参考文献-关于工业设备的发射控制的案例分析

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1、关于工业设备发射控制的案例分析关于工业设备发射控制的案例分析 在执行 CE 标记过程中， 初涉该领域者经常自以为在他们的系统中使用已有 CE 标志的 部件就能保证达到要求。 CHETAN R. KATHALAY SHRIKANT A. DINGORE 电子学领域实验室（西） Mumbal, 印度 引言引言 设备中采用电子控制可以成功地达到以下 目标减小尺寸、减少能量需求、提高速度、 降低成本几乎在你能命名的各个方面！从 表面上看，功效是神奇的，但它也为此付出了 代价电磁干扰（EMI）的增大。现今世界种 种电子小配件的数量日益增长，它们是潜在的 EMI 发生器。具有高速时钟和陡上升沿的数字 器件

2、的出现复合了这些问题。功率开关电源、 可控硅变流器以及类似的设备的使用使得情况 更为复杂，这是由于高速开关电压导致的噪声 发射覆盖了整个电磁频谱。 现有的国际法规采用强制性满足电磁兼容 要求来解决这些问题。一个非常好的范例是 CE 标记对于进入欧盟的产品的一种强制性要 求。 管理 CE 标记过程的法律是通过一系列法规 和官方指令来实施的。实施这种指令的新途径 提出了技术管理规则，随之而来的是一组技术 标准。 这个 EMC 指令（89/336/EEC）在 1989 年 已经存在，从 1996 年 1 月 1 日开始强制实施， 它是最为苛刻的指令之一，特别要指出的是， 为了满足这一指令要求，需要更

3、多的努力、专 业技术和再设计。为了确保达到指令要求，在 这些标准中对所有的测试要求进行了详细的说 明。 为了证明其产品符合指令要求，制造商可 以从 A 到 H 中选择任一选项。 选项 A 包含自我 认证途径，制造商自己测试产品或获得第三方 的测试，通过签署符合要求的声明来宣称符合 标准，准备技术文件和粘贴 CE 标志。这就是接 下来在本文中要谈到的认证途径。 在测设备的具体情况在测设备的具体情况 一个从事药片包装机生产的印度公司为了 对他们的产品吸塑包装机进行 EMC 评估和研究而与电子领域测试实验室（西） （ERTL(W)） 接触， 以便在产品上拥有 CE 标记。 顾名思义，这种产品用于将药

4、片装入 PVC 条上 的泡壳（一种半球形透明的热成形制品）内。 这种机电设备包装药片是一个连续过程， 它包含以下步骤：从锭子中连续抽出形成 PVC 材料塑带卷筒；对这个卷筒进行预加热，再通 过水冷成形，在水平面上形成泡壳；通过两组 旋转的指示滚轴间隔地给这个热成形塑带作指 示标记，一组位于成形之后，另一组在冲切之 前。 接下来塑带会被 传送到装填区域， 在那里， 安放在一个漏斗内的药片会通过进料系统自动 地填入。为了检查泡壳内是否有填充的药片， 有可能安装各种不同的检测系统。不完整的泡 壳会自动被丢弃。填装好的泡壳会被铝箔密封 在合适的密封板上。在密封后用冷却板来冷却 塑带，目的是减少起皱。在

5、冲切阶段，泡壳从 塑带上切下来，接着掉落到传送带或卸料斜槽 上。传送带上的药包成单排移动。不完整的泡 壳会被压缩空气喷射丢弃（图 1） 。 1 控制面板控制面板 漏斗漏斗 封装金属箔锭子封装金属箔锭子 封装设备封装设备 切割设备切割设备 传送带传送带 凹模 形成 凹模 形成 预热冲模预热冲模 导向滚筒导向滚筒 适当的 EMC 测试 适当的 EMC 测试 由于该设备属于重工业设备，为达到要求 建议其进行了以下测试。 在测设备的评估 在测设备的评估 在测试之前，测试人员必须懂得设备的操 作和功能。这些知识是使测试符合要求的一个 先决条件。在测设备（EUT）的综合评价也是 绝对必要的，因为它能给出测

6、试中 EUT 的特性 的综合情况。 先期调研显示 EUT 的主体由三个基本部 分组成：在实际封装泡壳过程前的塑带卷装配； 其后的机电部分，包括传动装置、链路、电流 接触器、马达等；以及也是在后面最关键的部 分电子部分，包括可编程的逻辑控制器 （PLC） 、可控硅传动装置、DC-DC 变换器、开 关电源（SMPS）等等。 初步测量 初步测量 初步测量时，EUT 在易感测试中是符合要 求的；然而 EUT 在发射测试中的性能却不尽如 人意（图 2） 。传导发射在 150kHz 到 500kHz 之 间超标 35dB 以上， 不合格情况在 R 相输入线上 更严重。同样，辐射发射在 30MHz 到 50

