دور وتأثير مرشح EMI في الإنتاج الصناعي
2022-09-21
عندما تصبح الأتمتة الصناعية أكثر رقمية ، تزداد حساسية المعدات للتداخل الكهرومغناطيسي (EMI). تعد تصفية و / أو حماية هذه الأجهزة من EMI أمرًا ضروريًا لضمان التشغيل المستمر والإخراج المتوقع. هذا مهم بشكل خاص لأن التحكم يمكن أن يفشل بسبب التداخل ، مما يؤدي إلى فشل الإخراج. يمكن أن يؤدي هذا إلى وقوع حوادث خطيرة و / أو انقطاع خط الإنتاج ، مما يؤدي إلى فقدان الإنتاجية.
في البيئة الصناعية ، تعمل الآلات على مقربة شديدة من بعضها البعض ، وبالتالي فهي عرضة للتداخل. يمكن أن تلعب مرشحات EMI دورًا رئيسيًا في منع انتشار الضوضاء والتداخل.
بيئة مثل المصنع مليئة بمصادر التداخل المحتملة. الآن بعد أن أصبحت الأتمتة أكثر شيوعًا ، أصبح من المهم أكثر من أي وقت مضى حماية الآلات من التداخل الكهرومغناطيسي غير المرغوب فيه. تشمل مصادر صناعة التداخل الكهرومغناطيسي الشائعة ما يلي:
· التخفيف: يؤدي تشغيل الطاقة وإيقافها إلى إنتاج انتقالات قوية. كلما زاد الحمل ، ارتفع المستوى العابر ، مما قد يؤدي إلى انقطاعات خطيرة. عندما يحدث تشغيل وإيقاف / تبديل الطاقة بمعدلات عالية (مثل شريحة معالج دقيق أو مبدل لمحرك فرشاة) ، يتم إنشاء العابرين بشكل متكرر بمعدلات عالية جدًا ، مما ينتج عنه ضوضاء عالية التردد.
محركات الأقراص المؤازرة والمتغيرة التردد (VFD): هذه هي أكثر مصادر الضوضاء شيوعًا في بيئات الأتمتة الصناعية. تقوم هذه المحركات بتبديل الترددات (عادة ما بين 8 كيلو هرتز و 20 كيلو هرتز) لتوليد نبضات تستخدم لتنظيم المحرك. يبلغ طول حواف هذه النبضات بضع نانو ثانية فقط. يمكن أن تنتقل هذه من خلال النظام بأكمله ، بما في ذلك الأرض.
· مزودات طاقة وضع التبديل (SMPS): تنتج SMPS مستويات أعلى من EMI من مصادر الطاقة الخطية. تستخدم إمدادات الطاقة في وضع التبديل نبضات عالية التردد (عادةً ما بين 40 كيلو هرتز و 200 كيلو هرتز) لتوليد جهد التيار المستمر من التيار المتردد. هذه النبضات لها حواف حادة ينتج عنها الكثير من الضوضاء غير المرغوب فيها.
· مزود الطاقة غير المنقطع (UPS): في حالة انقطاع التيار الكهربائي ، يقوم UPS بتحويل التيار المباشر إلى التيار المتردد. إن طاقة التيار المتردد التي يوفرها UPS بعيدة عن الموجة الجيبية الحقيقية لجهد الإمداد. تبدو أشبه بموجة مربعة ذات حافة حادة. قد تنتج هذه الحواف ، جنبًا إلى جنب مع الضوضاء الهائلة المتولدة أثناء التحويل من التيار المباشر إلى التيار المتردد ، ضوضاء عالية التردد عالية عند الخرج.
· دوائر التعتيم: تقوم مفاتيح التعتيم القائمة على الثايرستور ثنائي الاتجاه بإنتاج طفرات دورية متزامنة مع تردد الخط ، مما ينتج عنه ضوضاء عالية التردد.
· التوافقيات: تؤدي الأحمال غير الخطية التي تقوم بتحويل التيار المتردد إلى التيار المتردد إلى التوافقيات عالية التردد عند تردد التيار المتردد الأساسي. يمكن أن تتسبب هذه التوافقيات في تشويه أشكال موجة التيار المتردد ، مما يضر بالتشغيل العادي للمعدات والآلات الإلكترونية للطاقة. التوافقي الفردي خارج الطور مع التردد الأساسي ، مما يؤدي إلى مشاكل خطيرة في النظام. التوافقيات تشبه ضوضاء التردد المنخفض جدًا.
· سوف يتسبب التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) في حدوث طفرات أو نبضات قصيرة في الجهد الكهربائي. هذا ضار بشكل خاص للأجهزة الحساسة ، مثل رقائق المعالجات الدقيقة وأشباه الموصلات الأخرى أو الأجهزة الإلكترونية الصغيرة. إنها مشكلة مناعة.
