Роль и влияние фильтра EMI в промышленном производстве
2022-09-21
По мере того, как промышленная автоматизация становится все более цифровой, увеличивается чувствительность оборудования к электромагнитным помехам (ЭМП). Фильтрация и/или защита этих устройств от электромагнитных помех необходима для обеспечения бесперебойной работы и ожидаемого результата. Это особенно важно, потому что управление может выйти из строя из-за помех, что приведет к сбоям на выходе. Это может привести к серьезным авариям и/или простоям производственной линии, что приведет к потере производительности.
В промышленной среде машины работают в непосредственной близости друг от друга и поэтому чувствительны к помехам. Фильтры электромагнитных помех могут играть ключевую роль в предотвращении распространения шума и помех.
Окружающая среда, подобная фабрике, полна потенциальных источников помех. Теперь, когда автоматизация становится все более распространенной, как никогда важно защитить машины от нежелательных электромагнитных помех. Общие отраслевые источники EMI включают:
· Коммутация: Включение и выключение питания приводит к сильным переходным процессам. Чем выше нагрузка, тем выше уровень переходного процесса, что может привести к серьезным сбоям. Когда включение и выключение/переключение питания происходит с высокой скоростью (например, микросхема микропроцессора или коммутатор для щеточного двигателя), переходные процессы многократно генерируются с очень высокой скоростью, что приводит к высокочастотному шуму.
· Сервоприводы и частотно-регулируемые приводы (VFD): это наиболее распространенные источники шума в средах промышленной автоматизации. Эти драйверы переключают частоты (обычно между 8 кГц и 20 кГц) для генерации импульсов, которые используются для регулирования двигателя. Фронты этих импульсов имеют длину всего несколько наносекунд. Они могут передаваться через всю систему, включая землю.
· Импульсные источники питания (SMPS): SMPS создают более высокие уровни электромагнитных помех, чем линейные источники питания. Импульсные источники питания используют высокочастотные импульсы (обычно от 40 кГц до 200 кГц) для генерирования постоянного напряжения из переменного тока. Эти импульсы имеют острые края, что приводит к большому количеству нежелательных шумов.
· Источник бесперебойного питания (ИБП): В случае сбоя питания ИБП выполняет преобразование постоянного тока в переменный. Мощность переменного тока, подаваемая ИБП, далека от истинной синусоиды напряжения питания. Это больше похоже на прямоугольную волну с острым краем. Эти фронты в сочетании с подавляющим шумом, возникающим при преобразовании постоянного тока в переменный, могут создавать на выходе значительный высокочастотный шум.
· Схемы диммирования: Диммирующие переключатели на основе двунаправленных тиристоров производят периодические всплески, синхронизированные с частотой сети, что приводит к высокочастотному шуму.
· Гармоники: Нелинейные нагрузки, выполняющие преобразование переменного тока в постоянный, вызывают высокочастотные гармоники на основной частоте переменного тока. Эти гармоники могут вызвать искажение формы волны переменного тока, что наносит ущерб нормальной работе силового электронного оборудования и машин. Нечетная гармоника не совпадает по фазе с основной частотой, что приводит к серьезным проблемам в системе. Гармоники похожи на очень низкочастотный шум.
· Электростатический разряд (ЭСР) вызывает короткие всплески или импульсы напряжения. Это особенно вредно для чувствительных устройств, таких как микропроцессорные чипы и другие полупроводники или крошечные электронные устройства. Это проблема с иммунитетом.
Многие устройства, такие как сервоприводы и вращающиеся машины, потребляют много энергии за короткий промежуток времени, что может вызвать скачки высокого напряжения. Эти всплески создают высокие уровни электромагнитных помех, которые подавляют близлежащие устройства, прерывая их нормальную работу. Эти высокочастотные отключения могут быть особенно опасными, когда они происходят рядом с чувствительным оборудованием. Если напряжение, генерируемое электромагнитными помехами, слишком велико для открытого оборудования, оно подвергается риску EOS.
EOS является основной причиной повреждения компонентов интегральной схемы (ИС). Если вы используете автоматизацию в своих процессах, ваши повседневные рабочие функции зависят от вашей способности предотвращать и подавлять электромагнитные помехи на вашем предприятии. Чтобы свести к минимуму EOS, вам необходимо понять происхождение электромагнитных помех как на уровне объекта, так и на уровне земли.
Подумайте, какие машины производят больше всего шума и какие части каждой машины вызывают внутренние помехи. Эта информация может помочь вам сформулировать наилучший способ реализации устройств подавления электромагнитных помех, таких как фильтры.
Усилия по снижению воздействия электромагнитных помех на промышленные машины разумны, особенно сейчас, когда беспроводные локальные сети (WLans) становятся все более распространенными на промышленных объектах. При создании электроинструментов вы хотите сделать больше, чем просто отфильтровать внешние электромагнитные помехи, вы также хотите смягчить распространение шума внутри устройства, чтобы оно не создавало внутренних помех.
