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1、1,供电系统的抗干扰设计Design of Power Supply System for AgainstDisturbance 徐义亨 编浙江中控技术有限公司,2,1 前言,1.1 概述 控制系统的电子电路几乎都采用由交流电源(例如220V,50Hz)变换成直流来供电的(如24Vdc,5Vdc)。交流电源里的噪声通过电源电路干扰了控制系统的电子电路,这是控制系统的电子电路受干扰的主要原因之一。外来的干扰,除了通过电磁波辐射、电磁感应、静电感应和接地系统等方式外,相当部分都是通过电源进入电子电路的。在此关键部位,如采取措施将进入的干扰抑制下去,就可以取得事半功倍的效果。电源电路本身也是一个干扰
2、源,如电源电路产生的纹波,开关电源产生的尖峰脉冲等,故抑制此类干扰也是控制系统抗干扰中的一个重要的问题。,3,1.2 控制系统的电源电路对电源的一般要求 无论是交流电源或直流电源，他们的非正常变化，如电压偏差、频率偏差、瞬间过电压、短时中断供电，短时电压降低等现象，由于会影响控制系统的正常工作，所以都有相应的极限规定，并依此分为若干严酷等级。作为电源的参比条件，IEC 654-2：1979，工业自动化仪表工作条件 动力的规定是：电压偏差 1%；频率偏差 1%；谐波电压 5%（交流电源）；纹波电压 0.2%（直流电源）。,4,注1：谐波含量是各谐波电压平方之和的平方根值与电源基频电压（均方根值）
3、之比的百分数，即 全高次谐波有效值 谐波电压=100%基频基波有效值注2：纹波电压定义为电源电压的总交流分量（峰-峰值）与电源电压平均值之比的百分数（在额定负载下测量），即 总交流分量（峰-峰值）纹波电压=100%电源电压平均值 该标准将交流电源的偏差等级分为如下表所示。,5,该标准将交流电源的偏差等级（严酷度）分为如下表所示。,6,该标准将直流电源的偏差（严酷度）等级分为如下表所示。控制系统所能承受的电源严酷度的等级愈高，表明控制系统对电源的抗干扰能力愈强。,7,2 交流电源的主要干扰,2.1 交流电源中产生浪涌干扰的主要原因 1）直接受到雷击或因雷电感应所产生的浪涌电压 浪涌电压的波型包括
4、8/20us、10/350us、1.2/50us三种。浪涌电压的幅值最高可达1,000kV.一般通过电磁感应，在信号线间的浪涌电压可达6kV，在线-地间可达12kV。2）由于各种电气设备在开关时产生的浪涌电压 包括电源开关的通/断、变压器、励磁电流的突然切断、三相电路的非同时投入都可以产生浪涌。该种浪涌通常为额定电压的2-4倍。3）各种电气设备电源对地短路引起的浪涌电压 当设备电源对地短路时，可产生的浪涌通常为额定电压的2倍；在接地开放时的浪涌最高可达额定电压的4-5倍。,8,2.2 交流电源中产生其它噪声的主要原因 1）各种电气设备工作时所产生的干扰 如变频器，由于通过整流和逆变后，在输出电
5、压和输出电流中含有多阶高次谐波，通过反馈污染了电网。高次谐波的幅值虽然不高，但对控制回路的影响很大。也包括其它的高频率设备在运行时馈向电网的高频干扰。（见“I/O信号的处理和隔离”。）2）大负载的接通，会使交流电源电压跌落。交流电源的瞬间切换会造成电压暂断。3）发电机运行的不稳定，会使频率发生偏离。,9,4）小感性负载（如继电器）的切换会产生快速瞬变脉冲群，这种干扰的特点是上升时间快，持续时间短，能量低但具有较高的重复频率。它们可能会骚扰控制系统的正常运行，但通常不大可能引起损坏。上述的诸干扰中，最严重的是：1）持续期短、峰值高的浪涌脉冲，特别是雷电浪涌脉冲，它可以使系统损坏；2）长时间的电压
6、跌落，它使系统无法正常工作。2.3 干扰的方式 电源干扰可以以“共模”和“差模”两种方式存在。,10,1）共模干扰 共模干扰系指电源相线对大地，或中线对大地之间的电位差。雷电引起的瞬间过电压是属于共模干扰。,2）差模干扰 差模干扰存在于电源相线之间，或相线和中线之间，它是载流导体之间的电位差。连接在电源线上的电气设备的ON/OFF所产生的浪涌电压是属于差模干扰。,负载,干扰,干扰电流,干扰电流,负载,干扰,11,3 不间断电源（UPS）的使用,不间断电源的作用就是保证控制系统不受断电等故障的干扰。3.1 UPS的形式1）后备式UPS 在交流电源供电正常时，UPS由旁路向负载供电，整流器给电池充
