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一般工業(yè)控制系統(tǒng)既包括弱電控制部分,又包括強(qiáng)電控制部分。為了使兩者之間既保持控制信號(hào),又要隔絕電氣方面的,即實(shí)行弱電和強(qiáng)電隔離,是保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定,設(shè)備與操作人員安全的重要措施。
電氣隔離目的之一是從電路上把干擾源和易干擾的部分隔離開來,從而達(dá)到隔離現(xiàn)場(chǎng)干擾的目的。
一、信號(hào)隔離
信號(hào)的隔離目的之一是把引進(jìn)的干擾通道切斷,使測(cè)控裝置與現(xiàn)場(chǎng)僅保持信號(hào),不直接發(fā)生電的。工控裝置與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)之間常用的隔離方式有光電隔離、脈沖變壓器隔離、繼電器隔離和布線隔離等。
1.光電隔離
光電隔離是由光電耦合器件來完成的。其輸入端配置發(fā)光源,輸出端配置受光器,因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。由于光電耦合器的輸入阻抗(100Ω~1kΩ)與一般干擾源的阻抗(105~106Ω)相比較小,因此分壓在光電耦合器的輸入端的干擾電壓較小,它所能提供的電流并不大,不易使半導(dǎo)體二較管發(fā)光。另外光電耦合器的隔離電阻很大(約1012Ω)、隔離電容很小(約幾個(gè)pF),所以能阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾,被控設(shè)備的各種干擾很難反饋到輸入系統(tǒng)。
光電耦合器把輸入信號(hào)與內(nèi)部電路隔離開來,或者是把內(nèi)部輸出信號(hào)與外部電路隔離開來,如圖1所示。開關(guān)量輸入電路接入光電耦合器后,由于光電耦合器的隔離作用,使夾雜在輸入開關(guān)量中的各種干擾脈沖都被擋在輸入回路的一側(cè)。由于光電耦合器不是將輸入側(cè)和輸出側(cè)的電信號(hào)進(jìn)行直接耦合,而是以光為媒介進(jìn)行耦合,具有較高的電氣隔離和抗干擾能力。
目前,大多數(shù)光電耦合器件的隔離電壓都在2.5kV以上,有些器件達(dá)到了8kV,既有高壓大電流大功率光電耦合器件,又有高速高頻光電耦合器件(頻率高達(dá)10MHz)。常用的器件如4N25,其隔離電壓為5.3kV;6N137,其隔離電壓為3kV,頻率在10MHz以上。
2.脈沖變壓器隔離
脈沖變壓器的匝數(shù)較少,而且一次繞組和二次繞組分別繞于鐵氧體磁芯的兩側(cè),這種工藝使得它的分布電容特小,僅為幾個(gè)pF,所以可作為脈沖信號(hào)的隔離元件。脈沖變壓器傳遞輸入、輸出脈沖信號(hào)時(shí),不傳遞直流分量,PLC使用的數(shù)字量信號(hào)輸入/輸出的控制設(shè)備不要求傳遞直流分量,因而在工控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。
圖2是脈沖變壓器的應(yīng)用實(shí)例。電路的外部信號(hào)經(jīng)RC濾波電路和雙向穩(wěn)壓管舒緩常模噪聲干擾,然后輸入脈沖
變壓器的一次側(cè)。為了防止過高的對(duì)稱信號(hào)擊穿電路元件,脈沖變壓器的二次側(cè)輸出電壓被穩(wěn)壓管限幅后進(jìn)入測(cè)控系統(tǒng)內(nèi)部。一般地說,脈沖變壓器的信號(hào)傳遞頻率在1kHz~1MHz之間,新型的高頻脈沖變壓器的傳遞頻率可達(dá)到10MHz。
3.繼電器隔離
繼電器的線圈和觸點(diǎn)沒有電氣上的,因此,可利用繼電器的線圈接受信號(hào),利用觸點(diǎn)發(fā)送和輸出控制信號(hào),從而避免強(qiáng)電和弱電信號(hào)之間的直接接觸,實(shí)現(xiàn)了抗干擾隔離。
圖3是繼電器輸出隔離的實(shí)例示意圖。在該電路中,通過繼電器把低壓直流與高壓交流隔離開來,使高壓交流側(cè)的干擾無法進(jìn)入低壓直流側(cè)。
4.布線隔離
將微弱信號(hào)電路與易產(chǎn)生噪聲污染的電路分開布線,zui基本的要求是信號(hào)線路必須和強(qiáng)電控制線路、電源線路分開走線,而且相互間要保持一定的距離。配線時(shí)應(yīng)區(qū)別分開交流線、直流穩(wěn)壓電源線、數(shù)字信號(hào)線、模擬信號(hào)線、感性負(fù)載驅(qū)動(dòng)線等。配線間隔越大,配線越短,則噪聲影響越小。但是,實(shí)際設(shè)備的內(nèi)外空間是有限的,配線間隔不可能太大,只要能維持zui低限度的間隔距離便可。
