在配药工业设备中实现电磁兼容性——案例分析一则
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在配药工业设备中实现电磁兼容性——案例分析一则

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  当电磁干扰控制工程成为一个在家中,商店,办公室里都会碰到的世界性挑战时,在工厂里,这个任务就显得特别的困难。在解决这个问题之前,首先对电磁干扰现象作一个基本的回顾。本质上,设计者必须处理非预计的、在能源或信号线路中产生或通过空间辐射而来的电磁能量,不论这仅仅发生在一个系统中,还是影响到相邻的设备,电磁干扰都是造成故障或是设备失灵的潜在威胁。另一挑战与装置的互相联接形式有关,其中的任何一个装置都可能具有CE标记。工厂的操作员们不安地发现,装置错误的配置可以造成和选择了缺少CE图案的零件同样的灾难。最后一个挑战是机器和大功率应用中的电缆线的不可避免的连接—“电气污染”的另一个潜在来源,它可以影响一座工厂中的所有的设备。
  最后,探测并控制电磁干扰,需要对干扰的来源、传播途径以及对“受害”设备的影响有一个了解。最简单的耦合路径通常是将设备与电源联结的铜电缆线。电力线路中的骚扰可以以共模或差模的形式出现。在共模形式中,电磁干扰电压在载流导线(引线端子和中点)和大地之间产生,并且它们是同相的。在差模形式中,电磁干扰电压将出现在不同的导电端子中,且不同相。
  被测试设备(DUT)介绍
  在本文介绍的这个特殊案例中,被评估的机器是一个具有柱型容器的搅拌机器,这是一种将粉末状或颗粒状的配药成分混合起来的设备。该混合设备包括了一个交流变频传动装置、接触器、继电器、控制电路、计时器、接触式传感器和电动机。在这种工业机器中使用的高频传动装置可能成为一个重要的干扰源,其影响的严重程度由它的工作频率、控制电路的类型、以及接触器,计时器,电机的选择等诸多因素来决定。此外,并非所有这些沿信号线或电源供电线路传递的有害的能量都源于某一个电流增量,电容性和电感性的耦合同样能传播这些交变信号。
  具体地说,这个机器是粉状物和颗粒状物的一个干混合器。它不需要绕转轮室周围的轴进行密封。这个设备之所以被选用于混合作业,是因为其易于装卸,处理容量大,而且在混合易碎颗粒物时磨损配药产品的程度最小。混合过程是在一个密闭的鼓室中完成的,最终要求达到完全而充分的混合。如果这些混合物的小颗粒在空气中传播,一旦混合作业停止下来,它们就会落在鼓室中粉末层的顶上,然后形成一层不能结合的物质。其过程如下:配药的颗粒或粉末被加入至鼓室容量的50-70%。这时装填好了的箱子会被锁定在设备的一只臂上并且向上抬升到一个柱子上。操作员预置好混合的时间和速度(较高的速度将产生更大的剪切力,剪切力又将在空气中产生不希望的颗粒),一旦箱子被抬升到正确的高度,由调节速度来实现对物质的最佳混合。颗粒混合完成以后,鼓室将下降还原,机器臂解锁,而后密闭的容器被搬走。
  电气方框图详解

  在满足电磁兼容性的条件下,测试者必须将注意力转移到相关的两个电机和它们的电源以及控制上来。一个具有螺旋杆传动装置的电机被设置在柱型容器的顶上,而混合电机用来形成密闭鼓内的翻转。该柱型容器搅拌机的准确架构示于图1中。

