继电器引起的电快速汛变脉冲群措施

继电器引起的电快速瞬变脉冲群强扰及抗扰度措施 陈曦1 ,陆俭国1 ,许浩2 (1. 河北工业大学 ,天津 300130 ; 2.广州电器科学研究所 ,广东 广州 510302) 摘要 : 讨论了继电器在切换感性负载时产生的尖峰电磁干扰及其危害 ,并结合 IEC61002424 快速瞬变群脉冲 (EFT)抗干扰标准说明了对电子设备进行实验的标准和方法 ,最后讨论了电气设备抗 EFT群脉冲干扰的措 施。 关键词 : 继电器 ; 　电快速瞬变脉冲群骚扰 ; 　抗扰度及措施 中图分类号 : TM58 　　　文献标识码 : B 　　　文章编号 : 100324897 (2001) 1020070204 1 　引言 继电器是一种广泛应用于各种电气电路中常见 的器件 ,随着各种电子设备的小型化、数字化和微处 理器的智能化 ,由继电器电磁兼容性引起的问题也 日益受到重视。 继电器由线圈和触点组成 ,在触点打开的过程 中 ,可能会引起电弧 ,这个电弧噪声的频谱非常宽 , 足以引起高频辐射性干扰 ,若不加限制地使这些干 扰外泄 ,会给相邻的其它电子设备和线路造成很大 的干扰 ,甚至会引起故障和失效。 对于控制电路来说 ,继电器的线圈是一种电感 性负载 ,当流过电感的电流被突然切断时 ,会产生很 高的瞬间电压 ,这个高达千伏的电压可以造成控制 电路的其它元件损坏 ;受到线圈寄生电容的影响 ,电 压波形为一个衰减的正弦波 ,其频率由电感和寄生 电容决定 ,并通过连接导线形成传导骚扰和辐射骚 扰。 由于继电器已经成为一个重要的骚扰源 ,因此 研究继电器产生干扰的机理及其对其它电子电路产 生的影响 ,并从继电器本身入手解决电磁兼容性问 题以及电子电路如何有效防止继电器干扰等问题 , 是有着重要意义的。 2 　继电器的电磁干扰模型 通常一个继电器由供电控制线路和开关组成 , 其等效电路如图 1 所示。其中 L、C、R 分别是继电 器线圈的电感、层间分布电容和电阻。L1、C1、R1 分 别是导线分布电感、分布电容和电阻。 在下列计算时[1 ] , 取线圈绕组稳态电流为 70mA、线圈电感为 1H、分布电容 500pF ,线路分布电 感 10μH、电容为 80pF ,电阻影响忽略。当开关 K 打 开瞬间 ,线圈中能量方程 　　Li2 = Cu2 (1) 继电器线圈中电感电压为 u = i LC = 70 ×10 - 3 1 500 ×10 - 12 = 3130V (2) f = 1 2π LC = 1 2π 1 ×500 ×10 - 12 = 7kHz (3) 图 1 　继电器等效电路 在控制线路一侧 ,出现的电压和频率为 u0 = i L C = 70 ×10 - 3 10 ×10 - 6 80 ×10 - 12 = 25V (4) f0 = 1 2π LC = 1 2π 10 ×10 - 6 ×80 ×10 - 12 = 5. 6MHz (5) 实验表明 ,在触点上产生拉弧现象的条件是触 点上的电压超过 320V 并且电路阻抗允许 dV/ d t > 1V/μs。由上述 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 表明 , u µ u0 , f ν f 0 ,说明控制线 路的电压作用不明显 ,并且很快被衰减到零 ,拉弧现 象主要由继电器线圈产生的高压所致。 试验一只普通小型 24V 直流继电器 ,用另一只 相同型号继电器的线圈作为感性负载 ,直流电压为 10V ,用高速记忆示波器观察继电器触点接合和断 开电压过程 ,如图 2 ,就会发现当继电器切换感性负 载时 ,触点产生了许多幅值很高的过电压 ,触点吸合 和分断时 ,最高峰2峰电压高达 700V ,并形成了频率 很高的尖峰脉冲。分析触点打开的过程 ,当触点刚 刚被打开时 ,其距离很近 ,不需要太高电压就可以击 07 2001 年 10 月 　　　　　　　　　　　继电器RELAY　　　　　　　　　　　第 29 卷 　第 10 期 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 穿触点之间的空气绝缘 ,C 上电压很快向电源放电 , 形成第一次拉弧 ;在第一次拉弧现象结束后 ,电感 L 又向 C 充电 ,此时触点距离较之原来要大一些 ,要 再度击穿触点间空气绝缘所需电压要高一些 ,形成 第二次放电 ,产生第二次拉弧现象。一直持续到线 圈电感的电压不能击穿触点间空气绝缘为止。 过电压形成的脉冲重复率大体上是几 kHz 到几 百 kHz ,因此在 EMC 中称为电快速瞬变群脉冲 ( Electric Fast Transient Pluse) ;若用频谱分析仪观察 , 这些波形包含的频谱非常宽 ,达几百 MHz。但在射 频范围内 ,能量较小 ,因此尖峰电压主要会引起传导 骚扰。此外 ,这个瞬变电压与继电器类型有关 ,表 1 给出了几种常见的继电器的特性。 