电磁兼容问题及处理 –
03 了解滤波的原理和技术
从第二章开始，我们给大家介绍的是电磁兼容技术具体的技术和方法。前两篇文章介绍的是电磁兼容传输部分的相关内容，包括线路的传导和空间耦合等相关的概念和常见类型，相信大家对电磁兼容的传导有了一个较为全面的认识，在今后的电磁兼容问题处理中，可以考虑切断干扰信号的传播途径来抑制电磁兼容问题的发生。但如何通过技术手段来切断干扰信号的传播途径呢？从本篇开始，我们将针对上述两种传输途径的处理方式分别进行探讨。
首先，我们考虑如何切断通过导线进行传播的方法，我们将介绍电磁兼容技术中的一个重要的方法--滤波。
提到滤波，其实大家都不陌生，在选择各类型变频器的过程中，往往会考虑滤波器的选择；在项目集成过程中，往往也要考虑隔离变压器等元器件的选择，这些其实都是跟滤波相关的技术和设备。
滤波器
滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路。滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。换句话说，凡是可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减或抑制其他频率成分的装置或系统都称之为滤波器。滤波器可以对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，得到一个特定频率的电源信号，或消除一个特定频率后的电源信号。
1. 低通滤波器
低通滤波器是比较常见的一种滤波器，其特性是保证低频信号正常通过，而高频信号则被滤除，低通滤波器用在交直流电源系统中时，可以抑制电源中的高频噪声，用在输出电路中时则可以滤除有用信号中的高次谐波和其他的杂波干扰。这种滤波器在电磁兼容抑制技术中的应用非常普遍。
（1）电容滤波器
电容滤波器的原理如图1所示。其中Z1为滤波器向负载端输视入的阻抗，Za为滤波器向源端视入的阻抗，滤波电容的阻抗为Zc=1/(jωC)。频率越高电容的阻抗越小，即高频时，电容器为线路提供了一个低阻抗的、并联的通道。此时，当电源中的电流同时存在高频成分和低频成分时，高频电流主要流过电容，而低频电流则会流向负载，从而将高频成分滤除掉。此时，电容器的选择应满足Za,Z1>ZC，因此，电容滤波器适用于高频时源阻抗和负载都较大的场合。
图1 电容滤波器
电容器可以用来滤除差模噪声，也可以用来滤除共模噪声。
将电容器并联在设备的交流电源进线间时，可以滤除电源线上的差模高频噪声。如果将电容器并联在导线和地之间，则可以滤除共模噪声（图2）。穿芯电容就是一种常见的共模电容滤波器（图3）。
图2 电容并接在导线—地之间
图3 穿芯电容
（2）电感滤波器
电感滤波器原理如图4所示。滤波器电感阻抗为ZL= jωL，频率越高电感阻抗越大，即高频时为线路提供了一个串联的高阻抗，高频成分主要消耗在电感上，低频成分则可以通过电感到达负载。此时，电感器的选择应满足Za,Z1<ZL，因此，电感滤波器适用于高频时源阻抗和负载都较小的场合。
图4 电感滤波器结构
作为电感滤波器的线圈一般有两种，一种是差模扼流圈，用于抑制差模高频噪声，另外一种是共模扼流圈，用于抑制共模高频噪声。差模扼流圈一般是单线扼流圈，串联在单根传输线上。扼流圈本身则缠绕在铁粉芯上。共模扼流圈可插入传输导线对中，同时抑制每根导线对地的共模高频噪声，而对于传输线中的差模电流则没有影响。一般用于大电流滤波器中。
（3）Γ型滤波器
除了纯电容或电感滤波器，往往也会将电容和电感组合在一起，制成各种滤波器应用于更多的场合。例如，Γ型滤波器（图5）。
图5 Γ型滤波器的结构
该滤波器适用于高频时负载阻抗较大，而源阻抗较小的场合。
（4）Π型滤波器
顾名思义，Π型滤波器是由两节Γ型滤波器组合而成，结构见图6。Π型滤波器适用于高频时负载阻抗和源阻抗都较大的场合，与电容滤波器相比，其插入损耗更大，因此滤波效果更好。
图6 Π型滤波器结构
（5）Τ型滤波器
Τ型滤波器也是由两节Γ型滤波器组合而成，其结构见图7。适用于高频时负载和源阻抗都较小的场合。与电感滤波器相比，其插入损耗更大，因此滤波效果也更好。
图7 Τ型滤波器结构
以上都是几种比较常见的低通滤波器。
这些滤波器可以级联运行，例如：差模和共模滤波器级联后可以同时抑制两种模式的高频噪声，并且级联滤波器的性能受两端负载阻抗的影响也相对较小，因此有更好的性能。
（6）电源滤波器
电源滤波器是一种级联滤波器，并且其作用是双向的，既可以阻止电网中的噪声进入设备，也可以防止设备侧的噪声污染电网，其结构见图8。
（滤除差模噪声） （滤除共模噪声）
图8 电源滤波器
在电源滤波器中，L1和L2是两个单扼流圈，串在线路中组成差模电感滤波器，C1是差模滤波电容，L3和L4则是共模扼流圈，中间是铁氧体磁环，C2和C3是共模滤波电容，其“地”端接在滤波器的金属外壳，并须通过金属外壳接大地。
低通滤波器是工业现场经常使用的滤波器，因为一般来讲，对于工业控制来讲，往往都是工频的设备，高频信号对于这些设备来讲，往往是干扰信号，需要被滤掉。
除了低通滤波器，还有一些其他类型的滤波器，这里简单介绍一下。
2. 高通滤波器
高通滤波器是用在高频的信号线上的，可以滤除交流电源分量或外界的低频噪声。
3. 带通和带阻滤波器
带通滤波器指的是只允许特定频率为中心的一段窄带信号通过，带阻滤波器则刚好相反。
4. 吸收式滤波器
除了以上几种滤波器，还有一些滤波器是通过材料本身的特性实现滤波效果的，称之为吸收式滤波器。
这种滤波器往往是由有耗器件构成，在阻带内吸收噪声的能量，并转化为热损耗，从而起到滤波的作用。最常见的就是铁氧体吸收式滤波器（图9）。
图9 铁氧体磁环
铁氧体是一种磁性材料，由铁、镍、歆氧化物混合而成，具有很高的电阻率和较高的磁导率。当电流穿过铁氧体时，低频电流可以无损通过，而高频电流则会受到很大的损耗，变成热量被散发掉。
常见的铁氧体有磁环、磁珠等。其中磁环可以套在线缆外面，无需接线，因此使用起来比较方便。但铁氧体存在饱和的问题，因此现场可以多加几个，另外，磁环中间的空间应尽量小，效果才更好。
以上是关于滤波器的相关知识。大家在实际使用滤波器的过程中，需要注意几个问题：
（1）滤波器的选择，应该根据现场的实际干扰的情况来确定，否则可能效果不佳。
（2）滤波器有进线端和出线端，不能反接。
（3）滤波器的进线端一般都有接地端子，该端子必须良好接地。
（4）滤波器的金属外壳应尽量与设备的金属外壳大面积良好接触，并保证金属外壳良好接地。
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