變頻調(diào)速系統(tǒng)控制電路的抗干擾問(wèn)題研究

邢彬

摘 要：由于變頻調(diào)速系統(tǒng)的許多控制功夠難以通過(guò)外部控制環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，因此，通用變頻器內(nèi)部都附帶有基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的專門的控制電路。控制電路屬于弱電電路，比較容易受干擾，而變頻器自身卻是一個(gè)強(qiáng)干擾源，因此，變頻調(diào)速系統(tǒng)控制電路的干擾問(wèn)題比較突出。本文主要討論變頻調(diào)速系統(tǒng)控制電路的抗干擾問(wèn)題，分別對(duì)控制電源的干擾、開關(guān)量控制端子連線的干擾以及模擬量端子的干擾進(jìn)行分析研究，從工程經(jīng)驗(yàn)角度介紹一些抗干擾的措施。

關(guān)鍵詞：變頻器；信號(hào)；干擾；隔離

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.233

變頻調(diào)速系統(tǒng)在變頻器以外的控制電路部分，其控制電源一般來(lái)自所在電網(wǎng)，與變頻器的主電路輸入處處于同一電氣連接上，因此，是一個(gè)比較直接的干擾來(lái)源。尤其當(dāng)外部控制電路里有PLC等數(shù)字式電子控制設(shè)備時(shí)，這個(gè)干擾通道很可能產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。

1 交流控制電源

對(duì)于交流控制電源，隔離變壓器是常用的隔離措施。變壓器的能量傳遞是“電——磁——電”耦合關(guān)系，其中存在的電磁慣性會(huì)抑制過(guò)于尖銳的電壓或者電流尖峰，針對(duì)工頻參數(shù)設(shè)計(jì)的繞組和鐵心結(jié)構(gòu)又隔離了直流分量并抑制了高頻的諧波，因此，變壓器本身就具有一定的抗干擾作用。

然而，變壓器中不僅存在電磁耦合關(guān)系，在一次和二次繞組間由于分布電感和電容的存在，還存在著電電耦合關(guān)系，一般變壓器一次和二次繞組是套疊布置的，這種耦合關(guān)系就更加強(qiáng)烈。電電耦合關(guān)系允許難以通過(guò)電磁耦合關(guān)系傳遞的一些干擾穿越，因此，很大程度上降低了變壓器隔離干擾的能力。

對(duì)于三相五線制系統(tǒng)，電源零線與地線只在電力變壓器處同時(shí)接地，在應(yīng)用端可以認(rèn)為零線和地線是彼此獨(dú)立的，零線上電流引起的電位變化對(duì)于地線電位基本沒(méi)有影響。這種情況下隔離變壓器一次繞組可以接零，隔離屏蔽層則接地，二次繞組的一端也接地以鉗制其電位基準(zhǔn)，這就是隔離變壓器的常規(guī)連接方式。

對(duì)于三相四線制系統(tǒng)，沒(méi)有獨(dú)立的地線，需要接地時(shí)就地設(shè)置接地措施解決，只要接地措施能夠滿足接地電阻的要求，一般可以按照常規(guī)連接。對(duì)于三相三線制系統(tǒng)，沒(méi)有獨(dú)立零線，當(dāng)系統(tǒng)中存在單相負(fù)載時(shí)，則是將其零端接地，利用大地充當(dāng)零線形成回路的，這種情況如果隔離變壓器仍然按照常規(guī)連接，則一次和二次繞組就通過(guò)大地構(gòu)成了電聯(lián)系，一次繞組的對(duì)地電流通過(guò)對(duì)地電位的影響被耦合到屏蔽層和二次繞組形成干擾通道。此時(shí)應(yīng)當(dāng)把一次繞組做成無(wú)零線連接，即相對(duì)相380V繞組。如果接地條件不好，電位不穩(wěn)定，則最好將二次繞組也懸浮起來(lái)，形成二次繞組不接地連接。

2 直流電源

對(duì)于直流控制電源，難以采用隔離措施，因此，把直流控制電源的一次側(cè)接在隔離變壓器的二次側(cè)是比較合理的方式。此時(shí)隔離變壓器的容量計(jì)算要把直流部分功率考慮在內(nèi)。

普通的單項(xiàng)整流加濾波的直流電源，在空載時(shí)由于濾波電容的等效放電電阻降低，使輸出電壓爬升，容易損壞PLC硬件模塊，不適合作為PLC等控制設(shè)備的直流控制電源。三相全波整流加濾波的直流電源和直流開關(guān)電源是合適的選擇。多數(shù)PLC對(duì)于直流電壓的紋波系數(shù)要求不高，質(zhì)量可靠的常規(guī)開關(guān)電源是足夠使用的。

3 開關(guān)量信號(hào)

