【導(dǎo)讀】工業(yè)現(xiàn)場存在著大量的電感性負(fù)載，如電動(dòng)機(jī)、變壓器、繼電器、接觸器和電磁鐵等。由于這些設(shè)備和器件具有較大的電感和一定量值的分布電容，故當(dāng)對(duì)其進(jìn)行切投操作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生幅值高達(dá)數(shù)百伏甚至數(shù)千伏的高頻干擾，成為在附近工作的計(jì)算機(jī)的主要干擾源。電感性負(fù)載切投時(shí)所產(chǎn)生的干擾是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)最常見最嚴(yán)重最難克服的干擾之一。本文借助等效電路，對(duì)感性負(fù)載切投時(shí)產(chǎn)生干擾過程作了分析研究，并提出了抑制干擾的措施。
1 序言
工業(yè)現(xiàn)場存在著大量的電感性負(fù)載，如電動(dòng)機(jī)、變壓器、繼電器、接觸器和電磁鐵等。由于這些設(shè)備和器件具有較大的電感和一定量值的分布電容，故當(dāng)對(duì)其進(jìn)行切投操作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生幅值高達(dá)數(shù)百伏甚至數(shù)千伏的高頻干擾，成為在附近工作的計(jì)算機(jī)的主要干擾源。
2 感性負(fù)載切投時(shí)的等效電路
若開關(guān)時(shí)理想開關(guān)，即假定開或閉的過程是一次性的，且該過程的持續(xù)時(shí)間為零，那么開關(guān)閉合而接通感性負(fù)載時(shí)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成某種程度的沖擊。當(dāng)開關(guān)斷開并切斷感性負(fù)載時(shí)，負(fù)載上會(huì)產(chǎn)生極高的反電勢，但由于假定開關(guān)是理想的，其觸點(diǎn)間隙將把負(fù)載與電網(wǎng)隔離起來，使其不能通過傳導(dǎo)作用而施于電網(wǎng)側(cè)的計(jì)算機(jī)，而只能以耦合和輻射的方式對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)生作用。因此，在理想情況下，開關(guān)的開與閉所產(chǎn)生的干擾都不算嚴(yán)重。但是，實(shí)際的開關(guān)操作不可避免地伴有間隙的電弧擊穿和觸點(diǎn)的抖動(dòng)，加之觸點(diǎn)之間往往存有雜質(zhì)，因此其開關(guān)過程不可能是理想性的一次斷開或閉合的過程，而是一個(gè)開閉不斷重復(fù)的開閉串過程，正是由于開關(guān)操作的這一特有運(yùn)動(dòng)屬性，決定了電感性負(fù)載切投時(shí)所產(chǎn)生干擾的一些主要特點(diǎn)。在考慮了開關(guān)操作的開閉串效應(yīng)后，可借助一線性集總參數(shù)等效電路來研究電感性負(fù)載切投時(shí)產(chǎn)生干擾的過程，其等效電路如圖1所示。
圖中L1、C1、R1分別為負(fù)載一側(cè)的等效電感、電容和電阻。L2為電源一側(cè)的等效電感，它主要由電源線電感構(gòu)成，一般情況下其量值在幾十
以下，且
。C2為電源側(cè)的分布電容，其量值約為幾十pF，R2為電源側(cè)的電阻，主要指電源線的電阻，也為一很小值，絕大多數(shù)情況下
數(shù)量級(jí)上下。
以下，且。C2為電源側(cè)的分布電容，其量值約為幾十pF，R2為電源側(cè)的電阻，主要指電源線的電阻，也為一很小值，絕大多數(shù)情況下數(shù)量級(jí)上下。3 開關(guān)斷開而無擊穿時(shí)的干擾分析
