⚠️注意电噪声的高频特性

解决电磁噪声干扰问题，并非传统工业电气专业擅长，而是无线电通讯专业的活。所以，如果您身边有搞无线电通信的达人，赶紧拜师学艺吧。...



前文书关于《动力电缆屏蔽层带电》的“事件”中，麥總曾研判－－这是由于高频电噪声干扰所致的。

猛戳上述下划线部分或下图，回看前文书视频内容。



本期，就来谈谈麥總的观点，以及之所以作出上述研判的依据。

首先我们需要看一下能够在屏蔽层产生这个 100 多伏电压的背后的机理。

我们知道交流变频电机的动力电缆，承载着变频驱动器输出的受控可变频率电流，并将其从驱动器的动力输出端输送到交流变频电机，从而实现对电机的调速和位置控制。而目前交流变频驱动器（比如PWM 脉宽调制驱动系统）的基本工作原理，就是通过逆变回路中的晶体管高频触发通断，来控制输出电流的频率变化。



交流变频器的这种工作方式，在帮助我们用“变频”的方式驱动控制电机的同时，会有一个“副作用”，就是：

• 晶体管会在动力输出线路中瞬间强加一个等同于直流母线电压大小的阶跃变化(通常低于200nS)，如上图所示，杂散电容 A 迅速充电，瞬变的电压导致电流出现尖峰。这种短促的电流尖峰，持续不断的触发输出，形成高频（kHz～MHz级别）电流，就是 PWM (脉宽调制) 驱动系统中的主要噪声源，它们与变频动力电流输出掺杂在一起被动力电缆承载着的，并且以我们目前的技术能力，基本没有办法避免它的产生（除非我们不用这种变频技术）。

从驱动器输出的带有高频噪声的动力电流，会流经变频电机的负载回路。我们知道，作为将电能转换为机械能的电动机，其内部为多极线圈绕组，是具有电感特性的负载，也就是说它是有感抗的，而对于交流电来说，感抗为：

XL= 2 · π · f · L

XL：感抗

f：电流频率

L：电感

感抗是与电流频率成正比的，因此对于驱动器输出的电流来说，其中主要的低频驱动电流比较容易从电机绕组中通过，从而形成从电流到扭矩的转换；而对于其中掺杂的高频噪音部分，由于电机绕组对其产生的高阻抗，这部分噪声电流流过电机绕组的难度是较大的，换句话说，包含变频电机和动力电缆的负载回路，对于驱动器输出的高频噪声电流，阻抗是较高的。由于电流都有选择低阻抗回路的特性，高频噪声也不例外，此时如果有更低阻抗的电流回路，噪声电流必然将选择从这个较低阻抗回路分流。

那么，在我们的设备中，真的可能有这样的低阻抗回路么？从驱动器输出的电缆只是接到负载电机上啊？没看到有任何其它分流负载元件与动力回路接触呀！

此时不妨想一下那些无线电通讯设备，比如对讲机、移动电话、雷达、GPS......，这些设备在没有任何相互电路接触的情况下，不是也可以非常准确的传输电信号么？它们的原理就是高频交流信号的耦合，换句话说，高频电流信号可以不需要借助金属导体通路接触，就能产生相互耦合回路，这就是我们日常说的“无线电”。

上面说的电机动力电缆上掺杂的高频噪声电流，本质上和无线电通讯中的信号电流一样，都是高频电流信号，所不同的，后者是承载信息数据的信号电流，前者则是杂乱无章的噪声干扰电流。既然都属于高频电流，那么就都是可以“无线”耦合传导的咯。

无线电通讯中的电信号耦合是通过收发天线完成的，那么电机动力电缆上的这些高频噪声，有别的设备与之无线耦合传导么？答案是肯定的。

在我们实际机械设备中，电机动力电缆往往与设备其它各种电缆敷设在一起，比如，在电柜中的线槽、电柜到设备的电缆托架......，当两根电缆平行敷设在一起时，它们就好像电容的两个极板，在之间很自然的形成了电容，而电容耦合作用，恰恰是高频电流耦合的基本原理。

我们知道电容值为：

C = ε · S / d

C：电容

ε：极板间介质的介电常数

S：为极板耦合面积

d：为极板间的耦合距离

同时，电容形成的阻抗：

Xc = 1 / ( 2· π· f· C )

=d / ( 2 · π · f · ε· S )

Xc：容抗

f：电流频率

C：电感

从这两个电容和感抗的计算公式很快发现，对于越是高频的电流，其容抗就越低，就越容易产生耦合；同时，如果耦合面积越大，或者极板之间的相互距离越近，也就会因为容抗更小而更容易相互耦合传导。

所以，如果上面所说的电机动力电缆的旁边，有其它电缆与之近距离相互平行敷设，且并行敷设距离较长，相当于形成了一个较大耦合面积和近距离耦合极板的低阻抗电容，那么对于线上掺杂的高频噪音来说，这无疑是一个“低阻抗”通路。

