变频系统抗干扰的屏蔽措施

    屏蔽就是用金属导体把被屏蔽的元件、组合件、电话线、信号线包围起来。这种方法对电容性耦合噪声抑制效果很好。最常见的就是用屏蔽双绞线传输模拟信号。

    以上的屏蔽措施是电气屏蔽，但在很多场合下，信号除了受电噪声干扰以外，主要还受到强交变磁场的影响，除了要考虑电气屏蔽以外，还要考虑磁屏蔽，即考虑用铁、镍等导磁性能好的导体进行屏蔽。

    用双绞线代替两根平行导线是抑制磁场干扰的有效办法。原理是每个小绞纽环中会通过交变的磁通，而这些变化磁通会在周围的导体中产生电动势，由电磁通感应定律决定，相邻绞纽环中在同一导体上产生的电动势方向相反，相互抵消，这对电磁干扰起到较好的抑制作用。

    屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽，不让其电磁干扰泄漏；输出线最好用钢管屏蔽，特别是以外部信号控制变频器时，要求信号线尽可能短（一般为20m以内），且信号线采用双芯屏蔽，并与主电路的输入和输出线及控制线(AC220V)完全分离，决不能放于同一配管或线槽内，周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地。

   (1)电场耦合的屏蔽和抑制技术。图8-1等效示意了信号源地线和放大器地线之间的电位差形成的干扰源EG，它对电路主要造成共模形式的干扰。然而，由干扰源Ecm和EG形成的共模电压，其中一部分会转换成差模电压，直接对电路造成干扰。假设信号源Es=0，即只考虑干扰源Ecm和EG的作用时。因为i1回路和i2回路阻抗不相等，因此，回路电流i1和i2也不相等。于是两个电流的差在放大器的输入电阻上形成了差模电压。采取合适的屏蔽和正确的接地措施就可以减少和消除这些干扰。

    图8-1    信号源地线和放大器地线示意图

    克服电场耦合干扰最有效的方法是屏蔽。因为放置在空心导体或者金属网内的物体不受外电场的影响。需要注意的是，屏蔽电场耦合干扰时，导线的屏蔽层最好不要两端连接当地线使用。因在有地环电流时，这将在屏蔽层形成磁场，干扰被屏蔽的导线。正确的作法是把屏蔽层单点接地，一般选择信号源的一端头接地。

    造成电场耦合干扰的原因是两根导线之间的分布电容产生的耦合。当两导线形成电场耦合干扰时，导线1在导线2上产生的对地干扰电压UN为

   (8-1)

式中  U1、ω-干扰源导线1的电压和角频率；

    R、C2G-被干扰导线2的对地负载电阻和总电容；

   C12-导线1和导线2之间的分布电容，通常C12<<C2G。

    可以看出，在干扰源的角频率ω不变时，要想降低导线2上的被干扰电压UN，应当减小导线1的电压U1，减小两导线之间的分布电容C12，减小导线2对地负载电阻R以及增大导线2对地的总电容C2G。在这些措施中，可操作性最好的是减小两导线之间的分布电容C12。即采用远离技术：弱信号线要远离强信号线敷设，尤其是远离动力线路。工程上的“远离”概念，通常取干扰导线直径的40倍，即认为足够了。同时，避免平行走线也可以减小C12。

   (2)磁场耦合的抑制技术。抑制磁场耦合干扰的好办法应该是屏蔽干扰源。大电动机、电抗器、磁力开关和大电流载流导线等都是很强的磁场干扰源。但把它们都用导磁材料屏蔽起来，在工程上是很难做到的。通常是采用一些被动的抑制技术。当回路1对回路2造成磁场耦合干扰时，其在回路2上形成的串联干扰电压UN为

   UN=jωBAcosθ    (8-2)