因?yàn)殚_關(guān)斷開或接通時(shí)，都不可避免地會(huì)產(chǎn)生開閉串效應(yīng)，引起觸點(diǎn)的重復(fù)開閉，故此兩種情況下產(chǎn)生的過程大體一致。現(xiàn)僅以開關(guān)斷開時(shí)的情況為例分析干擾產(chǎn)生的機(jī)理。
當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，由于L1的儲(chǔ)能作用，其中的電流不會(huì)突然降至為零，因而
中的電流將流向
并對(duì)其充電，若忽略上的能量損耗及電容的初始儲(chǔ)能，可求的開關(guān)斷開后
上的所能達(dá)到的最大值
中的電流將流向并對(duì)其充電，若忽略上的能量損耗及電容的初始儲(chǔ)能，可求的開關(guān)斷開后上的所能達(dá)到的最大值
同理可得
上的最大電壓值
上的最大電壓值
式中I為開關(guān)斷開瞬間流經(jīng)電源導(dǎo)線，即電感性負(fù)載中的電流值。當(dāng)電流越大，其兩側(cè)的電壓越高。由于
知，
。當(dāng)開關(guān)斷開，而未發(fā)生擊穿時(shí)，僅有
通過供電線路與計(jì)算機(jī)相連，因其量值較小，不會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)構(gòu)成嚴(yán)重干擾。
知，。當(dāng)開關(guān)斷開，而未發(fā)生擊穿時(shí)，僅有通過供電線路與計(jì)算機(jī)相連，因其量值較小，不會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)構(gòu)成嚴(yán)重干擾。開關(guān)斷開后，其兩側(cè)將形成一個(gè)回路，故開關(guān)兩側(cè)的電壓將按照二階網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律變化。其以電壓
為變量負(fù)載側(cè)的微分方程為
為變量負(fù)載側(cè)的微分方程為
當(dāng)開關(guān)斷開瞬時(shí)，若
恰為電源峰值電壓時(shí)，則因滯后其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(duì)于20V交流電源系統(tǒng)來說，此起始震蕩電壓幅值為311V，并不會(huì)形成嚴(yán)重干擾。
恰為電源峰值電壓時(shí)，則因滯后其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(duì)于20V交流電源系統(tǒng)來說，此起始震蕩電壓幅值為311V，并不會(huì)形成嚴(yán)重干擾。當(dāng)開關(guān)斷開瞬時(shí)，若
為零，則
將達(dá)到最大值
，即電感中儲(chǔ)能最大，此時(shí)，負(fù)載側(cè)電壓最高，往往達(dá)數(shù)千伏，故干擾最為嚴(yán)重。以此為初始條件可求得負(fù)載側(cè)電壓
為零，則將達(dá)到最大值，即電感中儲(chǔ)能最大，此時(shí)，負(fù)載側(cè)電壓最高，往往達(dá)數(shù)千伏，故干擾最為嚴(yán)重。以此為初始條件可求得負(fù)載側(cè)電壓
同理可求得電源側(cè)的電壓
有上述可知：
（1）當(dāng)開關(guān)斷開后，在開關(guān)兩側(cè)形成一個(gè)回路，每一回路均出現(xiàn)一衰減震蕩過程，它們的振幅幅值由開關(guān)斷開時(shí)的初始狀態(tài)決定。電感儲(chǔ)能最大時(shí)的震蕩情況可由式（1）和式（2）描述。
（2）負(fù)載側(cè)與電源側(cè)的衰減震蕩頻率分別為：
（3）負(fù)載側(cè)與電源側(cè)的震蕩均隨時(shí)間作指數(shù)衰減，衰減速率取決于電路參數(shù)R和L。由于