图 2A 　24V 直流继电器触点分断过电压 图 2B 　24V 直流继电器触点吸合过电压 　　在实际电路中 ,即使继电器回路中没有电感元 件负载 ,但连接导线、电缆和 PCB 印刷线路板等的 分布电感同样会造成触点的过电压 ,这些干扰通过 线路传导或通过与其它导线、电缆、邻近 PCB 线条 的分布电容耦合到其它电路。 电快速瞬变脉冲群对电子线路造成的骚扰 ,产 生严重的危害。由于数字电路是一种低电平敏感系 统 ,因此更容易受到干扰 ,这些数字逻辑电路通常是 TTL、COMS门电路、微处理器电路、总线和 I/ O 输入 输出端口 ,当这些电路受到干扰时会造成逻辑混乱、 微处理器死机、程序飞出、外部设备误动作等故障。 表 1 　几种常见的继电器的特性 参数 继电器类型 信号继电器 控制继电器 (5A) 控制继 电器 (10A) 类峰电压 (kV) 0. 523 0. 521. 8 0. 2522. 5 尖峰上升时间 (ns) < 3 < 3 < 3 尖峰持续时间 (μs) 3. 5232 4220 3. 5222 尖峰间隔时间 (μs) 7265 8240 7245 尖峰重复率 (kHz) 152143 252125 222143 每串尖峰数目 270 165 130 尖峰串长度 (ms) 2. 2 2 1. 7 3 　IEC610002424 ( GB/ T17626. 421998)电快速 　瞬变脉冲 ( EFT)抗扰度试验标准 　　由上面的试验和理论分析可知 ,继电器、接触器 等开关电器在切换感性负载时 ,在电源线、信号线和 控制线上会产生一些幅值很高、上升时间短、重复率 高、能量小的一系列尖峰干扰 ,故称之为电快速瞬变 群脉冲 ( Electric Fast Transient Pluse) 。针对这类干 扰 ,国际电工委员会 ( IEC)下设的工业过程测量和控 制设备委员会 ( TC65) 在 1995 年制定了 IEC80124 标 准 ,后来与 IEC77 协商 ,成为新的 IEC610002424 标 准。该标准 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 了模拟电快速瞬变脉冲群的波形、 试验方法和试验酷度 ,通过 EFT 发生器 ,将 EFT 脉 冲注入到试验设备中 ,以检验设备对此类骚扰的电 磁兼容性抗骚扰度能力 ,这个标准也成为电磁兼容 的基础性标准[3 ] 。(我国已正式转化为国家标准 GB/ T17626. 421998) EC610002424 标准规定 EFT 脉冲群发生器的脉 冲为双指数波形 ,上升时间为 5ns ,持续时间 50ns ,脉 冲群持续时间 15ms ,脉冲群周期 300ms ,如图 3。通 过不同严酷度的实验 ,可以检验不同应用场合的电 气设备 ,表 2 列出了 IEC610002424 标准对不同酷度 等级的实验 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 。 图 3 　FET脉冲发生器波形 17继电器引起的电快速瞬变脉冲群强扰及抗扰度措施 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表 2 　IEC610002424 标准实验规范 等级 实验电压 电源线 I/ O 信号线、控制线 1 0. 5kV 0. 25kV 2 1kV 0. 5kV 3 2kV 1kV 4 4kV 2kV X 特殊 特殊 4 　EFT骚扰的抗扰度抑制措施 继电器触点已经成为电路中一个主要的骚扰 源 ,为消除骚扰要从消除或减弱骚扰源、切断耦合途 径和提高敏感系统抗扰等三个方面入手。采用阻容 元件吸收过电压等措施是有效减弱骚扰源的措施 , 本文主要讨论敏感元件或系统的抗脉冲群骚扰的方 法。 图 4 是一个继电器触点、感性负载以及其它电 路输入电阻的等效电路 ,继电器采用了普通 24V 直 流继电器 ,负载是另一只型号相同的继电器线圈 ,串 联在回路中等效其它系统输入阻抗的电阻为 1kΩ , 图 5 是继电器触点分断时电阻上的瞬态电压波形。 由此可见 ,继电器的过电压对其它电路产生了峰2峰 值达 80V 的高频瞬态骚扰。 图 4 　继电器 FET测试电路 图 5 　继电器触点分断时电阻上的瞬态电压 EFT的上升时间和持续时间很短 ,为纳秒级 ,高 频可延伸到 100MHz ,因此普通滤波器无法消除此类 干扰。在电路设计中常常采用铁氧体磁环滤除 EFT 骚扰。 铁氧体材料的基本组成部分是铁氧化物和其他 成分如锰、锌、钴、镍等。铁氧体的性能用其磁导率 (μ)来表示 ,并根据初始磁导率分类。 铁氧体的阻抗为复阻抗 ,包含实部和虚部 , Z = R + jX。阻抗的虚部产生感抗 ,而实部提供纯电阻 , 并随频率变化而变化如图 6。