微機控製係統感性負載切投時幹擾產生的機理及抑製
發布時間:2017-04-13 來源:秦鍾,李成宗 責任編輯:wenwei
【導讀】工業現場存在著大量的電感性負載,如電動機、變壓器、繼電器、接jie觸chu器qi和he電dian磁ci鐵tie等deng。由you於yu這zhe些xie設she備bei和he器qi件jian具ju有you較jiao大da的de電dian感gan和he一yi定ding量liang值zhi的de分fen布bu電dian容rong,故gu當dang對dui其qi進jin行xing切qie投tou操cao作zuo時shi,會hui產chan生sheng幅fu值zhi高gao達da數shu百bai伏fu甚shen至zhi數shu千qian伏fu的de高gao頻pin幹gan擾rao,成cheng為wei在zai附fu近jin工gong作zuo的de計ji算suan機ji的de主zhu要yao幹gan擾rao源yuan。電dian感gan性xing負fu載zai切qie投tou時shi所suo產chan生sheng的de幹gan擾rao是shi計ji算suan機ji控kong製zhi係xi統tong最zui常chang見jian最zui嚴yan重zhong最zui難nan克ke服fu的de幹gan擾rao之zhi一yi。本ben文wen借jie助zhu等deng效xiao電dian路lu,對dui感gan性xing負fu載zai切qie投tou時shi產chan生sheng幹gan擾rao過guo程cheng作zuo了le分fen析xi研yan究jiu,並bing提ti出chu了le抑yi製zhi幹gan擾rao的de措cuo施shi。
1 序言
工業現場存在著大量的電感性負載,如電動機、變壓器、繼電器、接(jie)觸(chu)器(qi)和(he)電(dian)磁(ci)鐵(tie)等(deng)。由(you)於(yu)這(zhe)些(xie)設(she)備(bei)和(he)器(qi)件(jian)具(ju)有(you)較(jiao)大(da)的(de)電(dian)感(gan)和(he)一(yi)定(ding)量(liang)值(zhi)的(de)分(fen)布(bu)電(dian)容(rong),故(gu)當(dang)對(dui)其(qi)進(jin)行(xing)切(qie)投(tou)操(cao)作(zuo)時(shi),會(hui)產(chan)生(sheng)幅(fu)值(zhi)高(gao)達(da)數(shu)百(bai)伏(fu)甚(shen)至(zhi)數(shu)千(qian)伏(fu)的(de)高(gao)頻(pin)幹(gan)擾(rao),成(cheng)為(wei)在(zai)附(fu)近(jin)工(gong)作(zuo)的(de)計(ji)算(suan)機(ji)的(de)主(zhu)要(yao)幹(gan)擾(rao)源(yuan)。
2 感性負載切投時的等效電路
若(ruo)開(kai)關(guan)時(shi)理(li)想(xiang)開(kai)關(guan),即(ji)假(jia)定(ding)開(kai)或(huo)閉(bi)的(de)過(guo)程(cheng)是(shi)一(yi)次(ci)性(xing)的(de),且(qie)該(gai)過(guo)程(cheng)的(de)持(chi)續(xu)時(shi)間(jian)為(wei)零(ling),那(na)麼(me)開(kai)關(guan)閉(bi)合(he)而(er)接(jie)通(tong)感(gan)性(xing)負(fu)載(zai)時(shi),會(hui)對(dui)電(dian)網(wang)造(zao)成(cheng)某(mou)種(zhong)程(cheng)度(du)的(de)衝(chong)擊(ji)。當(dang)開(kai)關(guan)斷(duan)開(kai)並(bing)切(qie)斷(duan)感(gan)性(xing)負(fu)載(zai)時(shi),負(fu)載(zai)上(shang)會(hui)產(chan)生(sheng)極(ji)高(gao)的(de)反(fan)電(dian)勢(shi),但(dan)由(you)於(yu)假(jia)定(ding)開(kai)關(guan)是(shi)理(li)想(xiang)的(de),其(qi)觸(chu)點(dian)間(jian)隙(xi)將(jiang)把(ba)負(fu)載(zai)與(yu)電(dian)網(wang)隔(ge)離(li)起(qi)來(lai),使(shi)其(qi)不(bu)能(neng)通(tong)過(guo)傳(chuan)導(dao)作(zuo)用(yong)而(er)施(shi)於(yu)電(dian)網(wang)側(ce)的(de)計(ji)算(suan)機(ji),而(er)隻(zhi)能(neng)以(yi)耦(ou)合(he)和(he)輻(fu)射(she)的(de)方(fang)式(shi)對(dui)計(ji)算(suan)機(ji)發(fa)生(sheng)作(zuo)用(yong)。因(yin)此(ci),在(zai)理(li)想(xiang)情(qing)況(kuang)下(xia),開(kai)關(guan)的(de)開(kai)與(yu)閉(bi)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)幹(gan)擾(rao)都(dou)不(bu)算(suan)嚴(yan)重(zhong)。但(dan)是(shi),實(shi)際(ji)的(de)開(kai)關(guan)操(cao)作(zuo)不(bu)可(ke)避(bi)免(mian)地(di)伴(ban)有(you)間(jian)隙(xi)的(de)電(dian)弧(hu)擊(ji)穿(chuan)和(he)觸(chu)點(dian)的(de)抖(dou)動(dong),加(jia)之(zhi)觸(chu)點(dian)之(zhi)間(jian)往(wang)往(wang)存(cun)有(you)雜(za)質(zhi),因(yin)此(ci)其(qi)開(kai)關(guan)過(guo)程(cheng)不(bu)可(ke)能(neng)是(shi)理(li)想(xiang)性(xing)的(de)一(yi)次(ci)斷(duan)開(kai)或(huo)閉(bi)合(he)的(de)過(guo)程(cheng),而(er)是(shi)一(yi)個(ge)開(kai)閉(bi)不(bu)斷(duan)重(zhong)複(fu)的(de)開(kai)閉(bi)串(chuan)過(guo)程(cheng),正(zheng)是(shi)由(you)於(yu)開(kai)關(guan)操(cao)作(zuo)的(de)這(zhe)一(yi)特(te)有(you)運(yun)動(dong)屬(shu)性(xing),決(jue)定(ding)了(le)電(dian)感(gan)性(xing)負(fu)載(zai)切(qie)投(tou)時(shi)所(suo)產(chan)生(sheng)幹(gan)擾(rao)的(de)一(yi)些(xie)主(zhu)要(yao)特(te)點(dian)。在(zai)考(kao)慮(lv)了(le)開(kai)關(guan)操(cao)作(zuo)的(de)開(kai)閉(bi)串(chuan)效(xiao)應(ying)後(hou),可(ke)借(jie)助(zhu)一(yi)線(xian)性(xing)集(ji)總(zong)參(can)數(shu)等(deng)效(xiao)電(dian)路(lu)來(lai)研(yan)究(jiu)電(dian)感(gan)性(xing)負(fu)載(zai)切(qie)投(tou)時(shi)產(chan)生(sheng)幹(gan)擾(rao)的(de)過(guo)程(cheng),其(qi)等(deng)效(xiao)電(dian)路(lu)如(ru)圖(tu)1所示。

