变频调速系统控制电路的抗干扰问题研究

邢彬

摘 要：由于变频调速系统的许多控制功够难以通过外部控制环节实现，因此，通用变频器内部都附带有基于计算机技术的专门的控制电路。控制电路属于弱电电路，比较容易受干扰，而变频器自身却是一个强干扰源，因此，变频调速系统控制电路的干扰问题比较突出。本文主要讨论变频调速系统控制电路的抗干扰问题，分别对控制电源的干扰、开关量控制端子连线的干扰以及模拟量端子的干扰进行分析研究，从工程经验角度介绍一些抗干扰的措施。

关键词：变频器；信号；干扰；隔离

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

变频调速系统在变频器以外的控制电路部分，其控制电源一般来自所在电网，与变频器的主电路输入处处于同一电气连接上，因此，是一个比较直接的干扰来源。尤其当外部控制电路里有PLC等数字式电子控制设备时，这个干扰通道很可能产生严重的危害。

1 交流控制电源

对于交流控制电源，隔离变压器是常用的隔离措施。变压器的能量传递是“电——磁——电”耦合关系，其中存在的电磁惯性会抑制过于尖锐的电压或者电流尖峰，针对工频参数设计的绕组和铁心结构又隔离了直流分量并抑制了高频的谐波，因此，变压器本身就具有一定的抗干扰作用。

然而，变压器中不仅存在电磁耦合关系，在一次和二次绕组间由于分布电感和电容的存在，还存在着电电耦合关系，一般变压器一次和二次绕组是套叠布置的，这种耦合关系就更加强烈。电电耦合关系允许难以通过电磁耦合关系传递的一些干扰穿越，因此，很大程度上降低了变压器隔离干扰的能力。

对于三相五线制系统，电源零线与地线只在电力变压器处同时接地，在应用端可以认为零线和地线是彼此独立的，零线上电流引起的电位变化对于地线电位基本没有影响。这种情况下隔离变压器一次绕组可以接零，隔离屏蔽层则接地，二次绕组的一端也接地以钳制其电位基准，这就是隔离变压器的常规连接方式。

对于三相四线制系统，没有独立的地线，需要接地时就地设置接地措施解决，只要接地措施能够满足接地电阻的要求，一般可以按照常规连接。对于三相三线制系统，没有独立零线，当系统中存在单相负载时，则是将其零端接地，利用大地充当零线形成回路的，这种情况如果隔离变压器仍然按照常规连接，则一次和二次绕组就通过大地构成了电联系，一次绕组的对地电流通过对地电位的影响被耦合到屏蔽层和二次绕组形成干扰通道。此时应当把一次绕组做成无零线连接，即相对相380V绕组。如果接地条件不好，电位不稳定，则最好将二次绕组也悬浮起来，形成二次绕组不接地连接。

2 直流电源

对于直流控制电源，难以采用隔离措施，因此，把直流控制电源的一次侧接在隔离变压器的二次侧是比较合理的方式。此时隔离变压器的容量计算要把直流部分功率考虑在内。

普通的单项整流加滤波的直流电源，在空载时由于滤波电容的等效放电电阻降低，使输出电压爬升，容易损坏PLC硬件模块，不适合作为PLC等控制设备的直流控制电源。三相全波整流加滤波的直流电源和直流开关电源是合适的选择。多数PLC对于直流电压的纹波系数要求不高，质量可靠的常规开关电源是足够使用的。

3 开关量信号

工业现场有很多干扰因数，由各种强电流产生的环境电场干扰可以在悬浮导体上产生很高的感应电压，例如，一个高阻抗连接的导体可以感应出10V的电压来，对于PLC的直流24V开关量输入这类高阻抗信号输入而言，来自现场导线感应的电压很可能被误判为高电平，从而产生错误的逻辑动作。因此，PLC类设备的开关量输入中，来自现场的信号应该采取隔离措施，来自就近布置的按钮之类主令元件的信号则可以根据实际情况考虑，距离略远，干扰电场强烈的情况仍然需要隔离。

PLC的输出信号一般要带动有一定功率的控制元件，阻抗不会很高，感应电压导致外部原件误动作的情况很难发生。但当感应干扰很强烈时，通过输出控制线传回PLC的干扰可能对输出驱动电路产生影响。造成误动作甚至损坏输出模块。因此，如果现场电磁环境较差则输出电路仍然应该采取隔离措施。

输入输出隔离可以采用光隔离或者继电器隔离，光隔离采用专门的光隔离器，其滞后小，响应快，因为没有机械动作因此使用寿命比继电器长，但光隔离器的输入阻抗一般比继电器高，干扰强烈时有可能产生误动作，最好选择输入阻抗较低的隔离器件。

4 模拟量信号

开关量信号只要不产生误动作就不影响运行，而模拟量信号只要受到干扰影响就总会影响到数据精度，开关量的有效信号带有较大功率，靠隔离措施能够将功率较低的干扰信号与功率较高的有效信号区分开来，而模拟量信号一旦被干扰，靠隔离措施很难滤除。因此，模拟量输入的抗干扰措施需要从根本的方面入手。

电流型模拟量信号，如0～20mA以及4～20mA信号，其信号源是直流電流源，对于线路中的电压干扰不敏感，输入阻抗也比较低，一般是250Ω标准电阻，所以比起电压型信号来抗干扰能力强得多。

标准模拟量信号都是直流信号，输入电路中通常有滤波环节能够滤除大部分高频交流干扰，因此不太受高频电磁干扰危害，而对静电干扰更加敏感，屏蔽电缆隔离静电干扰的能力较强，因此用于模拟量信号的抗干扰作用明显。屏蔽电缆屏蔽层的接地方式对抗干扰效果影响较大，近端接地、远端接地以及两端接地对于不同类型干扰有不同的作用，效果各不相同，一般推荐的是近端单端接地，但有时候远端或者两端接地可能效果更好，调试时可以试验不同接地方法的效果来决定。

来自线路的干扰通常是共轭干扰，也即信号线的两根线芯会受到同样方向同等强度的干扰，一些抗共轭干扰的措施能够有效的滤除这类干扰。共绕空心电感线圈是简单的共轭滤除方式，可以自己用两根漆包线一起绕制而成，匝数可以通过试验决定，以达到滤除效果而又不超过输入线路允许的阻值为准，一般约需要数百匝至千余匝。

变频器的接地端应该可靠接地，一般允许在系统保护接地上，但应该与防雷接地系统分开。PLC的工作接地端也应该可靠接地，但最好不要连接在系统保护接地上，应该连接在数字设备的工作接地系统上，或者单独设置工作接地体，这时接地电阻要符合产品说明书的要求。

参考文献：

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[3]张彬. 变频调速系统抗电磁干扰及解决措施分析[J]. 企业技术开发，2013（03）.