變頻調速系統控制電路的抗干擾問題研究

邢彬

摘 要：由于變頻調速系統的許多控制功夠難以通過外部控制環節實現，因此，通用變頻器內部都附帶有基于計算機技術的專門的控制電路。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強干擾源，因此，變頻調速系統控制電路的干擾問題比較突出。本文主要討論變頻調速系統控制電路的抗干擾問題，分別對控制電源的干擾、開關量控制端子連線的干擾以及模擬量端子的干擾進行分析研究，從工程經驗角度介紹一些抗干擾的措施。

關鍵詞：變頻器；信號；干擾；隔離

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

變頻調速系統在變頻器以外的控制電路部分，其控制電源一般來自所在電網，與變頻器的主電路輸入處處于同一電氣連接上，因此，是一個比較直接的干擾來源。尤其當外部控制電路里有PLC等數字式電子控制設備時，這個干擾通道很可能產生嚴重的危害。

1 交流控制電源

對于交流控制電源，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”耦合關系，其中存在的電磁慣性會抑制過于尖銳的電壓或者電流尖峰，針對工頻參數設計的繞組和鐵心結構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系，一般變壓器一次和二次繞組是套疊布置的，這種耦合關系就更加強烈。電電耦合關系允許難以通過電磁耦合關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。

對于三相五線制系統，電源零線與地線只在電力變壓器處同時接地，在應用端可以認為零線和地線是彼此獨立的，零線上電流引起的電位變化對于地線電位基本沒有影響。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，這就是隔離變壓器的常規連接方式。

對于三相四線制系統，沒有獨立的地線，需要接地時就地設置接地措施解決，只要接地措施能夠滿足接地電阻的要求，一般可以按照常規連接。對于三相三線制系統，沒有獨立零線，當系統中存在單相負載時，則是將其零端接地，利用大地充當零線形成回路的，這種情況如果隔離變壓器仍然按照常規連接，則一次和二次繞組就通過大地構成了電聯系，一次繞組的對地電流通過對地電位的影響被耦合到屏蔽層和二次繞組形成干擾通道。此時應當把一次繞組做成無零線連接，即相對相380V繞組。如果接地條件不好，電位不穩定，則最好將二次繞組也懸浮起來，形成二次繞組不接地連接。

2 直流電源

對于直流控制電源，難以采用隔離措施，因此，把直流控制電源的一次側接在隔離變壓器的二次側是比較合理的方式。此時隔離變壓器的容量計算要把直流部分功率考慮在內。

普通的單項整流加濾波的直流電源，在空載時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電源是合適的選擇。多數PLC對于直流電壓的紋波系數要求不高，質量可靠的常規開關電源是足夠使用的。

3 開關量信號

工業現場有很多干擾因數，由各種強電流產生的環境電場干擾可以在懸浮導體上產生很高的感應電壓，例如，一個高阻抗連接的導體可以感應出10V的電壓來，對于PLC的直流24V開關量輸入這類高阻抗信號輸入而言，來自現場導線感應的電壓很可能被誤判為高電平，從而產生錯誤的邏輯動作。因此，PLC類設備的開關量輸入中，來自現場的信號應該采取隔離措施，來自就近布置的按鈕之類主令元件的信號則可以根據實際情況考慮，距離略遠，干擾電場強烈的情況仍然需要隔離。

PLC的輸出信號一般要帶動有一定功率的控制元件，阻抗不會很高，感應電壓導致外部原件誤動作的情況很難發生。但當感應干擾很強烈時，通過輸出控制線傳回PLC的干擾可能對輸出驅動電路產生影響。造成誤動作甚至損壞輸出模塊。因此，如果現場電磁環境較差則輸出電路仍然應該采取隔離措施。

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，響應快，因為沒有機械動作因此使用壽命比繼電器長，但光隔離器的輸入阻抗一般比繼電器高，干擾強烈時有可能產生誤動作，最好選擇輸入阻抗較低的隔離器件。

4 模擬量信號

開關量信號只要不產生誤動作就不影響運行，而模擬量信號只要受到干擾影響就總會影響到數據精度，開關量的有效信號帶有較大功率，靠隔離措施能夠將功率較低的干擾信號與功率較高的有效信號區分開來，而模擬量信號一旦被干擾，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，如0～20mA以及4～20mA信號，其信號源是直流電流源，對于線路中的電壓干擾不敏感，輸入阻抗也比較低，一般是250Ω標準電阻，所以比起電壓型信號來抗干擾能力強得多。

標準模擬量信號都是直流信號，輸入電路中通常有濾波環節能夠濾除大部分高頻交流干擾，因此不太受高頻電磁干擾危害，而對靜電干擾更加敏感，屏蔽電纜隔離靜電干擾的能力較強，因此用于模擬量信號的抗干擾作用明顯。屏蔽電纜屏蔽層的接地方式對抗干擾效果影響較大，近端接地、遠端接地以及兩端接地對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，但有時候遠端或者兩端接地可能效果更好，調試時可以試驗不同接地方法的效果來決定。

來自線路的干擾通常是共軛干擾，也即信號線的兩根線芯會受到同樣方向同等強度的干擾，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，匝數可以通過試驗決定，以達到濾除效果而又不超過輸入線路允許的阻值為準，一般約需要數百匝至千余匝。

變頻器的接地端應該可靠接地，一般允許在系統保護接地上，但應該與防雷接地系統分開。PLC的工作接地端也應該可靠接地，但最好不要連接在系統保護接地上，應該連接在數字設備的工作接地系統上，或者單獨設置工作接地體，這時接地電阻要符合產品說明書的要求。

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