CN101295924B - 消除互感耦合电磁干扰的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除互感耦合电磁干扰的方法和装置。它是检测强电干扰源系统电源线上的电流信号并转化为电压信号后，对测量转化的电压信号正相或反相进行幅值放大并使之转化为大小不受负载影响的输出电流信号，再将输出电流信号转化为和干扰电压信号幅值相等、相位相反的对消信号并注入弱电设备回路，抵消强电干扰源系统通过互感耦合引入到弱电设备回路上的干扰电压。它巧妙地引入电压/电流转换电路，克服了弱电设备回路阻抗对对消效果的影响，扩大了互感耦合对消方法的适用范围。其功耗小、成本低，克服了EMI滤波不能滤除同频干扰信号的缺点，与屏蔽方法相比，所需硬件装置体积小、重量轻，不会增加系统布局的难度。

Description

消除互感耦合电磁干扰的方法和装置

技术领域

本发明属于电磁干扰抑制领域，具体涉及一种消除互感耦合电磁干扰的方法和装置，尤其适用于系统级互感耦合电磁干扰的消除和抑制。

背景技术

现代舰船、飞机等独立系统中强电设备的电源线与弱电设备的电源线或信号线经常要平行放置，而且距离非常近。因此，强电线路上电力电子设备产生的高频谐波电流会通过互感耦合的方式，在弱电设备回路中产生干扰电压信号，影响弱电设备的正常工作，甚至使弱电设备出现故障，造成严重后果。为了保证系统内各种设备都能正常工作，必须采取合理有效的方法抑制互感耦合电磁干扰，提高系统的电磁兼容性。

抑制电磁干扰的策略通常有屏蔽、接地和EMI滤波等，这些抑制方法都有各自的应用局限和使用缺陷，例如屏蔽会增加系统的体积和重量，加大系统布局难度；接地会在公共地上引入地电流，可能导致更严重的电磁干扰问题；EMI滤波会增加设备的体积、重量和功耗，而且无法滤除同频干扰信号。

与屏蔽、EMI滤波等传统措施不同，也可以采用对消方法来抑制电磁干扰。美国、英国等西方国家对电磁干扰对消方法的研究起步较早，但主要集中在辐射领域。在辐射领域，对消方法在国外已经有成功的工程应用，主要是用来解决大功率天线之间辐射耦合干扰问题。在传导领域，国内外也曾有过利用对消方法抑制电磁干扰的例子，例如《An ActiveCircuit for Cancellation of Common Mode Voltage Generatedby a PWM Inverter》(IEEE APEC，1998)提出在PWM逆变器输出端增加“有源共模抵消装置”抑制共模干扰的方案，《Study on Electromagnetic Interference Problem of SwitchingPower Supply》(浙江大学博士论文，1999)研究了高频开关电源的电磁干扰并提出了“共模干扰反相消除技术”和“差模干扰反相抑制技术”。但是，这些研究的主要对象是单一的逆变器或小功率开关电源，研究内容局限于电路级传导电磁干扰的抑制，将对消方法应用于抑制系统级传导电磁干扰，尤其是应用于消除和抑制互感耦合电磁干扰，国内外还没有文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消除互感耦合电磁干扰的方法及装置。

实现本发明方法的技术方案为：消除互感耦合电磁干扰的方法，它是采用带有积分环节的电流互感器检测强电干扰源系统电源线上的电流信号并转换为电压信号后，采用具有电压/电流转换环节的放大电路对测量转换的电压信号正相或反相进行幅值放大并转换为大小不受负载影响的输出电流信号，再采用电流互感器将输出电流信号转化为和干扰噪声电压幅值相等、相位相反的对消电压信号并注入弱电设备回路，抵消干扰源系统通过互感耦合引入到弱电设备回路上的干扰噪声电压。

实现本发明装置的技术方案为：消除互感耦合电磁干扰的装置，它由干扰信号测量探头、控制调节电路和对消信号注入探头组成，所述干扰信号测量探头为带有积分环节的电流互感器，控制调节电路采用具有电压/电流转换环节的放大电路用以对干扰信号测量探头的输出电压信号正相或反相进行幅值放大并使之转化为大小不受负载影响的输出电流信号，对消信号注入探头为电流互感器。

首次将对消方法应用于消除互感耦合电磁干扰，为解决互感耦合电磁干扰问题提供了一种新方法。它巧妙地引入电压/电流转换电路，克服了弱电设备回路阻抗对对消效果的影响，扩大了互感耦合电磁干扰对消方法的适用范围。由于对消方法是向弱电设备回路注入对消信号，所需硬件装置能量等级与小功率弱电设备相当，功耗小、成本低，避免在大功率干扰源回路中加入成本昂贵、体积庞大的滤波器。检测的是强电干扰源系统电源线上的电流信号，与弱电设备的有用信号不相关，因此经过处理并注入到弱电设备回路的对消信号也与弱电设备的有用信号不相关，不会对弱电设备中同频有用信号产生影响，克服了EMI滤波不能滤除同频干扰信号的缺点，可以用来解决同频电磁干扰问题。与屏蔽方法相比，所需硬件装置体积小、重量轻，不会增加系统布局的难度。对消方法所需硬件装置不含开关器件，不会引入新的干扰，不影响弱电设备工作。