7、电，此时逆变器不工作；而当交流电源中断时，电池向逆变器供电，逆变器向负载供电。优点：成本低，可满足要求不高的负载要求。缺点：切换时间长，需要8-12ms,而且不隔离负载。,交流电源侧,负载,整流器,逆变器,静态开关,12,和后备式不同的是增加一条稳压器和滤波器组成的旁路上。其作用是在交流电源供电时滤去高频干扰。优点：可以满足一般负荷的要求。缺点：无法消除低频干扰。,负载,交流电源侧,整流器,逆变器,滤波器,稳压器,静态开关,13,3）互动在线式UPS,该形式的UPS是三端口式的一种变形。当交流电源供电正常时，UPS由旁路供电，双向转换器起整流器作用，向电池充电；当交流电源中断时，电池向转换器供
8、电，此时双向转换器起逆变器作用，向负载供电。优点：降低成本。缺点：可靠性差。,交流电源侧,稳压器,滤波器,双向转换器,负载,静态开关,14,4）串联在线式UPS（真在线式）,当交流电源供电向整流器供电时，整流器一方面通过逆变器向负载供电，一方面给电池充电。当交流电源中断时，电池向逆变器供电。优点：为负载提供了一种完全隔离的保护。缺点：成本高。,整流器,逆变器,交流电源侧,负载,维修旁路,静态开关,15,3.2 UPS的串并联1）UPS的串联（热备份）,整流器,逆变器,静态开关,交流电源,旁路开关,负载,UPS1,UPS2,16,所谓UPS串联系其中一台UPS2的输出接在另一台UPS1的自动旁路
9、上，工作处于启动但不输出状态。一旦向负载供电的UPS1发生故障，由主回路切换到旁路时，UPS2便无间断通过UPS1的旁路向负载供电。缺点：1）UPS2的蓄电池一直处于浮冲状态，几乎没有放电机会，时间过长易造成蓄电池寿命缩短或实际可供使用量下降，一旦需要由其供电时，后备时间可能会大大低于预期值。2）切换时间可能会大于10ms。,17,交流电源,UPS1,UPS2,负载,18,3.3 UPS的主要指标 1）输入：主要指输入电压和频率的宽度。一般要求输入电压为220V15%，输入频率为502.5Hz.2）输出：如果输入以较宽为好，则输出以越精确越好。通常电压为220V5%，频率为500.5Hz，波型
10、失真率小于5%。3）过载能力：这对感性负载是一个很重要的指标。如当负载为110%-130%，10min，大于130%，1min。4）切换时间：串联在线式UPS均在0.3ms以内。一般要求小于3ms,即前述的交流电源严酷度的最低等级。5）整机效率：一般超过90%即可。,19,4 隔离变压器,4.1 概述 实验证明，变压器的初次级的交流电磁耦合不是高频尖峰脉冲干扰的主要传播途径。一般电源变压器由于初级和次级线圈靠得很近，初级和次级线圈间的分布电容可达数百pf,这样大的分布电容，有十分好的频率特性，对高频噪声有很低的阻抗。如果设法减小这种分布电容，就可以用变压器来抑制高频尖峰脉冲干扰，于是就产生了“
11、隔离变压器”的应用。,分布电容,变压器初级,变压器次级,20,4.2 隔离变压器的原理 隔离变压器实际就是一台初级次级匝数比为1/1的变压器，它和一般变压器不同之处在于：为了减小级间分布电容，初次级绕组都是分开绕制，而且各自都加了屏蔽，初次级绕组和铁芯均接地。这样抑制电网中的高频噪声传输到电源电路中去。,初级,次级,初级屏蔽,次级屏蔽,铁芯,21,隔离变压器不同的接地方法所带来的影响,22,上表是隔离变压器的屏蔽层和铁芯在不同接地情况下测得的初次级分布电容值以及直流电阻值的测量数据。测试分布电容值使用的频率为1kHz,测试电阻时的电压为100V。由表可知，在使用隔离变压器时，初次级屏蔽层与铁芯
12、均应接地。,23,5 开关电源的抗干扰措施,开关电源由于在体积、重量和效率三个方面具有传统线性电源无可比拟的优点，已广泛应用在逆变器、UPS、AC/DC、DC/DC等开关稳压电源及功率集成电路中。但开关电源此类非线性电源所产生的谐波干扰使整个电网的谐波污染也愈来愈严重，特别对通信系统和计算机控制系统等有较大的影响。,24,5.1 开关电源产生的干扰,+,+,-,-,VD1,C1,L1,Ein,Eo,+,-,开/关,Ic,If,Ir,非稳压输入,稳压输出,VT1,R,C,25,开关电源系利用20kHz以上的频率（目前可达250kHz以上），并以开和关的时间之比来控制稳定输出电压的，所以在电源路内
