电源抗干扰技术在工控设计中的应用

交流稳压器的类型和产品都很多，有电子式、铁磁谐振式、分接开关式、伺服调整式和电源净化器等等。它们的共同特点是把电网电压波动±10％甚至±15％的范围稳定到±1％～±2％以内。选用时应优选具备抗电网干扰能力，或者原、副边具有隔离的类型。例如电源净化器（也称净化电源），采用大功率的LC滤波器，若在输入端加入3 kV尖峰干扰，在输出端只有低于3 V的输出。除了具有抑制尖峰干扰性能之外，对半周失压、过压、欠压等干扰有极好的动态响应。铁磁谐振方式的交流稳压器有很好的电网抗干扰能力和原、副边隔离，可靠性很高，只是它的动态响应较差。计算机控制系统使用这两种类型的交流稳压器效果较好。

1.3 UPS（Uninterruptible Power System）

UPS，即不间断电源。UPS最适合的应用领域是电网突然掉电，而计算机不能停止工作或者需要一个充足的时间保护重要数据的场合。随着技术的进步，目前的UPS除了不间断供电之外，还具备过压、欠压保护功能，软件监控功能等等。其中在线式的UPS还具备与电网隔离、强抗干扰特性，是高可靠性控制系统的最佳选择。图1示出了工业控制系统使用UPS的正确方法。正常工作时，电子开关K接到触点1上，工控系统由UPS逆变供电，一旦UPS发生故障，电子开关K立即转换到触点2上，由市电供电。这种正常情况下由UPS逆变供电，市电作为备用的方法是最有效的电源抗干扰方法。因为UPS逆变的输出电压非常稳定干净，完全隔离了工业现场供电电源的各种干扰污染，而且抗雷击效果也较其他的方式好。由于逆变器输出的交流电压与市电同步锁相，因此，开关由1切换到2位置时，不会引起大的干扰。

图1 工业控制系统使用UPS的正确方法

2 电网尖峰脉冲干扰的防治

工业现场的电网污染严重。但对工业控制机来说，危害最严重的是电网尖峰脉冲干扰。图2示出了尖峰脉冲的形状。在炼钢厂、 轧钢厂或者大量使用晶闸管设备、电火花设备、电力机车等地方，这种尖峰干扰为害尤厉。其幅度大的可达数百伏甚至上千伏，而脉宽一般为μS数量级。雷电也常以尖峰脉冲方式入侵。尖峰脉冲幅度很大时，会破坏工控机开关电源输入滤波器、整流器甚至主振管。再加之其频谱很宽，也会窜入计算机造成干扰。对尖峰脉冲干扰的防治方法，主要有滤波法、隔离法、吸收法和回避法。

2.1 滤波法

主要是采用电源滤波器滤除尖峰干扰。图3示出了典型的电源滤波器原理图。L1、L2是绕在同一铁心上的共模轭流圈，对共模形式的干扰呈现很大的阻抗，而对工频和常模形式的干扰电感为零。因此对图2所示的形成常模形式的尖峰干扰无效。但电容C1、C2、C3却对其有一定的衰减。目前这类产品繁多，大多数按IEC/CISPR №。17出版物的规定指标生产。例如常州坚力电子有限公司生产的D、DZ、PC、K、T、F系列的电源滤波器，对共模干扰插入衰减，在10～30 MHz频率范围，可为20～50 dB以上。电源滤波器体积小，价格便宜，但效果一般。

图2 电网正弦波上的尖峰干扰

图3 典型的电源滤波器电原理图

2.2 隔离法

采用1∶1隔离变压器供电是传统的抗干扰措施，对电网尖峰脉冲干扰有很好的效果。图4是典型的隔离变压器原理图。它抗干扰的原理是原边对高频干扰呈现很高的阻抗，而位于原边、副边绕组之间的金属屏蔽层又阻隔了原、副边所产生的分布电容，因此原边绕组只有对屏蔽层的分布电容存在，高频干扰通过这个分布电容而被旁路入地。

图4 1∶1隔离变压器屏蔽及接地方式图 a. 单屏蔽层 b.双屏蔽层

1∶1隔变效果的好坏，往往取决于屏蔽层的工艺。最好选用0.2 mm 厚的紫铜板材，原边、副边各加一个屏蔽层。通常，原边的屏蔽层通过一个电容器与副边的屏蔽层接到一起，再接到副边的地上。也可以原边的屏蔽层接原边的地线，副边的屏蔽层接副边的地线。并且接地引线的截面积也要大一些好。1∶1隔变还有效地隔离了接地环路的共模干扰，是个好办法，只是体积较大。

3 结束语

电源抗干扰措施是由工控系统开发者操作的项目，应用恰当与否取决于开发者的实践经验和对现场的深刻认识。电源抗干扰措施是控制系统的基础建设，首先做好它是成功的保证。