附图说明

图1是互感耦合电磁干扰对消方法原理示意图。

图2是互感耦合电磁干扰对消方法功能模块框图。

图3是干扰信号测量探头原理示意图。

图4是控制调节电路电路图。

图5是AD624内部结构框图。

图6是对消信号注入探头原理示意图。

图7是对消装置实例示意图。

图8为对消方法时域效果图。

图9为对消方法频域效果图。

具体实施方式

如图1所示，强电干扰源100(大容量电力电子变流设备)的电源线与弱电设备200(弱信号电路)的电源线或信号线经常要平行放置。强电干扰源100会通过互感耦合的方式在弱电设备200回路中感应出电压

其中

为谐波电流角频率，为干扰源电路上流过的高频谐波电流，M为两电路间的耦合互感，M的大小与电路形状、电路之间距离及电路间的介质磁性有关。对开关工作方式的大容量电力电子变流设备产生的高次谐波电流来说，ω和

都很大，因此在弱电设备回路中产生的骚扰电压

可达很高的数值，过高的

会影响弱电设备的正常工作，甚至使弱电设备出现故障，即发生了互感耦合电磁干扰。本发明采用对消方法来消除互感耦合电磁干扰，其思想是检测强电干扰源系统电源线上的电流信号，经过处理后注入弱电设备回路，并且保证注入的电压信号为

则强电干扰源在弱电设备回路中产生的总电压为

从而消除强电干扰源对弱电设备的影响。为此，在强电干扰源100的电源线上接入干扰信号测量探头300，干扰信号测量探头的输出连接控制调节电路400，控制调节电路的输出连接对消信号注入探头500，对消信号注入探头连接弱电设备200。

如图2所示，互感耦合电磁干扰的对消方法包括三个功能模块。干扰信号测量探头300检测干扰源系统电源线上的电流信号并转换为电压信号，控制调节电路400对干扰信号测量探头输出的电压信号正相或反相进行幅值放大并转换为大小不受负载影响的输出电流信号，对消信号注入探头500将控制调节电路输出的电流信号转换为和弱电设备回路上的干扰噪声电压幅值相等、相位相反的对消电压信号并注入弱电设备回路，抵消干扰源系统通过互感耦合引入到弱电设备回路上的干扰噪声电压。

如图3所示，干扰信号测量探头3 00实际上是一个带有积分环节的电流互感器，当干扰信号测量探头卡在被测导线上时，被测导线相当于互感器的初级，干扰信号测量探头中的线圈相当于互感器的次级，设该互感器初级和次级之间的互感为M₁，则被测导线上的交变电流在干扰信号测量探头次级线圈上感应的电压为

该感应电压经过积分环节后变为并输出到控制调节电路。干扰信号测量探头可以使用自制探头，也可以选用市售的电流测量探头，如美国泰克公司生产的TCP303。自制探头的方法是：将绕组均匀密绕在环形非磁性骨架上(选用非磁性骨架的原因是所测电流值一般较大，铁磁骨架电流互感器容易因铁芯饱和而存在较大的误差)，绕组的两个引线作为探头输出端，为了使用方便，环形骨架可以做成卡钳式的，由两个半环组成，这样可以在不断开被测导线的情况下，方便地将探头卡在被测导线上。需要说明的是，无论使用自制探头还是选用市售探头，必须保证干扰信号测量探头的频响曲线在所关心的频段内是平坦的，即干扰信号测量探头的转移阻抗

不随被测信号的频率变化而变化。

如图4所示，是基于放大器AD624而设计的控制调节电路400，控制调节电路实际上是一个具有电压/电流转换环节的放大电路。控制调节电路400和干扰信号测量探头300的连接方法是：若干扰信号测量探头的输出电压信号与被测电流信号的相位相反，AD624的输入端与干扰信号测量探头的输出端正向连接，若干扰信号测量探头的输出电压信号与被测电流信号的相位相同，则AD624的输入端与干扰信号测量探头的输出端反向连接。对于图3所示的干扰信号测量探头300，输出电压信号

与被测电流信号

的相位相反，因此AD624的输入端与干扰信号测量探头的输出端正向连接。对于

控制调节电路进行幅值放大并转换为大小不受负载影响的输出电流信号图4所示电路将输入电压信号转换为大小不受负载影响的输出电流信号的原理可以结合图5中AD624的内部结构框图进行说明：对于图5所示电路，由放大器的虚短和虚断原理可知，电阻R_S上的电压为

该电压的大小不受负载影响，因此R_S上电流

的大小也不受负载影响，若选R_S远小于R5(10kΩ)，则R5上流过的电流

远小于可以忽略不记，则负载上流过的电流为该电流的大小受电阻R_S控制，而不受负载影响。需要说明的是，也可以基于其它放大器搭建控制调节电路，但控制调节电路必须具有电压/电流转换环节，使输入电压信号转换为大小不受负载影响的输出电流信号。

