【知识普及】如何降低电气噪声的影响，让机器设备正常运行？

本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2016年10月刊杂志，原标题为：如何降低电气噪声的影响？

电磁干扰和射频干扰，会影响自动化设备的运行，但是如果采取适当措施，可以降低甚至消除这种影响。

即使采取了适当的预防措施，自动化设备还会或多或少的受到电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）的影响，所以应该对机器部件采取适当的屏蔽和过滤措施，只有这样才不会让干扰影响到机器的正常运行。

初识电气噪声

电磁干扰和射频干扰是有害的电气噪声，因为它们会干扰数字、模拟和通讯设备和过程。对于电磁干扰和射频干扰，令人感兴趣的三个领域分别是：噪声的来源、传输介质以及噪声的接收器。

虽然电磁干扰和射频干扰经常混用，但是两者并不完全一样，还是有差别的。电磁干扰适用于低频噪声，频率一般低于20kHz，射频干扰则适用于高频电气噪声，频率一般超过20kHz。

电磁干扰噪声，由共模和差模两部分组成。共模电磁干扰噪声按照从源到接收体的方向，同时在多个导体上传播。大多数脉宽调制型（PWM）交流驱动器产生的是高频共模噪声。差模噪声则由导体产生，并以相反的方向传播，正如它作用在接地导体一样。这和具有独立电源和电磁干扰返回通道的完整回路类似。

根据频率大小的不同，电磁干扰可以分为以传导或辐射的方式发射。传导电磁干扰是低频噪声，传输距离比较短，一般是近距离的导体路径。而辐射电气噪声是高频噪声，经常利用部件或电缆作为天线，在较大区域范围内传输噪声。

电磁干扰耦合到系统，可以有多种不同的途径。电容性耦合噪声发生在当噪声源导体中存在电磁干扰电压峰值时，由此产生的噪声作用在并行的导体上时。高频电容性耦合应引起更多的关注。

电感耦合一般与电磁场内的高电流有关，磁场在其它导体中产生感应电流。电感耦合在高电流时应引起更多的关注。当电流来自于两个或更多的干扰源通过同一个导体时，就会产生共模阻抗耦合。

电气噪声源

在工业领域，有很多电磁干扰噪声源（见表1）。其中比较常见的电磁干扰来源之一就是PWM放大器，在很多交流电机驱动应用中都可以发现。PWM部件启动时间越快，它所产生的谐波噪声就越多。例如，一个交流驱动器以4kH的频率切换，就会产生谐波，形成有害的发射。谐波可以影响敏感设备，其影响范围从8kHz到100MHz，甚至更多。

此外，由于电流以很高的频率进行开、关切换，会造成电压骤降以及峰值，因此伺服电机可以产生和PWM放大器类似的噪声。切换直流电源也会发射电磁干扰，其频率水平要比线性电源要高得多。

快速开、关电感性负载，可以在电气触点产生电火花，这同样会产生电磁干扰，正如线圈切换一样（图1）。断开有电流的开关，会产生电弧，产生更宽波普（或带宽）的电磁干扰。电导性元件断开电流时，比电阻性负载断开所产生的电弧要大得多，因此会产生更多有害噪声。

图1：在工业应用领域，高频切换经常会产生电火花，这是比较常见的电磁干扰噪声来源。本文图片和表格来源：AutomationDirect

甚至是闪电，都可以产生电磁干扰，在这种情况下，电磁干扰源于电压和电流的快速切换。电磁干扰的其它来源还包括静电以及静电释放。在工业设施内，尼龙或其它由聚合物组成的传输带等，经常被用于传输物料，这也会产生大量静电。

电气噪声的受害者

在工业应用中，有几种类型的部件容易受到电磁干扰噪声的影响（见表2）。解码器接收来自于旋转设备的低电平信号，因此容易受到电磁干扰的影响。其后果包括解码器计数变化而电机没有转动，以及不可重复的位置移动。转速表也会表现出类似的现象，比如不正确的转速读数和意料之外的转速波动。

图2：很多类型的自动化设备上，使用电磁干扰滤波器可以消除各种各样的电气噪声。

靠近模拟量信号和测量仪表的电气噪声，经常导致的后果包括电压尖峰、纹波、抖动，这都会导致错误或者不可复现的读数。电压信号，比如0-10Vdc信号更是如此。4-20mA电流信号的完整性要好一些，不太容易受到这些信号的影响。

对于通讯网络和部件，电气噪声信号导致的故障包括通讯中断，以及读、写数据错误等。对于可编程逻辑控制器（PLC）和其它基于微处理器的部件，可能的故障包括通讯中断，PLC或处理器故障或失效，错误的触发数字量输入、输出，以及模拟量输入、输出数据错误。