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有很多干擾因數(shù)，由各種強(qiáng)電流產(chǎn)生的環(huán)境電場(chǎng)干擾可以在懸浮導(dǎo)體上產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，例如，一個(gè)高阻抗連接的導(dǎo)體可以感應(yīng)出10V的電壓來(lái)，對(duì)于PLC的直流24V開關(guān)量輸入這類高阻抗信號(hào)輸入而言，來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)線感應(yīng)的電壓很可能被誤判為高電平，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的邏輯動(dòng)作。因此，PLC類設(shè)備的開關(guān)量輸入中，來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)應(yīng)該采取隔離措施，來(lái)自就近布置的按鈕之類主令元件的信號(hào)則可以根據(jù)實(shí)際情況考慮，距離略遠(yuǎn)，干擾電場(chǎng)強(qiáng)烈的情況仍然需要隔離。

PLC的輸出信號(hào)一般要帶動(dòng)有一定功率的控制元件，阻抗不會(huì)很高，感應(yīng)電壓導(dǎo)致外部原件誤動(dòng)作的情況很難發(fā)生。但當(dāng)感應(yīng)干擾很強(qiáng)烈時(shí)，通過(guò)輸出控制線傳回PLC的干擾可能對(duì)輸出驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生影響。造成誤動(dòng)作甚至損壞輸出模塊。因此，如果現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境較差則輸出電路仍然應(yīng)該采取隔離措施。

輸入輸出隔離可以采用光隔離或者繼電器隔離，光隔離采用專門的光隔離器，其滯后小，響應(yīng)快，因?yàn)闆](méi)有機(jī)械動(dòng)作因此使用壽命比繼電器長(zhǎng)，但光隔離器的輸入阻抗一般比繼電器高，干擾強(qiáng)烈時(shí)有可能產(chǎn)生誤動(dòng)作，最好選擇輸入阻抗較低的隔離器件。

4 模擬量信號(hào)

開關(guān)量信號(hào)只要不產(chǎn)生誤動(dòng)作就不影響運(yùn)行，而模擬量信號(hào)只要受到干擾影響就總會(huì)影響到數(shù)據(jù)精度，開關(guān)量的有效信號(hào)帶有較大功率，靠隔離措施能夠?qū)⒐β瘦^低的干擾信號(hào)與功率較高的有效信號(hào)區(qū)分開來(lái)，而模擬量信號(hào)一旦被干擾，靠隔離措施很難濾除。因此，模擬量輸入的抗干擾措施需要從根本的方面入手。

電流型模擬量信號(hào)，如0～20mA以及4～20mA信號(hào)，其信號(hào)源是直流電流源，對(duì)于線路中的電壓干擾不敏感，輸入阻抗也比較低，一般是250Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻，所以比起電壓型信號(hào)來(lái)抗干擾能力強(qiáng)得多。

標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)都是直流信號(hào)，輸入電路中通常有濾波環(huán)節(jié)能夠?yàn)V除大部分高頻交流干擾，因此不太受高頻電磁干擾危害，而對(duì)靜電干擾更加敏感，屏蔽電纜隔離靜電干擾的能力較強(qiáng)，因此用于模擬量信號(hào)的抗干擾作用明顯。屏蔽電纜屏蔽層的接地方式對(duì)抗干擾效果影響較大，近端接地、遠(yuǎn)端接地以及兩端接地對(duì)于不同類型干擾有不同的作用，效果各不相同，一般推薦的是近端單端接地，但有時(shí)候遠(yuǎn)端或者兩端接地可能效果更好，調(diào)試時(shí)可以試驗(yàn)不同接地方法的效果來(lái)決定。

來(lái)自線路的干擾通常是共軛干擾，也即信號(hào)線的兩根線芯會(huì)受到同樣方向同等強(qiáng)度的干擾，一些抗共軛干擾的措施能夠有效的濾除這類干擾。共繞空心電感線圈是簡(jiǎn)單的共軛濾除方式，可以自己用兩根漆包線一起繞制而成，匝數(shù)可以通過(guò)試驗(yàn)決定，以達(dá)到濾除效果而又不超過(guò)輸入線路允許的阻值為準(zhǔn)，一般約需要數(shù)百匝至千余匝。

變頻器的接地端應(yīng)該可靠接地，一般允許在系統(tǒng)保護(hù)接地上，但應(yīng)該與防雷接地系統(tǒng)分開。PLC的工作接地端也應(yīng)該可靠接地，但最好不要連接在系統(tǒng)保護(hù)接地上，應(yīng)該連接在數(shù)字設(shè)備的工作接地系統(tǒng)上，或者單獨(dú)設(shè)置工作接地體，這時(shí)接地電阻要符合產(chǎn)品說(shuō)明書的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王樹.變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2005（04）.

[2]張六一.變頻器使用過(guò)程的干擾源和抗干擾措施 [J]. 冶金叢刊，2007（02）.

[3]張彬. 變頻調(diào)速系統(tǒng)抗電磁干擾及解決措施分析[J]. 企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2013（03）.