工控系统的电源抗干扰技术分析

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。

　2.3 吸收法

　　就是使用一种新型高效的器件TVS（Transient Voltage Suppressor） 吸收工业控制机电源进线上的尖峰脉冲。TVS又称TVP，中文译作瞬变电压抑制器。TVP事实上是一种特殊的稳压二极管。当它的两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，吸收一个瞬间大电流，从而把它的两端电压箝制在一个预定的数值上，保护了后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。正因为如此，其防雷效果也很好。图5示出了它的伏-安特性曲线。TVP管和稳压管一样，是反向应用的。其中VR称为最大转折电压，是反向击穿之前的临界状态。VB是击穿电压，其对应的反向电流IT一般取值为1 mA。VC是最大箝位电压，当TVP管中流过峰值电流为Ipp的大电流时，管子两端电压就不再上升了。因此TVP管始终把被保护的器件或设备的端口电压限制在VB～VC的有效区内。与稳压管不同的是，Ipp的数值可达数百安培，箝位响应时间仅为1×10-12S。TVP最大允许脉冲功率PM=VC·Ipp。TVP管的PM分为四个档次，即500 W、1000 W、1500 W和5000 W。图6是TVP用于普通电源进线的原理图。这里采用的是双向TVP管。它对于电网的尖峰脉冲电压和雷电叠加电压等等干扰超过其额定的VC数值量，都能有效的吸收。在国外已广泛应用于计算机、通信和仪器仪表之中。过去使用的压敏电阻器，它的响应时间慢，通常为5×10-9S，它的使用温度范围窄，漏电流大，吸收电流小，并且体积也较大，因此已逐步被TVP取代。TVP的用途很多，它还可用作计算机通信口的防雷以及各种大功率器件的保护和吸收电路。还可以用作计算机直流电源的过压保护和主机防雷保护。

图6 TVP管电源过压保护及尖峰抑制电路 a.常用电路 b.全保护电路

　　2.4 回避法

就是拉专线供电方法。对于大型动力设备集中且干扰很大的工业现场，应当尽量少使用现场工频电源。采用非动力供电线路供电或者直接从非动力低压变压器"根部"拉专线供电的办法，避开大负荷动力线，减少电网干扰。这个方法很有效。因为电力导线存在电阻，大量的动力设备的运行和启停，在这个电阻上产生压降而成为强烈的干扰。尤其是尖峰脉冲干扰，在动力变压器根部明显减小，而在非动力变压器的低压输出根部，几乎