式中ω-干扰信号的角频率；

   B-干扰源回路1形成的磁场链接至回路2处的磁通密度；

   A-回路2感受磁场感应的闭合面积；

    θ-B和A两个矢量的夹角。可以看出，在干扰源的角频率叫不变时，要想降低干扰电

    压UN，首先应当减小B。对于直线电流磁场来说，B与回路1流过的电流成正比，

    而与两导线的距离成反比。因此，要有效抑制磁场耦合干扰，仍然是远离技术。同

    时，也要避免平行走线。

   (3)屏蔽线的使用。图8-2示出了屏蔽线使用的三种情况。图8-2 (a)是单端接地方式。假设信号电流i1从芯线流入屏蔽线，流过负载电阻RL之后，再通过屏蔽层返回信号源。因为i1与i2大小相等方向相反，所以它们产生的磁场干扰相互抵消。这是一个很好的抑制磁场干扰的措施。同时它也是一个很好的抵制磁场耦合干扰的措施。图8-2(b)是两端接地方式。由于屏蔽层上流过的电流是i2与地环电流iG的迭加，所以它不能完全抵消信号电流所产生的磁场干扰。因此，它抑制磁场耦合干扰的能力也比图8-2 (a)差。图8-2 (a)和8-2 (b)都有屏蔽电场耦合干扰作用。图8-2 (c)的屏蔽层悬浮，因此，它只有屏蔽电场耦合干扰能力，而无抑制磁场耦合干扰能力。

    如果把图8-2 (c)的抑制磁场干扰衰减能力定为0 dB，当图8-2的信号源内阻Rs都为100Ω，负载电阻RL都为1MΩ，信号源频率在50 kHz（高于该电缆屏蔽体截频的5倍）时，根据国外专家实验测定，图8-2 (a)具有80dB的衰减，即抑制磁场干扰能力很强。而图8-2 (b)具有27dB的磁场干扰抑制能力。图8-2(a)的单端接地方式抗干扰能力最好。其接地点的选择可以是图8-2 (a)中的情况，也可以选择负载电阻RL侧接地，而让信号源浮置。

    图8-2    屏蔽线的用法

   (a)单端接地；(b)两端接地；(c)屏蔽层不接地

   (4)双绞线的使用。双绞线的绞扭节距把式(8-2)中的A回路分隔成许多的小回路，如果双绞线的绞扭一致的话，那么这些小回路的面积相等而法方向相反，因此，其磁场干扰可以相互抵消。双绞线的结构对电场耦合干扰的抑制毫无能力。当给双绞线加上屏蔽层后，是一个高性价比的传输线。图8-3示出了双绞线的使用方法。如果每2.54 cm扭6个均匀绞扭的话，当采用上节约定的参数时，根据国外专家的实验测定，各用法对磁场干扰的抑制dB数如图所示。其中图8-3(a)采用单端接地方式，因此对磁场干扰具有高达55 dB的衰减能力。可见，双绞线确实有很好的效果。而图8-3 (b)由于两端接地，地线阻抗与信号线阻抗不对称，地环电流造成了双绞线电流不平衡，因此降低了双绞线抗磁场干扰的能力，所以图8-3 (b)只有13 dB的磁场干扰衰减能力。图8-3(c)使用屏蔽双绞线，由于其屏蔽层一端接地，另一端悬空，因此屏蔽层上没有返回信号电流，所以它的屏蔽层只有抗电场干扰能力，而无抑制磁场耦合干扰能力。所以图8-3 (c)的dB数与图8-3 (a)一样衰减55 dB。图8-3 (d)屏蔽层单端接地，而另一端又与负载端相连，因此它具有图8-2 (a)的效果，但它的屏蔽层上的电流由于被双绞线中的一根分流，又比图8-2(a)稍差，具有37 dB的衰减。图8-3 (e)的屏蔽层双端接地，具有一定的抑制磁场耦合干扰能力，加上双绞线本身的作用，因此具有63 dB的衰减。图8-3 (f)的屏蔽层和双绞线都两端接地，因此其效果只是比图8-3 (b)稍好，具有28 dB衰减。

    图8-3    双绞线的用法及其抗磁场耦合干扰能力

   (a) 55dB；(b) 13dB；(c) 55dB；(d) 37dB；(e) 63dB；(f) 28dB

    双绞线最好的应用是作平衡式传输线路。因为两条线的阻抗一样，自身产生的磁场干扰或外部磁场干扰都可以较好的抵消。同时，平衡式传输又独具很强的抗共模干扰能力，因此成为大多数计算机网络的传输线。例如，物理层采用RS422A或RS485通信接口，就是很好的平衡传输模式。