Учет вышеперечисленных факторов на ранней стадии проектирования часто приводит к более экономичным вариантам. Ниже приведены некоторые предложения по проектированию для уменьшения и предотвращения электромагнитных помех в технологии промышленной автоматизации:
· Фильтры электромагнитных помех: Фильтры электромагнитных помех не только подавляют нежелательные передаваемые шумы, но также помогают соблюдать промышленные нормативные стандарты электромагнитных помех, такие как CISPR 11, EN61000-6-3 и EN61000-6-4.
· Экранирование: это метод механического проектирования для размещения заземляющего экрана из магнитного или проводящего материала вокруг системы. Экранирование защищает систему от излучаемого шума.
· Развязывающие конденсаторы. Размещение конденсаторов рядом с выводами питания ВЧ-ИС помогает уменьшить излучаемые электромагнитные помехи.
· Короткий обратный путь: длинные круговые обратные пути часто действуют как излучающие антенны, что приводит к возникновению электромагнитных помех. Подключив землю устройства напрямую к заземляющей пластине, можно значительно снизить уровень помех.
Основная функция фильтра электромагнитных помех состоит в том, чтобы отфильтровать помехи высокочастотного импульса внешней электросети источнику питания, а также уменьшить электромагнитные помехи самого импульсного источника питания внешнему миру. На самом деле это одна из характеристик индуктивности и емкости, которая может заставить переменный ток с частотой около 50 Гц протекать через фильтр, но выше, чем у фильтра помех с частотой более 50 Гц, поэтому он имеет другое название, называемое Фильтр электромагнитных помех фильтр нижних частот (ФНЧ) в телевизоре, их значение, ибо низкие частоты могут пропускать, а фильтр высоких частот.
Цепь вторичного фильтра электромагнитных помех
В качественных блоках питания имеется две схемы фильтрации ЭМП, одна из которых находится в розетке, а другая на плате блока питания (нередки случаи, когда обе схемы фильтрации ЭМП выполнены на печатной плате). доска). Эти две цепи электромагнитных помех могут хорошо отфильтровывать высокочастотные помехи и синфазные помехи в электросети. В то же время электромагнитное излучение, генерируемое в блоке питания, сведено к минимуму, поэтому количество утечки электромагнитного излучения в блок питания не окажет неблагоприятного воздействия на организм человека или другое оборудование. В источниках питания низкого качества обычно отсутствует схема фильтра электромагнитных помех первой ступени и даже схема фильтра электромагнитных помех второй ступени.
В промышленной среде машины работают в непосредственной близости друг от друга и поэтому чувствительны к помехам. Фильтры электромагнитных помех могут играть ключевую роль в предотвращении распространения шума и помех.
Окружающая среда, подобная фабрике, полна потенциальных источников помех. Теперь, когда автоматизация становится все более распространенной, как никогда важно защитить машины от нежелательных электромагнитных помех. Общие отраслевые источники EMI включают:
· Коммутация: Включение и выключение питания приводит к сильным переходным процессам. Чем выше нагрузка, тем выше уровень переходного процесса, что может привести к серьезным сбоям. Когда включение и выключение/переключение питания происходит с высокой скоростью (например, микросхема микропроцессора или коммутатор для щеточного двигателя), переходные процессы многократно генерируются с очень высокой скоростью, что приводит к высокочастотному шуму.
· Сервоприводы и частотно-регулируемые приводы (VFD): это наиболее распространенные источники шума в средах промышленной автоматизации. Эти драйверы переключают частоты (обычно между 8 кГц и 20 кГц) для генерации импульсов, которые используются для регулирования двигателя. Фронты этих импульсов имеют длину всего несколько наносекунд. Они могут передаваться через всю систему, включая землю.
· Импульсные источники питания (SMPS): SMPS создают более высокие уровни электромагнитных помех, чем линейные источники питания. Импульсные источники питания используют высокочастотные импульсы (обычно от 40 кГц до 200 кГц) для генерирования постоянного напряжения из переменного тока. Эти импульсы имеют острые края, что приводит к большому количеству нежелательных шумов.
· Источник бесперебойного питания (ИБП): В случае сбоя питания ИБП выполняет преобразование постоянного тока в переменный. Мощность переменного тока, подаваемая ИБП, далека от истинной синусоиды напряжения питания. Это больше похоже на прямоугольную волну с острым краем. Эти фронты в сочетании с подавляющим шумом, возникающим при преобразовании постоянного тока в переменный, могут создавать на выходе значительный высокочастотный шум.
· Схемы диммирования: Диммирующие переключатели на основе двунаправленных тиристоров производят периодические всплески, синхронизированные с частотой сети, что приводит к высокочастотному шуму.