  图2描述了系统的电气方框图——即主电路干线系统,控制系统和电动机系统等布置。输入的440VAC/50 Hz电压通过一段1.5m长、未经屏蔽的输电电缆供给。这段电缆连接到输电线滤波器,滤波器的输出连接到主干线的隔离开关。干线隔离开关输出的电压再通过小型断路器(MCB)输送到一个电流接触器。电压通过电流接触器传递到另一个滤波器的输出与安装在柱型搅拌机上的电机输出相连。能量还通过同一条供电线路流入混合器制动装置和控制电路。电能通过一个电流接触器输送到240 VAC/50 Hz的搅拌机制动装置。R相和B相电能 (440 VAC/50 Hz) 并联流过一个MCB和降压变压器,以提供240 VAC/50 Hz的输入电压给控制电路(见图2)。控制电路用来控制搅拌机计时器,这对粉末及颗粒的有效混合起着至关重要的作用。
  建模以及测试设置
  最初对此机器、主电源线和控制电源的排列进行的检查,发现可能会存在电磁干扰问题。进一步对机器作细致的研究也发现有随意的配线和许多干扰回路的存在——尽管机器确实能完成它混合药粉的基本功能。两个滤波器目前的设置确实很难助于解决滤波问题,因为电源和变频器的输出输入线都随意的混杂在一起,被平行地排放或者呈现明显的回路。事实上,单纯地布置这些电缆线就是一项令人望而生畏的工作。最后,测试者用了3个模型来处理这个问题:一个为变频器,一个为控制系统线路,另一个为合适的滤波器和接地选择。
  当然,全面的分析和问题的解决需要测量和评估传导电磁干扰水平,以及共模噪声电压。
  国际标准确定了控制或限制以无线电或电视传播方式干扰、以EMI接收器或针对这一特殊形式噪声的传感器响应作为测试的规范。在这种情况下,接收器和附件满足CISPR-16-1中提出的规范。电磁干扰接收器用来研究/分析穿越某一电子信号频谱的能量分布,而线阻抗稳定网络(LISN)则主要用来提供一个确定的高频阻抗,使其覆盖整个测量点端子电压的电能范围。它还可使受试设备(EUT)与输电线周围的无线电频率能量隔离。
  图6为传导发射(CE)测试的设置(如CISPR规范中推荐)。在这个设置中,需要一个2m×2m的接地参考平面(GRP)。LISN保持一个指定的距离,它的接地端用尽可能最短的连线和GRP联结,如图6中所示。这个测试设置自动地适应了宽频率范围的快速测量。应用软件自动地测量电磁干扰接收器上预定频率的发射水平峰值,然后将结果显示在VDUs(可视显示单元)或电磁干扰接收器上。数据“转储”到绘图单元——绘出观测到的发射水平,然后硬拷贝的数据就可以打印了。全面的电磁干扰分析包括发射测量的三种模式或类型—即峰值,平均值和准峰值。在峰值检测中,测量的为信号的包络线,连同RMS(均方根)信号到CW(连续波形)信号值的测量值一并显示。如果信号中不存在调制情况,就测量到了峰值电压。测量的峰值电压对于获得的发射数据而言,确保属于“最糟的情况”。
  对于平均值检测,基本电路包括一个包络线测量器(与峰值测量器相当)和附加的一个均分网络。这个电路仅是一个低通网络或是一个积分器/电容器。附加的滤波网络包括一系列串联电阻和一个并联电容—对随机噪声产生最后的平均结论。这个测试的特殊模式通常被用于窄带发射信号的分析。最后,在类峰值检测中,通过综合各种变化和放电时间常数(由频率的范围决定)来分析宽带信号,作为脉冲重复率的函数。从本质上说,这是用来评估“骚扰”因素的。
  电磁干扰分析
  在电磁干扰分析中,信号被分为宽带的和窄带的发射信号。术语“宽带”是指一个信号的宽度大于参考信号带宽,而脉冲重复率(PRF)小于参考带宽。相反,窄频信号是指信号的带宽小于参考信号,而PRF大于参考带宽。在分析测量柱型容器搅拌机而获得的实际数据之前,先回顾一下BS EN50081-2的调整限度。

  最初的EUT配置如同各制造商的设计(如图2所示),并以全速运行来测试额定负载条件下的情况。在R,Y,B相以及EUT的中点中测得的数据分别示于曲线图1,2,3,4中。测试数据表明,观测到的峰值冗长,在150到500kHz以及2.4到10MHz的范围中超过了调节限值,而水平测量线偏离最大值约为86到60 dBμV。发射峰值也在500kHz到3.4MHz的频率范围超过了准峰值调节限值,其水平测量线在希望的频率范围内偏离最大值约为86到63dBμV。除某些频率点外,这个观测结果对于单独相以及中性点的发射水平上均适用。