圖中L1、C1、R1分別為負載一側的等效電感、電容和電阻。L2為電源一側的等效電感,它主要由電源線電感構成,一般情況下其量值在幾十
以下,且
。C2為電源側的分布電容,其量值約為幾十pF,R2為電源側的電阻,主要指電源線的電阻,也為一很小值,絕大多數情況下
數量級上下。
3 開關斷開而無擊穿時的幹擾分析
yinweikaiguanduankaihuojietongshi,doubukebimiandihuichanshengkaibichuanxiaoying,yinqichudiandezhongfukaibi,guciliangzhongqingkuangxiachanshengdeguochengdatiyizhi。xianjinyikaiguanduankaishideqingkuangweilifenxiganraochanshengdejili。
當開關斷開時,由於L1的儲能作用,其中的電流不會突然降至為零,因而
中的電流將流向
並對其充電,若忽略上的能量損耗及電容的初始儲能,可求的開關斷開後
上的所能達到的最大值
同理可得
上的最大電壓值
式中I為開關斷開瞬間流經電源導線,即電感性負載中的電流值。當電流越大,其兩側的電壓越高。由於
知,
。當開關斷開,而未發生擊穿時,僅有
通過供電線路與計算機相連,因其量值較小,不會對計算機構成嚴重幹擾。
開關斷開後,其兩側將形成一個回路,故開關兩側的電壓將按照二階網絡的運動規律變化。其以電壓
為變量負載側的微分方程為
當開關斷開瞬時,若
恰為電源峰值電壓時,則因滯後其90度,故
為最小值零,因而,
回路將以
為初始震蕩幅值作衰減震蕩,對於20V交流電源係統來說,此起始震蕩電壓幅值為311V,並不會形成嚴重幹擾。
當開關斷開瞬時,若
為零,則
將達到最大值
,即電感中儲能最大,此時,負載側電壓最高,往往達數千伏,故幹擾最為嚴重。以此為初始條件可求得負載側電壓