7、0MHz 超标 40dB 以上，当天线放在 EUT 后面时情况 则更糟。 封装 形成 封装 形成 PVC 塑 带锭子 塑 带锭子 PVC 塑带塑带 丙烯酸丙烯酸 机壳机壳 图 1 EUT 的正面示意图 发射 传导发射 频率（MHz） 准峰值 平均值 0.15-0.5 79 66 0.5-30 73 60 辐射发射 频率 准峰值 30-230 30 230-1000 37 抗扰度 ? ESD ? Burst ? Surge ? Conducted RF ? Radiated 表 1. 推荐的极限值 传传 导导 发发 射射 曲曲 线线 图图 1. 辐辐 射射 发发 射射 辐辐 射射 发发 射射 曲

8、曲 线线 图图 2. 辐辐 射射 发发 射射 图 2 初步测试结果 2 确定问题产生的相关领域确定问题产生的相关领域 为了改善低频特性，采用了一个具有更高 值的 X 电容的电感性输入滤波器。这个额外的 X 电容增大了低频部分的衰减。 用检漏头探针进行近场研究从而识别了设 备中对产生高水平辐射噪声负主要责任的部 件。它们包括 SMPS、DC-DC 变换器、交流驱 动器和可编程逻辑控制器。 可编程逻辑控制器（PLC）和交流直流驱 动器各自安装了适当的滤波器。这是因为各模 块被安装在远离主电路滤波器的地方，考虑到 EUT 内复杂的辐射和耦合，安装各自的滤波器 就显得十分必要。 这种噪声被毫无阻碍地辐

9、射到周围环境 中，主要是因为在如下这些方面的设计存在缺 陷：机壳、面板门、拙劣的接地和缺乏屏蔽。 经验法选用滤波器的部件经验法选用滤波器的部件 上述部件都包含某种类型的开关，它们也 被确认为是高水平传导发射的罪魁祸首。为了 确认上述结论，可用某一时刻只有一个模块工 作的方法来进行传导发射的测量。 为了不破坏源阻抗，选择串联的感抗值应 为负载阻抗的 1%。 同样，选择并联的容抗（X 电容）值应是 负载阻抗的 100 倍。 进一步的研究表明，尽管电力线滤波器被 做成一体化，并且大多数模块都有 CE 标志，但 却没有考虑到 OEM 提供的安装指南。 虽然制造 商采取了选用一体化的有 CE 标志的部件

10、这一 正确步骤，但因为安装步骤错误，他仍无法达 到预期目标。 例如，在电源频率为 50Hz、负载阻抗为 10的情况下，上述值应该是： FCWRX mHLWRX LC LL 18 . 3 100100 3181 . 001. 0 = = 即 以及 即 传导发射问题的分析 传导发射问题的分析 滤波器的安装滤波器的安装 问题 问题 如果说滤波器的选取是重要的，那么它的 安装则是具有决定性的。一个合适的滤波器当 且仅当正确安装后才能发挥它应有的效用。在 最初目测检查时，就发现它不仅安装不正确， 并且布线也很随意（图 3） 。 选用的主电路电力滤波器不够恰当，因为 其低频（150kHz-500kHz）衰

11、减不足。 解决方案 解决方案 滤波器和 PLC 之间过长的电缆 有粉沫 涂层 的门 未除去粉末涂层 时安装的滤波器 针对 EUT 的各种选择 噪声耦合 接触器 电缆 输入端 图图 3. 从电子学观点看的矛盾现象从电子学观点看的矛盾现象 3 问题 问题 由于共模噪声电流会被排出到地，所以正 确的接地是使滤波器有效的先决条件。为此， 滤波器始终应该装入一个屏蔽用的金属盒内， 并让它能最大面积地接触安装表面。为确保接 触电阻小，表面应该平整并紧贴在一起。相互 接触的表面应该满足：不涂漆/涂漆时用粉遮盖 /采用遮盖步骤。在这种情况下，相互接触的表 面在刷漆/涂层时不可能完全被遮盖，为了保证 表面的紧密

