置内部,精度低、无读数,高压开关动作计数部件技术含量及可靠性低。针对以上问题设计的控制器,集计数器、温湿度控制器于一体,其中控制单元采用稳定性较高的AVR单片机,可高速检测两路高精度温度传感器和两路湿度传感器;高压开关动作次数采用两路电子式记录仪记录。温湿度控制器系统结构如图1所示。

1 系统外部骚扰源抗干扰设计

系统外部骚扰源主要有以下几种类型:

(1)高压回路中操作隔离开关及断路器引起的电气暂态现象。

(2)高压装置产生的工频电场和磁场。

(3)接地系统中的短路电流引起的电压升高。

(4)雷电引起的电气暂态现象。

(5)低压设备分合操作引起的快速瞬变干扰。

(6)静电放电干扰。

(7)设施内部其他电气或电子设备产生的高频传导和辐射骚扰。

11 防静电放电(ESD)干扰

作为设备的外壳端口,任何暴露部分都可能发生静电放电。常见的情况是在键盘、控制部件、外界电缆等部位或在直接接触的金属构件表面发生静电放电。静电向附近导体(可以是设备本身的非接地金属板)放电会产生很大的局部瞬态电流,这个电流通过电感或公共阻抗耦合到设备中产生感应电流。如果感应电流流过数字设备时,很可能使数字电路发生误动作。静电放电保护措施有:设备全部采用塑料外壳;面板使用覆膜按键;机箱良好接地。一般来说,只要注意接地及机箱结构设计,装置就能够顺利通过静电放电干扰试验。

12 防辐射电磁场干扰

辐射电磁场干扰对集成电路型装置影响较大,但是,辐射电磁场干扰对本装置影响较小。很多是由于开关电源在施加辐射电磁场干扰时不能够稳压引起的。该装置并没有采用开关电源,在辐射电磁场干扰措施上只采取了在机壳内部覆盖铝膜的方法,通过了1 Vm3 Vm10 vm 3种场强等级的试验。

13 1 MHz100 kHz衰减振荡波干扰

1 MHz100 kHz衰减振荡波干扰主要是模拟变电站的高压母线的开关操作出现隔离刀闸的合、分操作引起的陡波瞬态,属于“阻尼振荡瞬态脉冲群(阻尼振荡波)”。1 MHz100 kHz脉冲群干扰通过传导、电容耦合及磁场耦合等方式影响装置。只要在各个电源、信号及控制线端口对大地加入耐压值较高的0.1μF0.01μF解耦电容,构成泄放回路,即可采用共模、差模两种形式抑制该瞬态骚扰。

14 抗浪涌(冲击)干扰

浪涌呈脉冲状,其波前时间为数仙s,脉冲幅度从几百V到几万V,是一种持续时间长、能量较强的干扰。浪涌干扰可能会影响电子设备的正常工作,甚至烧毁元器件。电子设备只能依靠过电压保护或浪涌保护器件来抑制浪涌干扰,通过浪涌保护器件动作将浪涌电流泄放至大地。在电源接口采用了添加瞬态抑制二极管(TVS)的方法,取得了满意的效果。

15 抗快速瞬变脉冲群干扰

瞬变干扰是电磁兼容试验中最难通过的,新标准取消了25 kHz脉冲重复频率,而增加了100 kHz脉冲重复频率拉J,因此,新的标准把测试频率提高,其本质上也是提高了试验的严格程度。瞬变干扰的起因有很多,如开关动作、电网故障、自然现象等。电源回路瞬态包括差模和共模两种形式。差模尖峰电压往往有较慢的上升时间和较高的能量,为了防止输入电路损坏,对瞬变干扰采取以下措施:使所有外界接口在空间上相互靠近;采用光电耦合器隔离敏感信号接口;电源接口添加瞬态抑制二极管(TVS)