  显然,柱型容器搅拌机不满足相应的国际标准要求。在设计该装置时,实现电磁兼容的基本原理被忽略了——这是一个令人遗憾的事态,它很清楚地反映出了不适当的滤波和屏蔽,不完整的接地,以及缺乏抑制噪声方面措施。首先是交流传动装置的基本的物理设计导致了电磁兼容性方面的失败。

  设计矫正

  要控制或降低受试设备产生的发射水平,第一步需要改变传动装置在交流设计上的物理布局(如图4所示)。

  特别是连接电机的无屏蔽电缆将被屏蔽电缆所取代。始于传动装置端的屏蔽层接地,另一在电机负载端的屏蔽层接到电机外壳。交流传动装置的输入和输出电缆部分隔离措施,是通过在系统硬件构架中将它们安排不同的路径中来实现的。通过选择合适的电线规格和与电机外机壳尽可能最短的连接,来改善接地的完整性。最后,滤波器电路与受试设备的外壳结合在一起,并且将它的电缆长度限制在1米以内。选择的滤波器元件具有以下给出的标称值:
  电感(L)= 2.4 mH/线
  X电容=0.3 μF
  Y电容=0.041 nF
  重新设计的滤波器的耐压电压为440 VAC/50Hz,并且可以承受最大值为15安培的负载电流。

  之后对重新设计后的装置布局进行了再次评估,如图3所示。

  同样在全速以及额定负载条件下,对其采用了所有的补救措施后进行测试。在R, Y, B相以及中性点上的发射水平的测试数据分别示于曲线图5, 6, 7, 8。
  新的数据显示,在所希望的频谱范围,该发射水平均适当地位于均值以及峰值、准峰值调节限值以下。在主要的频率范围内的某些点,观测到的发射峰值水平距离限值约30到34dBμV。显然,精细的设计和适当的滤波、屏蔽以及接地结合,在工业机器设计中使之符合国际规范并具有CE标记,是至关重要的。
  结论

  工业机器不可避免地要包括复杂的电路。必要的工业流程包括:各种部件连同操作控制的系统布局之综合集成设计。如对柱型容器搅拌机的测试所证明的那样,这类机器在达不到相关的电磁兼容标准要求时同样可以完成它的基本功能。需要注明的是:实现电磁兼容性需要全方位的途径,零散的解决方法是不合适的。每一个影响发射的设计因素都必须考虑。这些因素包括适当的屏蔽、接地和滤波,以及缩短接线电缆以避免不需要的耦合。此外,为了抵御不需要的发射,搅拌机中电子学方面的改进能降低机器对源于配药车间其它设备的干扰的敏感程度,因而能够很有信心地给这些设备贴上CE标记。

  致谢
  作者要对ERTL (W)的高级主管Shri P.H. Bhave表示诚挚的感谢,因其在有关电磁兼容性的技术写作准备工作中提供了指导和灵感。同样作者也真诚地感谢妻子,Asha Fetedar女士,感谢她的帮助和所给予的大量鼓励。
  参考书目
  1. P.S. Bimbhre. 电机手册-基本理论. 1985年7月, pp448-469.
  2. Violette, J.L. Norman, 电磁兼容手册. 1987年11月,pp 453-469.
  3. Rohde and Schwarz, “R&S ESI 26 电磁干扰接收器操作指南”, 2001年3月, pp E-1 - E-14.
  4. BS EN 55104-1, 工业环境的电磁兼容要求, 1995年7月, pp 1-7.
  VINOD KUMAR DHAR 是一个在印度 Mumbai,ERTL(W) 信息技术部门工作了 15年 的 EMC 科学家。他负责电磁兼容实验室设置,设备安装,按国际标准逐一评估产品,电磁兼容设备的校准,以及测试设备的改进。同时他也对关于家庭的,商业的,工业的,科学的,医学的以及汽车电子产品的电磁干扰问题提供咨询。他撰写过超过 25 篇关于电磁兼容的实用论文。
  翻译:何鸥 审核:熊蕊
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