同理可求得電源側的電壓

有上述可知:
(1)當(dang)開(kai)關(guan)斷(duan)開(kai)後(hou),在(zai)開(kai)關(guan)兩(liang)側(ce)形(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)回(hui)路(lu),每(mei)一(yi)回(hui)路(lu)均(jun)出(chu)現(xian)一(yi)衰(shuai)減(jian)震(zhen)蕩(dang)過(guo)程(cheng),它(ta)們(men)的(de)振(zhen)幅(fu)幅(fu)值(zhi)由(you)開(kai)關(guan)斷(duan)開(kai)時(shi)的(de)初(chu)始(shi)狀(zhuang)態(tai)決(jue)定(ding)。電(dian)感(gan)儲(chu)能(neng)最(zui)大(da)時(shi)的(de)震(zhen)蕩(dang)情(qing)況(kuang)可(ke)由(you)式(shi)(1)和式(2)描述。
(2)負載側與電源側的衰減震蕩頻率分別為:
(3)負載側與電源側的震蕩均隨時間作指數衰減,衰減速率取決於電路參數R和L。由於
與
的量值極為懸殊,故有:
,即電源側的震蕩衰減要快得多。
因此在開關斷開時未發生擊穿的情況下,電源側與負載側將分別產生震蕩,這兩個震蕩無論在幅值頻率和衰減率上都有極大的區別:dianyuancedezhendangpinlvgao,fuzhixiao,shuaijiankuai,qiekezhijiezuoyongdaojisuanjixitongshangxingchengganrao,erfuzaicedezhendangpinlvdifuzhigao,shuaijianman,youyukaiguandegelishitawufazhijieganraojisuanji。
4 開關觸點間隙擊穿時的幹擾分析
電感性負載被開關斷開後其上的最大電壓為
,往wang往wang可ke達da數shu千qian伏fu,而er開kai關guan斷duan開kai的de最zui初chu時shi刻ke,其qi觸chu點dian間jian隙xi卻que很hen小xiao,當dang此ci高gao壓ya加jia於yu其qi上shang時shi,觸chu點dian間jian隙xi必bi然ran會hui被bei擊ji穿chuan,將jiang開kai關guan兩liang側ce電dian路lu重zhong新xin連lian通tong,所suo以yi,負fu載zai側ce的de幹gan擾rao就jiu不bu會hui再zai是shi單dan一yi的de角jiao頻pin率lv為wei
的低幅值幹擾了,而要嚴重和複雜得多。
一般認為開關觸點間隙的最小擊穿電壓
約為320V。在開關斷開過程中隨著其觸點間隙的增大,擊穿電壓也相應升高,觸點間可能達到的最大擊穿電壓主要由負載側的最大震蕩電壓幅值
決定,即
在開關斷開的最初瞬間,負載側的電壓絕對值
將以震蕩形式升高,該電壓將與電源側的震蕩電壓串聯而施加於開關的觸點上,當
大於觸點擊穿電壓
時,間隙被擊穿,產生飛弧,將開關S兩側的電路連通,若忽視較小的弧壓降,可得圖2所示的等效電路。

由於
,因此圖2電路中起主要作用的電感支路是
串聯支路,同樣由於
,可知兩並聯電容支路起主要作用的是
支路,所以可將圖2電路再進行簡化為圖3所示的電路。圖中
約等於
。

因為
suogouchengdezhendanghuilujuyoupinlvgao,fuzhixiaoshuaijiankuaidetedian,zaifuzaidianliujiaoxiaodeqingkuangxia,kerenweidangjichuanfashengshi,gaihuiluzhongdedianliudianyajunyishuaijianerjiejinyuling。jichushitiaojianwei:

