噪声电流是有回路的
只要是电,其电流就必须而且一定会返回到源,设备中的电磁噪声也不例外。
不过正如我们前面讲到的,电磁噪声属于高频信号,因此其电流回路与我们所熟知的直流和低频(工频)电路有很大不同:
一方面,噪声电流的“源”,一定不是设备早期规划时故意设计了要放在那里的,但其在设备中的存在却往往是不可避免的。当机电设备中使用了某些高频设备(如:PWM 变频装置的触发电路等),我们在受益于这些产品的功能的同时,也不得不承受其作为噪声干扰源所带来的“副作用”。只要设备中使用了这些高频设备,我们就必须接受这样的现实,电磁噪声将以此源头为始“流出”、并经过一个或多个闭环路径“流回”此终点;
另一方面,在电磁噪声“回流”过程中,其不仅会有借助(金属)导体的接触传导流通,还会有非接触式的感应与耦合,因此除了一般的电气设备和电缆以外,设备中任何导电材料都有可能成为电磁噪声回路中的一部分,如:设备机械框架、电气元件的金属外壳、电气柜、接地回路......等等。
在生产设备应用中,如果不能为电磁噪声提供安全“回流”路径,噪声电流就可能通过受扰元器件(如:传感器、编码器...等)的接线返回,进而导致电路出现故障,影响设备生产。
为了方便理解,让我们看一个最常见的有关电磁噪声的例子:设备中由于交流变频器的 PWM 输出级引起的电磁噪声干扰。
我们知道,由于设备中的金属导体、外壳和布线之间总是有互容的,因此,即便本来没有在那个地方设计电容,互容却总会“寄生”在设备的很多“角落”,如上图中的杂散电容 A。
当变频驱动器工作时,会在输出线路中强加一个高频电压的阶跃变化,通常为 600V,周期低于 200ns。这使得杂散电容 A 迅速充电,导致电流出现尖峰。这就是 PWM (脉宽调制)驱动系统中的主要噪声源。
为了回到其“源头”,这个高频电流会流经:
电机侧的杂散电容 C
电机与设备机械结构之间的接合阻抗 D
驱动器电气柜与设备机械结构之间的接合阻抗 E
变频驱动器与电气柜之间的接合阻抗 F
然后返回到杂散电容 A
这其实是大部分机电设备中普遍存在的一条通路,尽管未必是唯一的路径,但其回路阻抗一般是相对较低的,因此噪声电流通常会选择这条通路回流到其源头。
请注意这里的用词,是说这条回路的阻抗“相对较低”,也就是与其他回路的阻抗值相比较更小。但实际上这个阻抗却未必真的足够低。
对于直流、低频或工频电流来说,阻抗的确可能是极低的,以至于万用表测量时显示的阻值会几乎接近于零。但对于高频噪声电流来说,就完全不是一回事了。导体中电流的“皮肤效应”告诉我们,越是高频的电流越是趋向在导体表面流通。因此,设备中的噪声回路,很可能由于各部分之间连接导体的表面积不够大,而造成对于高频电流的高阻抗,这足以在导体两端的设备部件之间产生极高的尖峰电压。道理很简单:
电压 = 电流 x 阻抗
在上面的例子中,这样的高频电压尖峰会出现在:
电机机座和机器结构之间 (VD)
机器结构和电气柜之间 (VE)
驱动器外壳与电气柜之间 (VF)
如果在这些噪声电流“途径”并产生高频电压尖峰的地方,装有一些敏感的电气元件,例如:安装在电机上的编码器、电机附近的传感器、信号电缆...,与变频器安装在同一电气柜背板上的通讯模块、信号模组...等,其内部会随着这些高频交变电压的感应引起输出信号的扰动,于是 EMI 电磁噪声干扰故障就这样发生了。
有些时候,很可能还有一种更加糟糕的情况。就是,如果在设备机械结构与电气柜体以及其内部元件之间没有良好的等电势接合绑定,高频噪声电流就会绕过驱动器电气柜与设备机械结构之间的接合阻抗 E,选择从电气柜与设备结构之间阻抗更低的编码器或传感器输入回路返回,如上图所示意的样子,轻则造成信号输入的干扰和故障,严重的可能会损坏传感元件或(和)输入模块。
从上面的例子我们可以看出,高频噪声对设备运行的干扰,很大程度上是因为高频噪声电流从噪声源发出、经回路返回其“源头”时、由回路阻抗引起的高频峰值电压对敏感元件电路的电磁感应和耦合,影响(干扰)了它们的正常工作和信号输出。
反过来,如果要避免这样的噪声干扰,就需要为高频噪声电流“规划”其回流到“源”的闭环回路。这条回路须尽可能避开正常工作的敏感电气设备元件,并且能够让高频噪声电流顺畅无阻的回到其“源头”,从而有效的规避或者减小噪声电流其对设备电路的扰动。
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