有了对电气噪声的基本了解，以及对其来源和易受影响部件的认识，让我们再进一步了解一下如何避免或消除电磁干扰的影响。

避免或消除电磁干扰

接线或电缆是EMI的一个可能来源。电源电缆和信号电缆的物理隔离、以及使用双绞线电缆、减少电缆长度，都有助于降低由接线和电缆而产生的电磁干扰。此外，还也可以利用其它的电缆、接线集成及安装技术，来减少电磁干扰。

良好的外壳设计也可以降低电磁干扰。金属外壳，再加上用于PLC和工业计算机的镀锌背板，是一个不错的选择。通过适当的设计，将电源电缆和信号元件以及接线进行隔离是非常重要的。恰当接地的外壳以及背板，可以进一步减少电磁干扰的发射，降低受到电气噪声影响的可能性。

对系统进行适当的接地、屏蔽，是最廉价但最有效的一种降低电磁干扰影响的方法。首先，完整的接地系统：一个适当的接地导体，为共模噪声电流提供了直接的低阻路径。所有的接地点应具有较大的表面积，这样就不会因为电阻过大而阻碍电流导向大地。

当将驱动器或其它噪声源接到接地桩时，编织铜条是一个不错的选择。尽可能使用最短的编织导线，也是非常好的应用实践经验。增加导通路径的表面积要比增加电缆的直径更重要。由于高频电磁干扰沿着导体表面进行传输，更大的表面积可以提供更好的（低阻）路径，将噪声传导向大地。这就意味着小巧的多芯电缆要好于单芯电缆，因为表面积增加了，所以编织电缆是更好的选择。

屏蔽电缆，只需要在盘台或噪声源处进行接地即可。这对模拟量电缆同样适用。但是，对于超过1MHz的高频噪声，最好将电缆两端的屏蔽都接地。

当两个或多个接地点的电位稍有差别的时候，中心点接地可以降低接地电流形成的可能性。接地电流会导致较高的电流通过接地网络，更多的噪声耦合到导体上。有时候，如果有明显的接地电流回路存在，那么两端接地的屏蔽电缆所导致的噪声，往往要比非屏蔽电缆所产生的噪声要多。

表1：工业领域常见的EMI干扰源

过滤和抑制技术

交流线路滤波器可以消除噪声，使其不能传导到交流电网上（见图2）。交流线路滤波器应该直接安装到接地框架或背板上。滤波器应该尽可能安装到交流电源进入机柜的位置。而且，为了减少射频耦合，在滤波器一侧的交流电源电缆，在布线时应该尽可能的远离交流电源电缆的负载侧，也要远离其它电缆和回路。

滤波器应做适当的接地，并尽可能布置在离噪声源最近的区域，交流电源线的长度也应该尽可能短，如果输入是单芯电缆，应将其铰接在一起。输入线路电抗器可以保护交流驱动器，免受瞬态高电压工况的影响。在不期望的频率范围内，通过增加线阻抗，输入线路电抗器可以减少由于交流驱动所产生的谐波，因此它就成为最被经常推荐的交流驱动附件。

电感滤波器或线路电抗器安装在驱动器的出口，与电机并联在一起，可增加负载电感，以满足放大器最低感性负载的要求。在高压系统和长距离传输系统中，它们还可以抵消线电容和反射波现象的影响。线路电抗器有时也可被用于替代或与铁素体抑制芯联合使用。

需要指出的是，电机驱动器也许需要自己的过滤器。在某些高度敏感的电磁干扰应用场合，也许需要在每个驱动器上使用电磁干扰主滤波器。其它设备不允许从这些驱动器滤波器的负载侧供电。在不同相位间保持电流平衡，非常重要。单相设备如果连接到三相滤波器上，可能会导致电流不平衡，降低滤波器抑制电磁干扰的能力。

感性负载，比如接触器、继电器和气动电磁阀的切换，都会产生较高的射频干扰。在直流部件线圈和电阻器-电容器（RC）上使用抑制二极管、在交流部件的线圈上使用阻尼器，可以大大减少电压和电流峰值，以及相关电磁干扰和射频干扰的产生。抑制二极管和RC阻尼器必须直接布置在射频干扰发射源或线圈处。

不管电气噪声或受影响部件是何种类型，都有很多的技术可以避免或者消除电磁干扰的影响。遵循这些建议而设计完成的系统，发射的电气噪声的水平较低，同时对这些噪声具有较好的抵抗能力。

作者：Jeb Moulton