附表列出了信號(hào)線和動(dòng)力線之間應(yīng)保持的zui小間距。如果受環(huán)境條件的限制,信號(hào)線不能與高壓線和動(dòng)力線等離得足夠遠(yuǎn)時(shí),就得采用諸如信號(hào)線路接電容器等各種舒緩電磁感應(yīng)噪聲的措施。
二、供電系統(tǒng)的隔離
采用1∶1隔離變壓器供電是傳統(tǒng)的抗干擾措施,對(duì)電網(wǎng)尖峰脈沖干擾有很好的效果。
圖4是典型的隔離變壓器原理圖。它抗干擾的原理是一次側(cè)對(duì)高頻干擾呈現(xiàn)很高的阻抗,而位于一次、二次繞組之間的金屬屏蔽層又阻隔了一、二次側(cè)所產(chǎn)生的分布電容,因此一次繞組只有對(duì)屏蔽層的分布電容存在,高頻干擾通過這個(gè)分布電容而被旁路入地。1∶1隔變效果的好壞,往往取決于屏蔽層的工藝。zui好選用0.2mm厚的純銅板材,一次側(cè)、二次側(cè)各加一個(gè)屏蔽層。通常,一次側(cè)的屏蔽層通過一個(gè)電容器與二次側(cè)的屏蔽層接到一起,再接到二次側(cè)的地上。也可以一次側(cè)的屏蔽層接一次側(cè)的地線,二次側(cè)的屏蔽層接二次側(cè)的地線。并且接地引線的截面積也要大一些好。1∶1隔變還有效地隔離了接地環(huán)路的共模干擾。
1. 交流供電系統(tǒng)的隔離
由于交流電網(wǎng)中存在著大量的諧波、雷擊浪涌、高頻干擾等噪聲,所以對(duì)由交流電源供電的控制裝置和電子電氣設(shè)備,都應(yīng)采取舒緩來自交流電源干擾的措施。采用電源隔離變壓器,可以有效地舒緩竄入交流電源中的噪聲干擾。但是,普通變壓器卻不能完全起到抗干擾的作用,這是因?yàn)椋m然一次繞組和二次繞組之間是絕緣的,能夠阻止一次側(cè)的噪聲電壓、電流直接傳輸?shù)蕉蝹?cè),有隔離作用。然而,由于分布電容(繞組與鐵心之間、繞組之間、層匝之間和引線之間)的存在,交流電網(wǎng)中的噪聲會(huì)通過分布電容耦合到二次側(cè)。為了舒緩噪聲,必須在繞組間加屏蔽層,這樣就能有效地舒緩噪聲,消除干擾,提高設(shè)備的電磁兼容性。
圖、5b所示為不加屏蔽層和加屏蔽層的隔離變壓器分布電容的情況。在圖中,隔離變壓器不加屏蔽層,C12是一次側(cè)和二次側(cè)之間的分布電容,在共模電壓U1C的作用下,二次繞組所耦合的共模噪聲電壓為U2C,C2E是二次側(cè)的對(duì)地電容,則從圖可知二次側(cè)的共模噪聲電壓U2C為:
U2C=U1CC12/(C12 C2E)
在圖5b中,隔離變壓器加屏蔽層,其中C10、C20分別代表一次側(cè)和二次側(cè)對(duì)屏蔽層的分布電容,ZE是屏蔽層的對(duì)地阻抗,C2E是二次側(cè)的對(duì)地電容,則從圖可知二次側(cè)的共模噪聲電壓U2C為:
U2C=〔U1CZE/(ZE 1/jωC10)〕〔C2E/(C20 C2E)〕
由于C2是屏蔽層的對(duì)地阻抗,在低頻范圍內(nèi),ZE<<(1/jωC10),所以U2C→0。由此可見,采取屏蔽措施后,通過隔離變壓器的共模噪聲電壓被大大地削弱了。
圖6所示為交流電源抗干擾的綜合方案。為了將測(cè)控系統(tǒng)和供電電網(wǎng)電源隔離開,消除因公共電阻引起的耦合,減少負(fù)載波動(dòng)的影響,同時(shí)也為了安全,常常在電源變壓器和低通濾波器之前增加一個(gè)1∶1的隔離變壓器。
目前,國外已研制成功了專門舒緩噪聲的隔離變壓器(簡(jiǎn)稱NCT),這是一種繞組和變壓器整體都有屏蔽層的多層屏蔽變壓器。這類變壓器的結(jié)構(gòu),鐵心材料、形狀及其線圈位置都比較特殊,它可以切斷高頻噪聲漏磁通和繞組的交鏈,從而使差模噪聲不易感應(yīng)到二次側(cè),故這種變壓器既能切斷共模噪聲電壓,又能切斷差模噪聲電壓,是比較理想的隔離變壓器。
2.直流供電系統(tǒng)的隔離
當(dāng)控制裝置和電子電氣設(shè)備的內(nèi)部子系統(tǒng)之間需要相互隔離時(shí),它們各自的直流供電電源間也應(yīng)該相互隔離,其隔離方式如下:*種是在交流側(cè)使用隔離變壓器,如圖7a所示;第二種是使用直流電壓隔離器(即DC/DC變換器),如圖7b所示。
采用了電氣隔離的措施以后,絕大多數(shù)電路都能夠取得良好的舒緩噪聲的效果,使設(shè)備符合電磁兼容性的要求。