與
的量值極為懸殊，故有：
，即電源側(cè)的震蕩衰減要快得多。
與的量值極為懸殊，故有：，即電源側(cè)的震蕩衰減要快得多。因此在開關(guān)斷開時(shí)未發(fā)生擊穿的情況下，電源側(cè)與負(fù)載側(cè)將分別產(chǎn)生震蕩，這兩個(gè)震蕩無論在幅值頻率和衰減率上都有極大的區(qū)別：電源側(cè)的震蕩頻率高，幅值小，衰減快，且可直接作用到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上形成干擾，而負(fù)載側(cè)的震蕩頻率低幅值高，衰減慢，由于開關(guān)的隔離使它無法直接干擾計(jì)算機(jī)。
4 開關(guān)觸點(diǎn)間隙擊穿時(shí)的干擾分析
電感性負(fù)載被開關(guān)斷開后其上的最大電壓為
，往往可達(dá)數(shù)千伏，而開關(guān)斷開的最初時(shí)刻，其觸點(diǎn)間隙卻很小，當(dāng)此高壓加于其上時(shí)，觸點(diǎn)間隙必然會(huì)被擊穿，將開關(guān)兩側(cè)電路重新連通，所以，負(fù)載側(cè)的干擾就不會(huì)再是單一的角頻率為
的低幅值干擾了，而要嚴(yán)重和復(fù)雜得多。
，往往可達(dá)數(shù)千伏，而開關(guān)斷開的最初時(shí)刻，其觸點(diǎn)間隙卻很小，當(dāng)此高壓加于其上時(shí)，觸點(diǎn)間隙必然會(huì)被擊穿，將開關(guān)兩側(cè)電路重新連通，所以，負(fù)載側(cè)的干擾就不會(huì)再是單一的角頻率為的低幅值干擾了，而要嚴(yán)重和復(fù)雜得多。一般認(rèn)為開關(guān)觸點(diǎn)間隙的最小擊穿電壓
約為320V。在開關(guān)斷開過程中隨著其觸點(diǎn)間隙的增大，擊穿電壓也相應(yīng)升高，觸點(diǎn)間可能達(dá)到的最大擊穿電壓主要由負(fù)載側(cè)的最大震蕩電壓幅值
決定，即
約為320V。在開關(guān)斷開過程中隨著其觸點(diǎn)間隙的增大，擊穿電壓也相應(yīng)升高，觸點(diǎn)間可能達(dá)到的最大擊穿電壓主要由負(fù)載側(cè)的最大震蕩電壓幅值決定，即
在開關(guān)斷開的最初瞬間，負(fù)載側(cè)的電壓絕對(duì)值
將以震蕩形式升高，該電壓將與電源側(cè)的震蕩電壓串聯(lián)而施加于開關(guān)的觸點(diǎn)上，當(dāng)
大于觸點(diǎn)擊穿電壓
時(shí)，間隙被擊穿，產(chǎn)生飛弧，將開關(guān)S兩側(cè)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。
將以震蕩形式升高，該電壓將與電源側(cè)的震蕩電壓串聯(lián)而施加于開關(guān)的觸點(diǎn)上，當(dāng)大于觸點(diǎn)擊穿電壓時(shí)，間隙被擊穿，產(chǎn)生飛弧，將開關(guān)S兩側(cè)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。
由于
，因此圖2電路中起主要作用的電感支路是
串聯(lián)支路，同樣由于
，可知兩并聯(lián)電容支路起主要作用的是
支路，所以可將圖2電路再進(jìn)行簡化為圖3所示的電路。圖中
約等于
。
，因此圖2電路中起主要作用的電感支路是串聯(lián)支路，同樣由于，可知兩并聯(lián)電容支路起主要作用的是支路，所以可將圖2電路再進(jìn)行簡化為圖3所示的電路。圖中約等于。
因?yàn)?img src="/editorfiles/20170410122102_7372.png" alt="微機(jī)控制系統(tǒng)感性負(fù)載切投時(shí)干擾產(chǎn)生的機(jī)理及抑制" width="80" height="18" />所構(gòu)成的震蕩回路具有頻率高，幅值小衰減快的特點(diǎn)，在負(fù)載電流較小的情況下，可認(rèn)為當(dāng)擊穿發(fā)生時(shí)，該回路中的電流電壓均已衰減而接近于零。即初始條件為：