تستهلك العديد من الأجهزة ، مثل محركات المؤازرة والآلات الدوارة ، قدرًا كبيرًا من الطاقة في فترة زمنية قصيرة ، مما قد يتسبب في حدوث ارتفاعات عالية في الجهد. تخلق هذه المسامير مستويات عالية من EMI التي تطغى على الأجهزة القريبة من خلال مقاطعة وظيفتها العادية. يمكن أن تكون هذه الانقطاعات عالية التردد ضارة بشكل خاص عندما تحدث بالقرب من معدات حساسة. إذا كان الجهد المتولد بواسطة EMI مرتفعًا جدًا بحيث يتعذر على الجهاز المكشوف التعامل معه ، فإنهم معرضون لخطر EOS.
EOS هو السبب الرئيسي لتلف مكونات الدوائر المتكاملة (IC). إذا كنت تستخدم الأتمتة في عملياتك ، فإن وظائفك التشغيلية اليومية تعتمد على قدرتك على منع وقمع EMI داخل منشأتك. لتقليل EOS ، تحتاج إلى فهم أصول EMI على كل من مستوى المنشأة ومستوى الأرض.
ضع في اعتبارك الآلات التي تميل إلى إصدار أكبر قدر من الضوضاء وأي أجزاء من كل جهاز تسبب تداخلًا داخليًا. يمكن أن تساعدك هذه المعلومات في صياغة أفضل طريقة لتنفيذ أجهزة قمع EMI مثل المرشحات.
تعد الجهود المبذولة لتقليل تعرض EMI للآلات الصناعية حكيمة ، خاصة الآن بعد أن أصبحت الشبكات المحلية اللاسلكية (WLans) أكثر شيوعًا في المنشآت الصناعية. عند إنشاء أدوات الطاقة ، فأنت تريد أن تفعل أكثر من مجرد تصفية EMI المولدة من الخارج - فأنت تريد أيضًا تخفيف انتشار الضوضاء داخل الجهاز لمنعه من توليد تداخل داخلي.
غالبًا ما يؤدي النظر في العوامل المذكورة أعلاه في مرحلة التصميم المبكرة إلى خيارات أكثر فعالية من حيث التكلفة. فيما يلي بعض اقتراحات التصميم لتقليل ومنع EMI في تكنولوجيا الأتمتة الصناعية:
· مرشحات EMI: لا تقم مرشحات EMI بقمع الضوضاء المنقولة غير المرغوب فيها فحسب ، بل تساعدك أيضًا على الامتثال للمعايير التنظيمية الصناعية لـ EMI مثل CISPR 11 و EN61000-6-3 و EN61000-6-4.
· الحماية: هي تقنية تصميم ميكانيكية لوضع درع أرضي من مادة مغناطيسية أو موصلة حول النظام. يحمي التدريع النظام من الضوضاء المشعة.
· فصل المكثفات: يساعد وضع المكثفات بالقرب من دبابيس الطاقة في HF IC على تقليل الكهرومغناطيسي المشع.
· مسار عودة قصير: غالبًا ما تعمل مسارات العودة الدائرية الطويلة كهوائيات مشعة ، مما يؤدي إلى حدوث الكهرومغناطيسية (EMI). من خلال توصيل أرض الجهاز مباشرة بالمستوى الأرضي ، يمكنك تقليل مستوى التداخل بشكل كبير.
تتمثل الوظيفة الرئيسية لمرشح EMI في تصفية تداخل النبضات عالية التردد لشبكة الطاقة الخارجية بمصدر الطاقة ، وكذلك لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي لمصدر طاقة التحويل نفسه إلى العالم الخارجي. في الواقع ، هي إحدى خصائص المحاثة والسعة ، يمكن أن تجعل تردد التيار المتردد 50 هرتز للتدفق عبر الفلتر ، ولكن أعلى من مرشح مرشح ضوضاء التداخل بتردد 50 هرتز ، لذلك له اسم آخر ، يسمى مرشح الترددات المنخفضة مرشح EMI (السيد) على التلفزيون ، أهميتها ، للتردد المنخفض يمكن أن تمر ، بينما مرشح التردد العالي.
دائرة مرشح EMI الثانوية
في مزودات الطاقة عالية الجودة ، توجد دائرتان لتصفية EMI ، أحدهما في مقبس الطاقة ، والآخر موجود على لوحة PCB لمصدر الطاقة (هناك حالات يتم فيها عمل دائرتي ترشيح EMI على PCB مجلس). يمكن لهاتين الدائرتين EMI تصفية الفوضى عالية التردد وتيار التداخل في الطور في شبكة الطاقة. في الوقت نفسه ، يتم تقليل الإشعاع الكهرومغناطيسي المتولد في مصدر الطاقة إلى الحد الأدنى ، بحيث لا يتسبب تسرب الإشعاع الكهرومغناطيسي إلى مصدر الطاقة في حدوث آثار ضارة على جسم الإنسان أو أي معدات أخرى. عادةً ما تتجاهل مصادر الطاقة ذات الجودة الرديئة دائرة مرشح EMI للمرحلة الأولى وحتى دائرة مرشح EMI للمرحلة الثانية.