12、接触，必须用手工方法将油漆除去。 我们发现从进入机柜内的接线点到电流接 触器的输入端间、以及从电流接触器到主电路 电源滤波器间的主电缆线过长，导致辐射和耦 合到其它线上。同样，滤波器的输入和输出线 靠得非常近，产生了容性耦合，从而降低了滤 波效果。 用于主电路元部件（如电流接触器、三相 电源滤波器、PLC 和 DC 传动装置）的整个面 板，都覆盖了非导电涂层。电源滤波器被直接 安装在面板上，导致了接地不良或没有接地。 将滤波器和PLC模块安装得更近以使不良 间距减到最小。 贴近底盘/安装板走线可以减小环地的面 积，因为大的环地面积会起到一个发射共模噪 声的有效天线的作用（图 4） 。 滤波器输

13、出和模块间的接线长度是至关重 要的。长线就等效为耦合噪声的接收天线，从 而降低了滤波器的效果。不仅各个 PLC 滤波器 间的线太长，而且它在 EUT 内经过了好几个区 域。实际上，这条电缆线是悬在 EUT 内，从而 导致很大的地线环路，这个环路就相当于共模 噪声的有效天线。 关键的模块安装 关键的模块安装 详细研究关键部件的使用手册之后，我们 意识到PLC、AC驱动器、DC驱动器和SMPS没 有使用安装板。更糟的是非导电涂料没有从相 互接触的表面除掉，这些都会导致接地不良。 因此接地阻抗增大了，噪声电流流经这个增大 的阻抗产生了明显的共模电压（Vcm） 。从图 5 中可以看到Vcm影响了电流I

14、 用作交流和直流传动的滤波器的输入和输 出线被捆在一起，并穿过了同一个管道，由此 产生的容性耦合导致了滤波器的失效。 解决方案 解决方案 和I 12，这就在线间 产生了差模电压（Vdm） 。 为了纠正这种状况，电源滤波器被精确地 安装在主电路电缆线进入机柜处。电源滤波器 的输入和输出线间的距离被最大限度地拉开 了，从而减少了容性耦合。 图 4. 对 EUT 的改进 贴近 PLC 安装 的滤波器 DC 传动 模块 为 DC 传动的 滤波器输入和 输出电缆采用 单独导电路径 滤波器和PLC间过 长的电缆 具有粉 末涂层 的表面 除去粉末涂层 后安装的 滤波器 针对 EUT 的各种应 用 接触器 电

15、缆 入端 4 EMC 高要求的部件的输入和输出线用分 开的线槽或导管走线，并使它们的间距尽可能 地大。 图 5. 噪声电流 使用屏蔽线来传送 AC 驱动器的高频数字 信号，并将它与电源线分开。最后，将线和线 槽贴近底板或机柜框架走线，从而减少了共模 噪声。 电缆线对噪声的拾取 电缆线对噪声的拾取 PLC 的金属板上的开关可起到天线的作 用，拾取的噪声可以通过连接线被耦合到模块 内部。为了抑制这种噪声，两个铁氧体扼流圈 被装在电缆线上，一个在开关一端，而另一个 在模块一端。铁氧体扼流圈通过因子 为了解决上述问题，在相互接触的表面被 除掉油漆后，将这些装置用铝安装板安装在底 盘上。这就要求制造商在

16、涂粉过程中将相互接 触的表面遮盖住，以确保在随后的涂漆时不会 被涂上漆。 r （铁酸 盐的导磁率）增大了导线的电感，从而抑制了 噪声。 电缆选择和布线电缆选择和布线 地线和接地 地线和接地 问题 问题 在制造商的厂房里测试 EUT 时， 发现它的 接地点与其它设备的地共用一个接地点。这个 共享接地点具有相当大的噪声。所有的模块用 单点接地的方法来处理接地问题，全部地线被 接在底板的一点上，因而产生了超长的路径， 形成了环地（接地环路） 。此外，这种布置增大 了接地阻抗，噪声电流流经这个阻抗产生了一 个明显的共模电压。同时，PLC 的导线的屏蔽 层只在 PLC 尾端接地，从而产生了不良的屏蔽 效果。 主电路电缆线没有屏蔽。这一疏忽导致耦 合了额外的高共模噪声。同样，各个导线没有 绕在一起，引起线间大的环路面积，进一步导 致大的差模耦合。 相互连接的导线被捆在一起并随意地穿过 线槽或管道，因而布线过长，导致了设备中的 噪声耦合和辐射。 EMC 的关键部件的输入和输出电缆线穿 过同一