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、jiechuqihediancitiedeng。youyuzhexieshebeiheqijianjuyoujiaodadedianganheyidingliangzhidefenbudianrong,gudangduiqijinxingqietoucaozuoshi,huichanshengfuzhigaodashubaifushenzhishuqianfudegaopinganrao,chengweizaifujingongzuodejisuanjidezhuyaoganraoyuan。dianganxingfuzaiqietoushisuochanshengdeganraoshijisuanjikongzhixitongzuichangjianzuiyanzhongzuinankefudeganraozhiyi。benwenjiezhudengxiaodianlu,duiganxingfuzaiqietoushichanshengganraoguochengzuolefenxiyanjiu,bingtichuleyizhiganraodecuoshi。
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)dangkaiguanduankaihou,zaikaiguanliangcexingchengyigehuilu,meiyihuilujunchuxianyishuaijianzhendangguocheng,tamendezhenfufuzhiyoukaiguanduankaishidechushizhuangtaijueding。dianganchunengzuidashidezhendangqingkuangkeyoushi(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:電dian源yuan側ce的de震zhen蕩dang頻pin率lv高gao,幅fu值zhi小xiao,衰shuai減jian快kuai,且qie可ke直zhi接jie作zuo用yong到dao計ji算suan機ji係xi統tong上shang形xing成cheng幹gan擾rao,而er負fu載zai側ce的de震zhen蕩dang頻pin率lv低di幅fu值zhi高gao,衰shuai減jian慢man,由you於yu開kai關guan的de隔ge離li使shi它ta無wu法fa直zhi接jie幹gan擾rao計ji算suan機ji。
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
,wangwangkedashuqianfu,erkaiguanduankaidezuichushike,qichudianjianxiquehenxiao,dangcigaoyajiayuqishangshi,chudianjianxibiranhuibeijichuan,jiangkaiguanliangcedianluzhongxinliantong,suoyi,fuzaicedeganraojiubuhuizaishidanyidejiaopinlvwei
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
shi,chudianjiandianhucaiwanquanximie。dianhuximiehou,fuzaicedianyajiangjixuanshangshuguilvzhendangshenggao,dangqidadaoxindegenggaodeyigejichuandianyazhishi,jianxizaicibeijichuan,youzhongfushangshudejiaopinlvwei
的震蕩過程,形成所謂的開閉串。
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