في البيئة الصناعية ، تعمل الآلات على مقربة شديدة من بعضها البعض ، وبالتالي فهي عرضة للتداخل. يمكن أن تلعب مرشحات EMI دورًا رئيسيًا في منع انتشار الضوضاء والتداخل.
بيئة مثل المصنع مليئة بمصادر التداخل المحتملة. الآن بعد أن أصبحت الأتمتة أكثر شيوعًا ، أصبح من المهم أكثر من أي وقت مضى حماية الآلات من التداخل الكهرومغناطيسي غير المرغوب فيه. تشمل مصادر صناعة التداخل الكهرومغناطيسي الشائعة ما يلي:
· التخفيف: يؤدي تشغيل الطاقة وإيقافها إلى إنتاج انتقالات قوية. كلما زاد الحمل ، ارتفع المستوى العابر ، مما قد يؤدي إلى انقطاعات خطيرة. عندما يحدث تشغيل وإيقاف / تبديل الطاقة بمعدلات عالية (مثل شريحة معالج دقيق أو مبدل لمحرك فرشاة) ، يتم إنشاء العابرين بشكل متكرر بمعدلات عالية جدًا ، مما ينتج عنه ضوضاء عالية التردد.
محركات الأقراص المؤازرة والمتغيرة التردد (VFD): هذه هي أكثر مصادر الضوضاء شيوعًا في بيئات الأتمتة الصناعية. تقوم هذه المحركات بتبديل الترددات (عادة ما بين 8 كيلو هرتز و 20 كيلو هرتز) لتوليد نبضات تستخدم لتنظيم المحرك. يبلغ طول حواف هذه النبضات بضع نانو ثانية فقط. يمكن أن تنتقل هذه من خلال النظام بأكمله ، بما في ذلك الأرض.
· مزودات طاقة وضع التبديل (SMPS): تنتج SMPS مستويات أعلى من EMI من مصادر الطاقة الخطية. تستخدم إمدادات الطاقة في وضع التبديل نبضات عالية التردد (عادةً ما بين 40 كيلو هرتز و 200 كيلو هرتز) لتوليد جهد التيار المستمر من التيار المتردد. هذه النبضات لها حواف حادة ينتج عنها الكثير من الضوضاء غير المرغوب فيها.
· مزود الطاقة غير المنقطع (UPS): في حالة انقطاع التيار الكهربائي ، يقوم UPS بتحويل التيار المباشر إلى التيار المتردد. إن طاقة التيار المتردد التي يوفرها UPS بعيدة عن الموجة الجيبية الحقيقية لجهد الإمداد. تبدو أشبه بموجة مربعة ذات حافة حادة. قد تنتج هذه الحواف ، جنبًا إلى جنب مع الضوضاء الهائلة المتولدة أثناء التحويل من التيار المباشر إلى التيار المتردد ، ضوضاء عالية التردد عالية عند الخرج.
· دوائر التعتيم: تقوم مفاتيح التعتيم القائمة على الثايرستور ثنائي الاتجاه بإنتاج طفرات دورية متزامنة مع تردد الخط ، مما ينتج عنه ضوضاء عالية التردد.
· التوافقيات: تؤدي الأحمال غير الخطية التي تقوم بتحويل التيار المتردد إلى التيار المتردد إلى التوافقيات عالية التردد عند تردد التيار المتردد الأساسي. يمكن أن تتسبب هذه التوافقيات في تشويه أشكال موجة التيار المتردد ، مما يضر بالتشغيل العادي للمعدات والآلات الإلكترونية للطاقة. التوافقي الفردي خارج الطور مع التردد الأساسي ، مما يؤدي إلى مشاكل خطيرة في النظام. التوافقيات تشبه ضوضاء التردد المنخفض جدًا.
· سوف يتسبب التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) في حدوث طفرات أو نبضات قصيرة في الجهد الكهربائي. هذا ضار بشكل خاص للأجهزة الحساسة ، مثل رقائق المعالجات الدقيقة وأشباه الموصلات الأخرى أو الأجهزة الإلكترونية الصغيرة. إنها مشكلة مناعة.