從而求得在觸點(diǎn)間隙擊穿后，電路中所產(chǎn)生的干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(chǎn)生干擾的性質(zhì)，其特點(diǎn)如下：
（1）電感性負(fù)載切投時(shí)，必然會(huì)出現(xiàn)開關(guān)間隙擊穿現(xiàn)象，形成開閉串過程，從而產(chǎn)生頻率很高幅值極大的干擾電壓。
（2）當(dāng)擊穿發(fā)生后，開關(guān)兩側(cè)共同構(gòu)成一新的震蕩電路，其震蕩電壓幅值和初相角均由擊穿時(shí)的初始條件確定。在負(fù)載電流較小的情況下，振蕩電壓幅值約為 
，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(gè)震蕩角頻率分別為
，比較三個(gè)頻率有
，而
與
較為接近。
，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(gè)震蕩角頻率分別為，比較三個(gè)頻率有，而與較為接近。觸點(diǎn)間隙擊穿后出現(xiàn)的震蕩電壓
兼有
幅值大和
頻率高的特點(diǎn)，而又直接出現(xiàn)在電源系統(tǒng)上，因而成為對(duì)計(jì)算機(jī)最嚴(yán)重和最主要的干擾。由網(wǎng)絡(luò)理論知，該震蕩電壓達(dá)到峰值時(shí)，電路中的震蕩電流將降為零，此時(shí)觸點(diǎn)間的電弧熄滅，負(fù)載側(cè)和電源側(cè)又分別以角頻率和震蕩，其起始震蕩電壓值均為熄弧時(shí)的電壓。
兼有幅值大和頻率高的特點(diǎn)，而又直接出現(xiàn)在電源系統(tǒng)上，因而成為對(duì)計(jì)算機(jī)最嚴(yán)重和最主要的干擾。由網(wǎng)絡(luò)理論知，該震蕩電壓達(dá)到峰值時(shí)，電路中的震蕩電流將降為零，此時(shí)觸點(diǎn)間的電弧熄滅，負(fù)載側(cè)和電源側(cè)又分別以角頻率和震蕩，其起始震蕩電壓值均為熄弧時(shí)的電壓。由于
電源側(cè)震蕩電壓的極性反轉(zhuǎn)很快，在負(fù)載側(cè)電壓的任一半波時(shí)，都會(huì)多次出現(xiàn)與負(fù)載側(cè)電壓同極性串聯(lián)相加，故熄弧時(shí)，即使負(fù)載側(cè)電壓低于當(dāng)時(shí)的擊穿電壓
，也可能導(dǎo)致間隙重新被擊穿，使角頻率為
的震蕩繼續(xù)下去，直到其電壓峰值低于
時(shí)，觸點(diǎn)間電弧才完全熄滅。電弧熄滅后，負(fù)載側(cè)電壓將繼續(xù)按上述規(guī)律震蕩升高，當(dāng)其達(dá)到新的更高的一個(gè)擊穿電壓值時(shí)，間隙再次被擊穿，又重復(fù)上述的角頻率為
的震蕩過程，形成所謂的開閉串。
電源側(cè)震蕩電壓的極性反轉(zhuǎn)很快，在負(fù)載側(cè)電壓的任一半波時(shí)，都會(huì)多次出現(xiàn)與負(fù)載側(cè)電壓同極性串聯(lián)相加，故熄弧時(shí)，即使負(fù)載側(cè)電壓低于當(dāng)時(shí)的擊穿電壓，也可能導(dǎo)致間隙重新被擊穿，使角頻率為的震蕩繼續(xù)下去，直到其電壓峰值低于時(shí)，觸點(diǎn)間電弧才完全熄滅。電弧熄滅后，負(fù)載側(cè)電壓將繼續(xù)按上述規(guī)律震蕩升高，當(dāng)其達(dá)到新的更高的一個(gè)擊穿電壓值時(shí)，間隙再次被擊穿，又重復(fù)上述的角頻率為的震蕩過程，形成所謂的開閉串。