如图6所示，对消信号注入探头500实际上也是一个电流互感器，当对消信号注入探头卡在弱电设备回路上时，对消信号注入探头中的线圈相当于互感器的初级，弱电设备回路相当于互感器的次级，设该互感器初级和次级之间的互感为M₂，则输入到对消信号注入探头的电流

在弱电设备回路中产生的电压为

对消信号注入探头可以使用自制探头，也可以选用市售电流注入探头，如美国Solar公司的9144-1N。自制探头的方法是：将绕组均匀密绕在环形磁性骨架(选用磁性骨架的原因是注入电流幅值较小，不存在铁芯饱和现象，使用磁性骨架可以提高互感器耦合强度，增加注入效率)上，绕组的两个引线作为探头输入端，为了方便使用，环形骨架可以做成卡钳式的，由两个半环组成，这样就可以在不断开电路回路的情况下，方便地将探头卡在该回路上。需要说明的是，无论使用自制探头还是选用市售探头，对消信号注入探头的转移阻抗应该随着输入电流信号的频率增加而线性增加，即满足

为消除弱电设备回路上的干扰电压信号，制作如图7所示的对消装置，干扰信号测量探头300选用美国泰克公司生产的TCP303，TCP303采用霍尔效应原理和感应线圈混合有源补偿技术，在直流到15MHz内有平坦的频响曲线，满足对消方法对干扰信号测量探头的要求；考虑到TCP303的输出电压信号与被测电流信号相位相同，干扰信号测量探头TCP303的输出端与放大器AD624的输入端反向连接，R_G为精密可调电阻，R_S为1Ω的精密恒值电阻，AD624的电源选为±9V；对消信号注入探头选用美国Solar公司的9144-1N，9144-1N在10kHz以下转移阻抗随着输入信号的频率增加而线性增加，满足对消方法对对消信号注入探头的要求。通过改变R_G的阻值而调整控制调节电路的放大倍数，直到满足M＝M₁M₂·(40000/R_G+1)/(R_S·R·C)，即满足从而使干扰源系统在弱电设备回路中产生的总电压为

达到消除互感耦合电磁干扰的目的。

图8为本发明消除互感耦合电磁干扰的时域效果图。由图可见，当强电干扰源(大容量电力电子变流设备)不工作时，弱电设备(弱信号电路)不受干扰，弱电设备回路中信号为波形良好的正弦波；当强电干扰源工作时，弱电设备受到明显的干扰，信号波形变得非常差；采用图7所示的对消装置消除弱电设备回路的干扰电压信号，弱电设备信号波形得到明显的改善。

为了更清楚地观察本发明消除互感耦合电磁干扰的效果，进行了对消效果的频域实验，图9为对消方法频域效果图。由图可见，未受干扰时弱电设备回路只有单一频率(900Hz)的正弦信号；受到干扰时，弱电设备回路出现了多个频率的干扰电压信号，影响了弱电设备的正常工作；采用本发明所述方法消除互感耦合电磁干扰，弱电设备回路中干扰电压信号的幅值大幅度下降，而900Hz有用信号的幅值并无减小，验证了本发明的可行性。

Claims (5)

1.一种消除互感耦合电磁干扰的方法，它是采用带有积分环节的电流互感器检测强电干扰源系统电源线上的电流信号并转换为电压信号后，采用具有电压/电流转换环节的放大电路对测量转换的电压信号正相或反相进行幅值放大并转换为大小不受负载影响的输出电流信号，再采用电流互感器将输出电流信号转化为和干扰噪声电压幅值相等、相位相反的对消电压信号并注入弱电设备回路，抵消干扰源系统通过互感耦合引入到弱电设备回路上的干扰噪声电压。

2.如权利要求1所述消除互感耦合电磁干扰的方法，其特征是若所述测量转换的电压信号与被测电流信号的相位相反，正相进行幅值放大；若所述测量转换的电压信号与被测电流信号的相位相同，反相进行幅值放大。

3.一种消除互感耦合电磁干扰的装置，其特征在于它由干扰信号测量探头、控制调节电路和对消信号注入探头组成；所述干扰信号测量探头为带有积分环节的电流互感器；控制调节电路采用具有电压/电流转换环节的放大电路用以对干扰信号测量探头的输出电压信号正相或反相进行幅值放大并使之转化为大小不受负载影响的输出电流信号；对消信号注入探头为电流互感器。

4.如权利要求3所述消除互感耦合电磁干扰的装置，若干扰信号测量探头的输出电压信号与被测电流信号的相位相反，控制调节电路的输入端与干扰信号测量探头的输出端正向连接；若干扰信号测量探头的输出电压信号与被测电流信号的相位相同，控制调节电路的输入端与干扰信号测量探头的输出端反向连接。

5.如权利要求3所述消除互感耦合电磁干扰的装置，其特征在于具有电压/电流转换环节的放大电路包括AD624放大器，AD624放大器3脚和16脚之间连接可调电阻，AD624放大器10脚连接恒值电阻。

Images