16 试验结果

实施以上措施后,根据IEC 61000标准进行了试验,结果如表1所示。

虽然通过了大部分的电磁兼容试验,但在快速瞬变脉冲群干扰试验中出现了暂时眭的功能丧失。究其原因,是通过电源接口窜入的干扰。在电源端口加装滤波器抑制30 MHz以下频率范围的噪声,用铁氧体磁性材料抑制高频电磁干扰是经济简便而有效的方法,如图2所示。

插入损耗IL和抑制元件的阻抗有如下关系:


zs一源阻抗;ZL一负载阻抗;z一抑制元件的阻抗

2铁氧体抑制元件应用电路

 

由式(1)可知,在源阻抗和负载阻抗一定时,抑制元件的阻抗越大,抑制效果越好。在低频端,铁氧体损耗电阻较小,主要是感抗起作用;在高频端,铁氧体损耗起主要作用。低频时,干扰信号被反射而受到抑制,在高频端干扰信号被吸收并转换成热能。经过改进,顺利通过了抗快速瞬变脉冲群干扰试验。

 

2 系统内部骚扰源抗干扰设计

21系统内部骚扰源

(1)公共电源。这是典型的传导干扰源。由于电源内阻不为零,尤其是在高频频段,电源除向设备提供有用的电能外,也提供了无用的成分。

(2)PCB板上的振荡器、时钟电路、地址总线的低位数据线等产生的周期信号是产生辐射最强的信号。

(3)芯片逻辑门的输出状态若发生变化,电源线和地线上会有电流突变(可能引起较强的电磁辐射),因此电源线和地线上的电感可以引起PCB板上电源线和地线上的噪声电压。电源线和接地线会产生串扰和公共阻抗噪声。

22 电源的抗干扰措施

主机电路与外围电路采用不同的电源供电。分散的、独立功能的模块分别供电。每个模块上可再分别通过三端稳压块(78057812)稳压。

23 电路板的抗干扰措施

印制电路板的布局与设计是否合理对系统的可靠性至关重要,因为它是噪声产生、传播和吸收的关键部位。设计时应注意以下事项:

(1)印制电路板的尺寸、布线与分区要合理。尺寸过大使铜皮走线过长,噪声影响加大;过小则影响散热,使平行布置的导线间的干扰加大。在布线时应尽量减小线路所包围的面积,以降低寄生耦合所产生的电磁干扰;同时注意避免出现大的环形,拐弯应有弧度,用地线屏蔽信号线等。在设计电路板时,应将模拟电路区、数字电路区和功率驱动区合理分开,减少相互问的干扰。IO驱动器件和功率放大器应尽量靠近印制板的边缘及引出的接插件。在印制电路板上,地线、电源线及重要的信号线要尽量粗,信号线的过孔要尽量少,噪声敏感线不要与高速线和大电流线平行,从高噪声区来的信号要加滤波,每个IC元件要加一个去耦电容。印制电站板用的片状滤波器,其引出线需套EMI吸收珠后再串接于需要抑制干扰的线路中。

(2)科学接地。在设计地线时首先应将地线进行分类,对低频电路采用一点接地,对高频电路采用多点接地,同时数字电路与模拟电路应分别接地;噪声元件与非噪声元件要离得远一些,同时在每一个元件的电源输入端与地之间接一去耦电容以滤去噪声干扰,在重要的信号线两侧加上保护接地MΩ。地线、电源线要尽量粗,整个电路板要按照单点接电源、单点接地的原则送电。

(3)输入/输出的隔离与屏蔽要进行规划。输入/输出信号可加上光电耦合器予以隔离,防止外围器件动作产生的回流冲击系统电路。

 

3 软件抗干扰技术

除硬件的抗干扰设计外,软件的抗干扰措施也能大大提高系统的防御能力,是防止和消除整个应用系统故障的重要途径。在编制系统程序时主要采用了以下几种软件抗干扰技术:指令冗余、软件陷阱、E2PROM中的数据保护及自动恢复、看门狗程序等。

 

4 结语

经过一段时间的试运行,设备运行稳定,没有出现误动和计数混乱现象。通过对该设备的电磁兼容的研究,为设计在恶劣环境中应用的嵌人式系统提供了非常实用的参考依据。

 
 
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