当频率较低时 , R 和 X 均较低 ,呈低阻抗如频率低于 5MHz 时 ,铁氧体阻抗 大约为 150Ω ,随着频率增加 ,阻抗也迅速增加 ,当频 率高于 100MHz 时 ,阻抗超过 1000Ω ,并将达到一个 峰值 ,此后 ,由于电容的影响 ,阻抗开始下降。 目前铁氧体分为四种应用种类 : ●标准信号 ; ●高速信号 ; ●电源线 ; ●超高频。 图 7 显示了图 4 测试电路中 ,在电阻两端增加 了铁氧体磁环后与原电路中负载电阻上瞬态电压波 形的比较 ,从图中可以看出 ,增加磁环后 ,电阻上瞬 态电压峰2峰值从 80V 下降到了 20V ,瞬态骚扰得到 显著的滤除。 图 6 　铁氧体的阻抗曲线 图 7 　铁氧体磁环抑制 EFT干扰的效果 27 2001 年 10 月 　　　　　　　　　　　继电器RELAY　　　　　　　　　　　第 29 卷 　第 10 期 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 5 　结论 本文讨论了继电器在切换感性负载时产生的尖 峰骚扰及其危害 ,并结合 IEC610002424 电快速瞬变 脉冲群 ( EFT)抗骚扰标准说明了对电子设备进行实 验的标准和方法 ,最后讨论了电气设备抗 EFT脉冲 群骚扰的措施 ,对于线路上的 FET 骚扰 ,可以采用 特殊的环型铁氧体 ,吸收高频骚扰 ,在实践中取得良 好应用 ,可以用于继电器经过的电源和控制线路 ,消 除由继电器引起的 FET对电子线路的骚扰。 参考文献 : [1 ] 　Lutz ,Electric Fast Transient IEC80124 Susceptibility of Elec2 tronic Equipment and System At Higher Frequencies and Volt2 ages ,IEEE Symp. on EMC’92 ,pp1892194 ,California ,USA.[2 ] 　Forti M M , High2Frequency and Low2Frequency Componentsof the Capacitive Switching Transient in Power Mains , IEEESymp. on EMC’92 ,pp4312434 ,California ,USA.[3 ] 　IEC610002424 ,第四部分 :试验及测量技术 ,第四篇 :电快速瞬变脉冲群抗扰度试验.[4 ] 　钱振宇 . 电磁兼容测试和对策技术. 上海电器技术 (增刊) ,1999.收稿日期 : 　2001203212基金项目 : 　本研究项目受到广东省科委资助作者简介 : 　陈曦 (1963 - ) ,男 ,硕士 ,副教授 ,主要研究方向为电器电磁兼容、工业自动化 ; 　陆俭国 (1937 - ) ,男 ,博导 ,教授 ,主要研究方向为电器可靠性。 Disturbance rejection degree and countermeasures to the disturbance of electric fast transient pulse caused by relays CHEN Xi1 , LU Jian-guo1 , XU Hao2 (1. Hebei University of Technology , Tianjin 300130 , China ; 2. Guangzhou Electrical Appliances Science & Research Institute ,Guangzhou 510302 , China) Abstract :　The peak electromagnetic disturbance caused by relay in switching inductive load and its danger are discussed in this paper. The standard and method to test the electronic equipment are presented based on the standard of IEC6100 - 4 - 4 on electric fast transient pulse ( EFT) disturbance. The countermeasures of electric equipment against EFT disturbance are put forward. Keywords : 　relay ; 　EFT disturbance ; 　disturbance rejection degree and countermeasure 37继电器引起的电快速瞬变脉冲群强扰及抗扰度措施 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.