摘要：電力線通信是一個正在發(fā)展的嶄新學科，但由于電力線傳輸?shù)臒o屏蔽性，給電力線通信帶來嚴重的電磁干擾與電磁兼容問題。在深入分析了電力線通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾的主要原因的基礎上，對EMI濾波電路進行了設計研究，并通過實驗驗證了該濾波網(wǎng)絡對于抑制電力線載波通信EMI的可行性。
關鍵詞：電力線載波通信；電磁兼容；共模干擾；EMI濾波
電力線通信技術目前發(fā)展非常迅速，現(xiàn)在已經(jīng)進入初步應用階段。PLC系統(tǒng)充分利用電力系統(tǒng)的廣泛線路資源，通過OFDM等技術可以在同一電力線不同帶寬的信道上傳輸數(shù)據(jù)。但是由于電力線傳輸?shù)臒o屏蔽性，電網(wǎng)的穩(wěn)定性比傳統(tǒng)的通信網(wǎng)差得多，使得電力線通信線路的電磁環(huán)境極為復雜，這就給電力線通信系統(tǒng)提出了更高的電磁兼容要求，電磁兼容技術也成了實現(xiàn)電力線通信所需的關鍵技術之一。本文在深入分析了電力線通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾的主要原因的基礎上，對EMI濾波電路進行了設計研究，并通過實驗驗證了該濾波網(wǎng)絡對于抑制電力線載波通信EMI的可行性。
l 電力線載波通信電磁兼容問題分析
1．1 電磁兼容分析模型
一個電子系統(tǒng)如果能與其他電子系統(tǒng)相兼容的工作，也就是不產(chǎn)生干擾又能忍受外界的干擾則稱為該電子系統(tǒng)與區(qū)環(huán)境電磁兼容。對于一般的電磁兼容問題的基本分析模型如圖1所示。
對于PLC系統(tǒng)來說，干擾源要整體考慮。不僅包括PLC設備，而且要考慮當信號加到電力線上時，由于電力線是一種非屏蔽的線路，有可能作為發(fā)射天線對無線通信和廣播產(chǎn)生不利影響。此外還要考慮多種PLC設備間的相互影響。PLC的耦合途徑是非常復雜的，是不同的途徑相互作用的結果。總體上分為兩種，一種是空間的輻射，對應的被干擾設備是無線通信和廣播信號；另一種是沿電力線的傳導騷擾，主要造成對電能質量的影響。因此PLC系統(tǒng)的電磁兼容問題涉及多個PLC系統(tǒng)的共存，以及與無線網(wǎng)絡的共存等。
1．2 PLC系統(tǒng)電磁干擾產(chǎn)生機理
由于電力線的特性和結構是按照輸送電能的損失最小并保證安全可靠地傳輸?shù)皖l(50 Hz)電流來設計的，不具備電信網(wǎng)的對稱性、均勻性，因而基本上不具備通信網(wǎng)所必須具備的通信線路電氣特性。而PLC系統(tǒng)所產(chǎn)生的電磁干擾問題正是由于電力線的這種對地不對稱性產(chǎn)生的。
電力線產(chǎn)生干擾的機理有兩種(如圖2)，一種是電力線中的信號電流Id(差模電流)回路產(chǎn)生的差模干擾，另一種是電力線上的共模電流Ic產(chǎn)生的共模干擾。差模電流大小相等方向相反，因此一般近似認為由其產(chǎn)生的電磁場相互抵消。而共模電流的方向是一致的，其產(chǎn)生的電磁場相互疊加，所以電力線的干擾主要來自共模干擾。
1．3 改善PLC系統(tǒng)電磁兼容性的主要措施
(1)充分利用或改善PLC系統(tǒng)電力線的對稱性
PLC系統(tǒng)的輻射強度取決于PLC網(wǎng)絡或其電纜的對稱性。高度對稱線路的特征是異模電流與共模電流的比值很大，故輻射非常小?？梢赃x擇對稱性好的導線，例如4芯電纜，但此法不適用于室內(nèi)網(wǎng)絡，而且成本較高。
