基于EMC理论探讨通讯干扰问题及其处理
作者：admin 来源：未知 日期：2020-05-26 08:15人气：
摘要：在工业现场， 使用大量开关电源、变频器等非线性用电设备， 伴随高电压、大电流等恶劣的电磁环境， 使得电磁干扰成为工业现场最为常见的问题。文章结合使用逆变器场所出现的RS485通讯问题， 采取多种技术手段对干扰进行抑制， 使通讯设备可以正常运行。
关键词：通讯； 干扰； RS485;
Abstract:In the industrial field, the use of a large number of switching power supplies, inverters and other non-linear electrical equipment, accompanied by high voltage, large current and other harsh electromagnetic environment, making electromagnetic interference （EMI） become the most common problem in industrial field.Combined with the RS485 communication problem in the inverter place, the interference is restrained by many kinds of technical means, so that the communication equipment can run normally.
Keyword:communication; interference; RS485;
随着电子技术的发展， 越来越多的场所使用了半导体开关电源、变频器等非线性用电设备， 这些设备的增多给电网带来不好影响， 即增多了电网的谐波污染。良好的电网主要是由50Hz的正弦基波成分构成， 而非线性开关设备的应用， 给电网带来了其它频次的高次谐波。这些谐波干扰以电场耦合、磁场耦合的方式影响到附近设备的正常工作。特别是以电压形式传输的模拟量信号、通讯信号更容易受到干扰， 当信号受到干扰后， 设备便不能正常运行。一般情况下， 如果在设计和安装前就充分考虑使用屏蔽电缆、屏蔽层接地、合理部局器件摆放位置、优化布线等措施能够解决大部分的干扰问题。但是在一些干扰强、工况复杂的场合， 出现的干扰问题却难以查找和解决。本文结合现场实际情况， 使用EMC理论对遇到的通讯干扰问题进行分析和处理。
1、干扰问题工况
在某储能逆变器现场， 使用带有RS485通讯功能的电能表。该电能表对500kW逆变器的运行数据进行采集， 将正、反向有功功率、电压、电流等信息传输给就地监控系统进行处理。电能表的基本原理是通过电网电压检测口来对电网电压信号采集， 交流电压在整流后为电能表提供内部工作供电电源；由电流接口采集电流互感器的电流信号；电网电压、电流信号经电能表内部的CPU计算处理后， 通过RS485接口与上位机进行数据传输。
在实际应用过程中发现；在逆变器起机后， 与电能表通讯口相连的PLC通讯模块总是报错， 就地监控系统无法正常读取电能表各项数据。使用示波器对通讯总线的测量发现， 通讯传输线上的传输信号上出现了干扰信号， 总线传输信号峰-峰值可达到8V, 通讯信号基本湮没在干扰信号中 （图1所示） .而在逆变器停机后， PLC读取电能表各项变量正常， 通讯信号中没有干扰出现。
2、安装调试前采用的抗干扰措施
在设备安装调试前， 考虑了电磁兼容性问题。已经对可能遇到的干扰问题采取了预防性措施。
首先， 通讯线缆使用了特性匹配为120欧姆的双绞屏蔽通讯电缆。使用该线缆依据为： （1） 屏蔽层有削弱干扰的磁场作用。磁屏蔽利用高导材料的低磁阻特性， 磁场进行分路 （H1《H0） , 使线缆较少受到磁场作用。另外外部磁场穿透屏蔽材料时产生涡流对干扰磁场进行削弱。 （2） 双绞线可以降低磁场干扰。导线双绞可以使通过两根导线所包围的磁势一正一反相互抵消， 整体上达到了将外部干扰磁场作用于通讯线的感应电动势降为最小的效果。 （3） 屏蔽层可以降低电场干扰。由于线缆和周围环境存在分布电容 （图2为分布电容模型） , 而电场通过分布电容对信号进行影响。
屏蔽导体接地情况下：
屏蔽导体不接地情况下：
在屏蔽层接地情况下， 减小了外部电场对导线的影响。屏蔽电缆的屏蔽层在电缆末端接头处， 如果部分导线裸露在屏蔽层之外， 会引入电磁干扰， 为避免末端效应， 屏蔽层末端与接头保证360°良好接触。另外， 在现场对通讯线缆的屏蔽层做了良好的接地处理。经过现场测试， 采用单端接地方式效果较好。通常情况下， 屏蔽层采用单端接地还是双端接地方式通常由现场实际工况决定。如果接地点存在电势差， 在屏蔽层中产生电流， 使被屏蔽线缆受到干扰， 则不宜采取双端接地方式。虽然已经采取了以上措施， 但是依然未能避免现场出现的通讯干扰问题。
3、增加匹配电阻防止通讯信号的反射
依据长导线传输理论， 电磁波遇到阻抗不匹配、突变将发生反射。在传输电缆的末端只要跨接了与电缆特性阻抗相匹配的终端电阻， 就能大大减少信号反射现象。由于电缆的特性阻抗是120Ω， 所以终端电阻采用120Ω的电阻进行匹配。在电能表和PLC监控模块两端各增加了120Ω的电阻， 后对通讯信号进行测量， 实测通讯波形如图3所示。从实测波形可以看出， 虽然干扰波峰-峰幅值有所降低， 但是通讯信号中依然存在干扰信号， 未能解决干扰问题。
4、使用隔离变压器隔离削弱共模干扰信号
考虑到电能表的供电和测量均是由被测系统直接提供， 为避免高频谐波从供电系统直接引入到电能表中， 再通过通讯线传输到上位机PLC, 使用了1:1的隔离变压器对采样电压进行隔离。
经过测量， 干扰的峰-峰值从3.84V降到了1.84V, 有2V的降幅， 但是主控PLC通讯模块， 仍然有通讯报错的情况发生。另外， 使用隔离变压器这种方式有致命的缺点：受变压器制作工艺水平的限制， 测量精确度不可能做得很高， 这样采集到的实际电压误差将会变大， 电压、功率测量结果精确度难以满足要求。
5、使用磁环削弱高频信号干扰
线缆在磁环上进行绕制， 可以制成等效的电感。
假设UL为电感两端电压， IL为电感两端电流随着频率f的增加， UL增加， 则Uo减小。
分别在电压输入、电流检测输入以及通讯回路增加磁环， 将原线缆在磁环上进行绕制， 等效制作成串在各回路中的电感， 以降低高频信号对电能表的影响。在使用了磁环后， 通讯干扰信号得以降低 （如图4所示） , 就地监控系统与电能表能够正常通讯。 6、结束语
现场存在干扰情况各异， 可能需要采用多种的技术手段予以解决， 围绕电磁干扰三要素：骚扰源、耦合途径、敏感设备这三方面入手寻找解决办法， 基本上都能对问题进行解决。设计前对系统整体有所把握， 对柜内强、弱电布局有充分的了解。在设计时本着强弱分离， 交、直分开的原则， 以避免因布局、走线不合理将干扰引入到通讯系统中。通讯、模拟量等信号线要使用带有屏蔽层的双绞电缆。并做好线缆屏蔽层的接地， 保证屏蔽层所接系统地纯净， 接地电阻小。而且要根据现场实际情况选择合适的接地方式， 并保证接地连接良好。必要时增加电源滤波器、隔离变压器等措施加强系统的抗干扰能力。有冲击性、强干扰的负载避免与敏感的控制、检测型负载使用公共电源。
参考文献
[1]梁振光。电磁兼容原理、技术及应用[M].机械工业出版社， 2007.
[2]任清晨。电气控制柜设计制作-电路篇[M].电子工业出版社， 2014.
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