回顾前面所说的动力负载回路，当动力输出中的高频噪声电流在电机绕组的电感性负载面前“遭遇”高阻抗时，而在动力电缆的“隔壁”有着另一根电缆与之形成低阻抗电容性回路时，高频噪声信号很自然的选择将能量通过无线电容耦合的方式传输到这个“邻居”那里去。而如果这个“隔壁邻居”所连接的是一个易受扰的数据通讯信号设备，那么就具备了电噪声干扰的三要素（干扰源、耦合回路、受扰设备），电噪声干扰就此产生。一般来说，这些电噪声干扰的能量本身并不高，但由于其极高的频率，在耦合过程中，会在受扰设备上瞬间产生极高的尖峰电压，这对于一些比较敏感的设备，尤其是弱电传感元件（比如：传感器、编码器、网络通讯组件）的正常工作，是有着极大的危害的。

有没有发现，整个电噪声产生、传导、到耦合、再到最后元器件受扰的过程中，电噪声自身的高频特性起到了决定性的作用：

• 首先，电噪声是在功率放大逆变回路中的晶体管高频触发通断作用下产生的“副产品”
• 其次，电噪声在电机负载回路中传导受阻，是因为其高频特性在电机绕组的电感特性造成的高感抗
• 然后，也因为电噪声的高频特性，长距离并排敷设的电缆之间形成的“超级”电容，才能成为电噪声从动力电缆上耦合传输扩散出去的低阻抗“专属”通路。
• 最后，这些受扰的元器件，往往也都是需要使用有序的高频信号进行工作的设备，它们之所以受扰，就是因为高频的电噪声与有序的信号杂乱的叠加在了一起。

了解电噪声的高频特性，对于“实战”中处理电噪声干扰问题，是有着重要意义的。

一方面，这将帮助我们理解电噪声干扰的整个作用机理，有助于在“实战”中诊断、分析和识别电噪声干扰过程中的各个要素，干扰源、受扰者，尤其是传导耦合回路。

举个最常见的例子，很多朋友在遇到干扰问题时，都会像前文书视频中那样，借助万用表测得的各种电压和阻值，做出各种判断和分析，比如柜体与设备框架之间、屏蔽层与外壳之间...等等，往往测出的阻值都很小。但如果了解电噪声的高频特性，就明白，万用表测的阻值近乎于“零”，并不意味着其阻抗很小、可以确保成为电磁噪声的闭环通路；以文中开头提到的视频为例，屏蔽层上测出的上百伏的电压，用示波器测量时，却超出量程，可能峰值达到几千上万伏，足够形成尖端放电的电弧。这些直流或低频的测量数值并不能全面的反应干扰的实际情况。这就是为什么在处理电磁噪声问题时，往往使用示波器测量噪声，而不是用万用表，因为万用表是测量普通直流电和工频交流电的，测量高频信号基本是读不到什么数值的。

除了帮助“实战分析”，了解电噪声的高频特性，最重要的一方面，就是帮助采取合理有效的实施 EMC 电磁兼容性措施。因为我们将能够很容易理解很多常见的 EMC 电磁兼容性指导措施的原理和重要性。比如：

• 为什么变频动力线需要采用屏蔽电缆？
• 为什么屏蔽电缆两端需要使用屏蔽层环形夹子？
• 为什么要做高频绑定？
• 为什么驱动器背板和电柜底板都需是金属平面？
• 为什么电柜背板使用格栅板安装驱动器会更好？
• ......

关于上面这些“为什么”，本刊以后的内容中会逐一谈到。

事实上，很多产品手册上关于 EMC 电磁噪声兼容性的指导措施，都是基于电噪声的高频特性设计和制定的。电磁兼容性实施（或者电噪声干扰问题的解决），并不是要“消除”电噪声，正如前面所说，我们的技术能力很难做到这一点；这些 EMC 措施的基本原理，是借助其高频特性为其找到恰当的低阻抗回路，当电噪声选择从设计好的低阻抗回路中分流、并绕开易受干扰元件时，就避免或消除了其对正常运行设备的干扰和影响。所以我们称之为“EMC 的电磁噪声管理” 。

解决电磁噪声干扰问题，并非传统工业电气专业擅长，而是无线电通讯专业的活，TA 们非常善于借助高频信号的特性，来实现数据与信号的传导和通讯。这个看似不搭界的专业领域，在关于高频电流信号“管理”的技术措施上，有着很多值得我们借鉴的地方。唯一的差异在于：在通讯领域高频信号是有益的数据载体，需要被有效传播；而在工业设备中，这些高频噪声往往是有害的“干扰”，需要避免和消除其危害。

mcrazy

点击“阅读原文”，了解更多《电磁噪声管理》内容

    关注 智造商