(2)減小PLC系統(tǒng)中高頻信號的功率譜密度
減小PLC信號的功率譜密度(PSD)能降低輻射電平，但不影響總的發(fā)送功率。因此，PLC系統(tǒng)適宜采用寬帶調(diào)制技術，但其擴頻效率受電力線低通特性的限制。
(3)合理選擇調(diào)制技術
OFDM是一種高效的調(diào)制技術，其基本原理是將發(fā)送的數(shù)據(jù)流分散到許多個子載波上，使各子載波的信號速率大為降低，從而提高抗多徑和抗衰落能力。
(4)合理設計EMI濾波網(wǎng)絡
將濾波器安裝在緊鄰變壓器和緊鄰家庭用戶的連接點上，或者直接在電力線調(diào)制解調(diào)器內(nèi)部引入濾波器。這樣既可以保持PLC信號的異模傳播，又可以阻止PLC信號進入輻射效率高的導線或其他附接設備。本文將主要對EMI濾波網(wǎng)絡進行研究設計。
2 濾波電路設計
基于以上對于電力線通信電磁兼容性的分析，可以在電力線通信系統(tǒng)的收端接一個EMI濾波器，用以抑制系統(tǒng)所產(chǎn)生的共模干擾。由于兩根電力線不可能完全重合，也就是說差模電流所產(chǎn)生的電磁場不能完全抵消，所以在設計濾波電路時，也應考慮到差模干擾的抑制。
EMI濾波電路基本網(wǎng)絡結構如圖3所示。
圖3中，差模抑制電容為Cl和C2，共模抑制電容為C3和C4，共模電感為L，并將共模電感纏繞在鐵氧體磁芯圓環(huán)上，構成共模扼流圈。共模扼流圈對于共模信號呈現(xiàn)出大電感具有抑制作用，而對于差模信號呈現(xiàn)出很小的漏電感幾乎不起作用。由于干擾信號有差模和共模兩種，因此濾波器要對這兩種干擾都具有衰減作用。其基本原理為：
(1)利用電容通高頻隔低頻的特性，將電源正極，電源負極高頻干擾電流導入地線(共模)，或將電源正極高頻干擾電流導入電源負極(差模)。
(2)利用電感線圈的阻抗特性，將高頻干擾電流反射回干擾源。
3 實驗結果
在圖3濾波電路中取差模電容C1，C2為7 000 pF，共模電容C3，C4為0．015 μF，共模扼流圈磁芯采用錳一鋅鐵氧體，每路繞30匝，電感量為3．7 mH。
3．1 EMI濾波網(wǎng)絡濾波性能仿真
圖4為干擾噪聲隨頻率關系的模擬仿真，由此可見干擾信號的頻率越高，則干擾信號通過該濾波網(wǎng)絡后衰減越大。共模干擾的頻率一般在2 MHz以上，所以說該濾波電路能對共模干擾起到良好的抑制作用。
3．2 EMI濾波網(wǎng)絡輸出結果分析
當采用輸入為24 V，輸出為12 V，功率為25 W的開關電源模擬輸入信號時，用帶寬為20 MHz的示波器測得濾波前后信號紋波分別為50 mV和5 mV。由此可見該濾波網(wǎng)絡對干擾信號衰減了20 dB，良好地抑制了電路中所產(chǎn)生的干擾噪聲。
4 結 語
電力線通信技術作為一種強有力的手段，有著雄厚的發(fā)展基礎和廣闊的市場，應有其使用和生存的發(fā)展環(huán)境和空間。但是，低壓電力線并不是專門用來傳輸通信數(shù)據(jù)的，它的拓撲結構和物理特性都與傳統(tǒng)的通信傳輸介質(如雙絞線、同軸電纜、光纖等)不同。它在傳輸通信信號時信道特性相當復雜，負載多、噪聲干擾強、信道衰減大，通信環(huán)境相當惡劣。目前還有很多亟待解決的問題，例如PLC的電磁輻射問題，調(diào)制技術和編碼技術的改進，通信信號衰減的抑制等。本文研究的EMI濾波電路旨在抑制接收端由于共模電流和差模電流產(chǎn)生的共模和差模干擾，今后還有待于結合電磁原理，在PLC設備和網(wǎng)絡的電路及電磁輻射特性等方面做深入研究。
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