· Гармоники: Нелинейные нагрузки, выполняющие преобразование переменного тока в постоянный, вызывают высокочастотные гармоники на основной частоте переменного тока. Эти гармоники могут вызвать искажение формы волны переменного тока, что наносит ущерб нормальной работе силового электронного оборудования и машин. Нечетная гармоника не совпадает по фазе с основной частотой, что приводит к серьезным проблемам в системе. Гармоники похожи на очень низкочастотный шум.
· Электростатический разряд (ЭСР) вызывает короткие всплески или импульсы напряжения. Это особенно вредно для чувствительных устройств, таких как микропроцессорные чипы и другие полупроводники или крошечные электронные устройства. Это проблема с иммунитетом.
Многие устройства, такие как сервоприводы и вращающиеся машины, потребляют много энергии за короткий промежуток времени, что может вызвать скачки высокого напряжения. Эти всплески создают высокие уровни электромагнитных помех, которые подавляют близлежащие устройства, прерывая их нормальную работу. Эти высокочастотные отключения могут быть особенно опасными, когда они происходят рядом с чувствительным оборудованием. Если напряжение, генерируемое электромагнитными помехами, слишком велико для открытого оборудования, оно подвергается риску EOS.
EOS является основной причиной повреждения компонентов интегральной схемы (ИС). Если вы используете автоматизацию в своих процессах, ваши повседневные рабочие функции зависят от вашей способности предотвращать и подавлять электромагнитные помехи на вашем предприятии. Чтобы свести к минимуму EOS, вам необходимо понять происхождение электромагнитных помех как на уровне объекта, так и на уровне земли.
Подумайте, какие машины производят больше всего шума и какие части каждой машины вызывают внутренние помехи. Эта информация может помочь вам сформулировать наилучший способ реализации устройств подавления электромагнитных помех, таких как фильтры.
Усилия по снижению воздействия электромагнитных помех на промышленные машины разумны, особенно сейчас, когда беспроводные локальные сети (WLans) становятся все более распространенными на промышленных объектах. При создании электроинструментов вы хотите сделать больше, чем просто отфильтровать внешние электромагнитные помехи, вы также хотите смягчить распространение шума внутри устройства, чтобы оно не создавало внутренних помех.
Учет вышеперечисленных факторов на ранней стадии проектирования часто приводит к более экономичным вариантам. Ниже приведены некоторые предложения по проектированию для уменьшения и предотвращения электромагнитных помех в технологии промышленной автоматизации:
· Фильтры электромагнитных помех: Фильтры электромагнитных помех не только подавляют нежелательные передаваемые шумы, но также помогают соблюдать промышленные нормативные стандарты электромагнитных помех, такие как CISPR 11, EN61000-6-3 и EN61000-6-4.
· Экранирование: это метод механического проектирования для размещения заземляющего экрана из магнитного или проводящего материала вокруг системы. Экранирование защищает систему от излучаемого шума.
· Развязывающие конденсаторы. Размещение конденсаторов рядом с выводами питания ВЧ-ИС помогает уменьшить излучаемые электромагнитные помехи.
· Короткий обратный путь: длинные круговые обратные пути часто действуют как излучающие антенны, что приводит к возникновению электромагнитных помех. Подключив землю устройства напрямую к заземляющей пластине, можно значительно снизить уровень помех.
Основная функция фильтра электромагнитных помех состоит в том, чтобы отфильтровать помехи высокочастотного импульса внешней электросети источнику питания, а также уменьшить электромагнитные помехи самого импульсного источника питания внешнему миру. На самом деле это одна из характеристик индуктивности и емкости, которая может заставить переменный ток с частотой около 50 Гц протекать через фильтр, но выше, чем у фильтра помех с частотой более 50 Гц, поэтому он имеет другое название, называемое Фильтр электромагнитных помех фильтр нижних частот (ФНЧ) в телевизоре, их значение, ибо низкие частоты могут пропускать, а фильтр высоких частот.
Цепь вторичного фильтра электромагнитных помех
В качественных блоках питания имеется две схемы фильтрации ЭМП, одна из которых находится в розетке, а другая на плате блока питания (нередки случаи, когда обе схемы фильтрации ЭМП выполнены на печатной плате). доска). Эти две цепи электромагнитных помех могут хорошо отфильтровывать высокочастотные помехи и синфазные помехи в электросети. В то же время электромагнитное излучение, генерируемое в блоке питания, сведено к минимуму, поэтому количество утечки электромагнитного излучения в блок питания не окажет неблагоприятного воздействия на организм человека или другое оборудование. В источниках питания низкого качества обычно отсутствует схема фильтра электромагнитных помех первой ступени и даже схема фильтра электромагнитных помех второй ступени.