13、的dU/dt、dI/dt变化很激烈，产生很大的浪涌电压和其它各脉冲，形成了一个强烈的干扰源。具体地说：1）开关电源的大功率开关管VT1工作在高压大电流的高频切状态，由导通切换到关断状态时形成的浪涌电压，或由关断切换为导通状态时形成的浪涌电流，它们的高次谐波成分通过向空间发射或通过电源线的传导构成干扰源。,26,2）由关断切换为导通状态时续流二极管VD1受反向恢复特性的限制，产生尖峰状的反向电流（如图中的Ir)，它与二极管结电容以及引线电感形成阻尼正弦振荡，并通过传导和电磁辐射耦合将噪声传播出去。也含有大量的谐波成分，构成干扰。这种由二极管反向电流所造成的噪声是最主要的。这种噪声可以分成返回噪声
14、、输出噪声和辐射噪声三类，其示意图如下图所示。返回噪声即返回到电网中去的噪声，它通过电源变压器传播到电网中去，影响着附近接在电网上工作的电子设备，有强烈的干扰。它又可分为串模噪声和共模噪声。辐射噪声以电磁波的形式干扰其它电路或开关电源内部的电路。,27,以开关电源为中心的噪声分类,辐射噪声,输出噪声,返回噪声,开关电源,AC,AC,+,-,AC220V,负载,串模噪声,串模噪声,共模噪声,共模噪声,分布电容,分布电容,分布电容,机架地,28,5.2 开关式稳压电源抗干扰措施5.2.1 抑制干扰源的强度 1）开关电源中的整流二极管VD1所产生的噪声是最主要的，而该噪声的大小又取决于二极管的反向电
15、流的大小。如果将反向电流刚产生到恢复到零这段时间称作反向恢复时间，实验证明，反向电流的幅值是正比于反向恢复时间的。所以为了减少噪声干扰，要求二极管VD1反向恢复时间短。2）实验证明，将由RC组成的缓冲器并接在整流二极管VD1上，可以减小输出噪声。,29,3）为了减小开关电源的重量，目前开关转换频率已提高到100-250kHz,此时在二极管上并接RC缓冲器，因频率很高，电容、电阻因吸收噪声会导致发热，使损耗增大，会降低开关电源的效率，此时可利用一种谓“非晶型磁环”来抑制噪声。（详见“诸邦田电子电路实用抗干扰技术第81-99页。“5.2.2 衰减开关电源噪声的传播 1）开关电源的屏蔽接地；2）开关
16、电源多负载的合理布线。,30,开关电源,交流电源,A,B,D,C,5V30A,10A,1.6A,4.4A,5A,2.5m,2m,2m,2m,31,各点噪声电压的不一是因为负载布线时，分布电容的不一使得线路不平衡，导致共模噪声转化成较大的串模噪声。另外多负载的接法导致了较大的公共阻抗的耦合，一些负载的变动，造成了对另一些负载的影响。,32,三个负载电流均为10A，离电源均2.5米远。并采用双绞线连接，单点接地。和前种情况相比，噪声要小多了。,开关电源,2.5m,A,B,C,33,5 控制系统交流供电设计中的一个问题关于负荷的分类等级和供电方式 1）根据用电负荷（包括DCS等控制系统）在生产过程中
17、的重要性和对供电可靠性、连续性的要求，不同的行业有不同的分类方法。如按化工企业供电设计技术规定（HG/T 20664）将负荷分为：一级负荷（最高级）；二级负荷；三级负荷；有特殊供电要求的负荷。按化工行业自控设计标准仪表供电设计规定（HG/T 20509-2000）仪表在大多数情况下属“有特殊供电要求的负荷”应采用不间断电源，在少数情况下可属“三级负荷”，此时可采用普通电源。,34,2）按照中国石化工程建设公司的仪表供电设计规定（T-IN060021C-2003），仪表供电负荷分为“重要负荷”和“一般负荷”，其中重要负荷相当于电力的一级负荷和一级中特别重要负荷，一般负荷相当于电力的三级负荷。该标准规定重要负荷采用UPS供电方式，特别重要的负荷可采用冗余的UPS的供电方式；一般负荷由普通电源供电。3）按照电力行业标准火力发电厂设计技术规程（DL 5000-2000）的规定，分散型控制系统一路应采用交流不间断电源，一路来自厂用保安段电源。这里的保安段电源相当于上述的一级负荷。,35,4）石油化工自动控制设计手册（第三版）将电力负荷分为：保安负荷；重要负荷；次要负荷；一般负荷。该手册认为仪表用电负荷类别的划分，主要依据所服务的工艺过程或机器是属于哪一类电力负荷而定。综上所述，分散型控制系统应该是属于“仪表”中要求最高的供电负荷，至少应有一路采用UPS供电方式。,36,