從而求得在觸點間隙擊穿後,電路中所產生的幹擾電壓的較為簡潔的描述形式為

由此可知擊穿情況下所產生幹擾的性質,其特點如下:
(1)電感性負載切投時,必然會出現開關間隙擊穿現象,形成開閉串過程,從而產生頻率很高幅值極大的幹擾電壓。
(2)當(dang)擊(ji)穿(chuan)發(fa)生(sheng)後(hou),開(kai)關(guan)兩(liang)側(ce)共(gong)同(tong)構(gou)成(cheng)一(yi)新(xin)的(de)震(zhen)蕩(dang)電(dian)路(lu),其(qi)震(zhen)蕩(dang)電(dian)壓(ya)幅(fu)值(zhi)和(he)初(chu)相(xiang)角(jiao)均(jun)由(you)擊(ji)穿(chuan)時(shi)的(de)初(chu)始(shi)條(tiao)件(jian)確(que)定(ding)。在(zai)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)較(jiao)小(xiao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia),振(zhen)蕩(dang)電(dian)壓(ya)幅(fu)值(zhi)約(yue)為(wei)
,因
取值在320V與
之間,故幅值極高,震蕩的角頻率
,而擊穿前電路的另外的兩個震蕩角頻率分別為
,比較三個頻率有
,而
與
較為接近。
觸點間隙擊穿後出現的震蕩電壓
兼有
幅值大和
頻pin率lv高gao的de特te點dian,而er又you直zhi接jie出chu現xian在zai電dian源yuan係xi統tong上shang,因yin而er成cheng為wei對dui計ji算suan機ji最zui嚴yan重zhong和he最zui主zhu要yao的de幹gan擾rao。由you網wang絡luo理li論lun知zhi,該gai震zhen蕩dang電dian壓ya達da到dao峰feng值zhi時shi,電dian路lu中zhong的de震zhen蕩dang電dian流liu將jiang降jiang為wei零ling,此ci時shi觸chu點dian間jian的de電dian弧hu熄xi滅mie,負fu載zai側ce和he電dian源yuan側ce又you分fen別bie以yi角jiao頻pin率lv和he震zhen蕩dang,其qi起qi始shi震zhen蕩dang電dian壓ya值zhi均jun為wei熄xi弧hu時shi的de電dian壓ya。
由於
電(dian)源(yuan)側(ce)震(zhen)蕩(dang)電(dian)壓(ya)的(de)極(ji)性(xing)反(fan)轉(zhuan)很(hen)快(kuai),在(zai)負(fu)載(zai)側(ce)電(dian)壓(ya)的(de)任(ren)一(yi)半(ban)波(bo)時(shi),都(dou)會(hui)多(duo)次(ci)出(chu)現(xian)與(yu)負(fu)載(zai)側(ce)電(dian)壓(ya)同(tong)極(ji)性(xing)串(chuan)聯(lian)相(xiang)加(jia),故(gu)熄(xi)弧(hu)時(shi),即(ji)使(shi)負(fu)載(zai)側(ce)電(dian)壓(ya)低(di)於(yu)當(dang)時(shi)的(de)擊(ji)穿(chuan)電(dian)壓(ya)
,也可能導致間隙重新被擊穿,使角頻率為
的震蕩繼續下去,直到其電壓峰值低於
時(shi),觸(chu)點(dian)間(jian)電(dian)弧(hu)才(cai)完(wan)全(quan)熄(xi)滅(mie)。電(dian)弧(hu)熄(xi)滅(mie)後(hou),負(fu)載(zai)側(ce)電(dian)壓(ya)將(jiang)繼(ji)續(xu)按(an)上(shang)述(shu)規(gui)律(lv)震(zhen)蕩(dang)升(sheng)高(gao),當(dang)其(qi)達(da)到(dao)新(xin)的(de)更(geng)高(gao)的(de)一(yi)個(ge)擊(ji)穿(chuan)電(dian)壓(ya)值(zhi)時(shi),間(jian)隙(xi)再(zai)次(ci)被(bei)擊(ji)穿(chuan),又(you)重(zhong)複(fu)上(shang)述(shu)的(de)角(jiao)頻(pin)率(lv)為(wei)
的震蕩過程,形成所謂的開閉串。
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