تستهلك العديد من الأجهزة ، مثل محركات المؤازرة والآلات الدوارة ، قدرًا كبيرًا من الطاقة في فترة زمنية قصيرة ، مما قد يتسبب في حدوث ارتفاعات عالية في الجهد. تخلق هذه المسامير مستويات عالية من EMI التي تطغى على الأجهزة القريبة من خلال مقاطعة وظيفتها العادية. يمكن أن تكون هذه الانقطاعات عالية التردد ضارة بشكل خاص عندما تحدث بالقرب من معدات حساسة. إذا كان الجهد المتولد بواسطة EMI مرتفعًا جدًا بحيث يتعذر على الجهاز المكشوف التعامل معه ، فإنهم معرضون لخطر EOS.
EOS هو السبب الرئيسي لتلف مكونات الدوائر المتكاملة (IC). إذا كنت تستخدم الأتمتة في عملياتك ، فإن وظائفك التشغيلية اليومية تعتمد على قدرتك على منع وقمع EMI داخل منشأتك. لتقليل EOS ، تحتاج إلى فهم أصول EMI على كل من مستوى المنشأة ومستوى الأرض.
ضع في اعتبارك الآلات التي تميل إلى إصدار أكبر قدر من الضوضاء وأي أجزاء من كل جهاز تسبب تداخلًا داخليًا. يمكن أن تساعدك هذه المعلومات في صياغة أفضل طريقة لتنفيذ أجهزة قمع EMI مثل المرشحات.
تعد الجهود المبذولة لتقليل تعرض EMI للآلات الصناعية حكيمة ، خاصة الآن بعد أن أصبحت الشبكات المحلية اللاسلكية (WLans) أكثر شيوعًا في المنشآت الصناعية. عند إنشاء أدوات الطاقة ، فأنت تريد أن تفعل أكثر من مجرد تصفية EMI المولدة من الخارج - فأنت تريد أيضًا تخفيف انتشار الضوضاء داخل الجهاز لمنعه من توليد تداخل داخلي.
غالبًا ما يؤدي النظر في العوامل المذكورة أعلاه في مرحلة التصميم المبكرة إلى خيارات أكثر فعالية من حيث التكلفة. فيما يلي بعض اقتراحات التصميم لتقليل ومنع EMI في تكنولوجيا الأتمتة الصناعية:
· مرشحات EMI: لا تقم مرشحات EMI بقمع الضوضاء المنقولة غير المرغوب فيها فحسب ، بل تساعدك أيضًا على الامتثال للمعايير التنظيمية الصناعية لـ EMI مثل CISPR 11 و EN61000-6-3 و EN61000-6-4.
· الحماية: هي تقنية تصميم ميكانيكية لوضع درع أرضي من مادة مغناطيسية أو موصلة حول النظام. يحمي التدريع النظام من الضوضاء المشعة.
· فصل المكثفات: يساعد وضع المكثفات بالقرب من دبابيس الطاقة في HF IC على تقليل الكهرومغناطيسي المشع.
· مسار عودة قصير: غالبًا ما تعمل مسارات العودة الدائرية الطويلة كهوائيات مشعة ، مما يؤدي إلى حدوث الكهرومغناطيسية (EMI). من خلال توصيل أرض الجهاز مباشرة بالمستوى الأرضي ، يمكنك تقليل مستوى التداخل بشكل كبير.
تتمثل الوظيفة الرئيسية لمرشح EMI في تصفية تداخل النبضات عالية التردد لشبكة الطاقة الخارجية بمصدر الطاقة ، وكذلك لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي لمصدر طاقة التحويل نفسه إلى العالم الخارجي. في الواقع ، هي إحدى خصائص المحاثة والسعة ، يمكن أن تجعل تردد التيار المتردد 50 هرتز للتدفق عبر الفلتر ، ولكن أعلى من مرشح مرشح ضوضاء التداخل بتردد 50 هرتز ، لذلك له اسم آخر ، يسمى مرشح الترددات المنخفضة مرشح EMI (السيد) على التلفزيون ، أهميتها ، للتردد المنخفض يمكن أن تمر ، بينما مرشح التردد العالي.
دائرة مرشح EMI الثانوية
في مزودات الطاقة عالية الجودة ، توجد دائرتان لتصفية EMI ، أحدهما في مقبس الطاقة ، والآخر موجود على لوحة PCB لمصدر الطاقة (هناك حالات يتم فيها عمل دائرتي ترشيح EMI على PCB مجلس). يمكن لهاتين الدائرتين EMI تصفية الفوضى عالية التردد وتيار التداخل في الطور في شبكة الطاقة. في الوقت نفسه ، يتم تقليل الإشعاع الكهرومغناطيسي المتولد في مصدر الطاقة إلى الحد الأدنى ، بحيث لا يتسبب تسرب الإشعاع الكهرومغناطيسي إلى مصدر الطاقة في حدوث آثار ضارة على جسم الإنسان أو أي معدات أخرى. عادةً ما تتجاهل مصادر الطاقة ذات الجودة الرديئة دائرة مرشح EMI للمرحلة الأولى وحتى دائرة مرشح EMI للمرحلة الثانية.