   (5)通信线屏蔽接地。在采用上位机PC/PLC通过RS232/485与变频器通信时，最容易犯的错误是两点接地。由于接地点不在一起，不同接地点之间会出现地电位差，在屏蔽线中形成地回路，不仅起不到屏蔽作用，反而带来干扰。特别是在上位机侧，一般用户没有专用接地，电源插座的接地端子往往采用接零线方式，会造成计算机或者变频器的损坏。在某些PC或PLC中，开关电源采用非隔离方式，即使采用变频器方面的单侧接地，也会造成通信接口的损坏。

    由于变频器通信控制信号一般低于100kHz，所以一般不用带状电缆，而采用屏蔽电缆或者双绞线。但是，在实际应用过程中，由于接地不当，经常出现接地比不接地通信误码率高的现象，从而使人产生了屏蔽电缆要不要接地，如果要接地，是采用一点、两点还是多点接地的疑惑。据有关资料和实践证明，在通信速率低于100kHz时，选用一点接地效果较好，对于采用Profibus，Modbus总线控制的高速率通信控制电缆的屏蔽层应该选用多点接地，最少也应该两端接地，并且采取在通信线路较长时在网络的终端加终端匹配电阻等抗干扰措施。对于电缆的多点接地，一个附加的好处是可以减少屏蔽层的静电耦合。另外，还有一个根据传输信号的波长来判别接地方式的参考标准。以传输信号的波长λ的1/4为界，通信传输线长度小于λ/4时采用一点接地；长度大于λ/4时，由于屏蔽层也能起到天线作用，应采用多点接地，在多点接地时，最理想的情况是每隔(0.05~ 0.1)λ有一个接地点。

    另外，在传输上升下降沿非常陡峭的信号时，也应实施多点接地。如果从干扰角度讲，低频干扰严重时采用屏蔽单点接地，在高频干扰情况下要多点接地，同时在通信电缆中提供一根等电位线将各节点的通信地串起来，以提高抗干扰能力。

   (6)传感器信号屏蔽接地问题。在采用变频器调速的高精度快速响应控制系统中，一般要安装速度传感器（如脉冲编码器、旋转变压器）来进行速度或位置闭环，或者在生产线和设备上安装压力、温度、张力、线速度等检测传感器。这些传感器的一个共同特点是：为了提高抗干扰能力，信号线均采用屏蔽线，而且屏蔽线在传感器内部与传感器壳体接在一起。当传感器安装在电动机、管道或者生产线上时，屏蔽层就与这些设备相连接；而在传感器与变频器或其他控制设备连接时，屏蔽层又连接至PE端子。如果此时变频器或外部设备接地不良，就会出现通过屏蔽层接地的情况，形成对地电流IE，对系统工作的可靠性产生很大影响；严重时，系统将无法工作。因此，在采用外部传感器的闭环控制系统中，距离较远时，一定要保证外部设备和变频器的可靠独立接地，或者选用传感器外壳不与控制屏蔽层连接的传感器，在变频器侧实施一点接地；距离较近时，可采用公共接地母排接地，保证传感器与控制设备接地点之间电位差近似为零，从而消除地环流形成的干扰。

   (7)模拟信号屏蔽层接地。实践证明，双绞线或双绞屏蔽线对磁场的屏蔽效果明显优于单芯屏蔽线，对于采用标准4~20mA/0~10V/1~5V模拟信号控制变频器频率/转速的系统，一定要采用双绞线或屏蔽电缆。由于模拟信号频带较窄，原则上在控制装置或变频器一侧实施接地。控制装置和变频器之间的信号电缆应在线路对地分布电容大的一端接地，这样能够减少信号电缆对地分布电容的影响。实际系统中，一般在信号电缆数量多的控制装置一侧接地。另外，对于抗干扰要求非常高的场合，可采用双重静电屏蔽的电缆，此时，外屏蔽层接至屏蔽地线，内屏蔽层接至系统地线。系统地线可以是变频器外部控制隔离地、模拟控制地，或者是系统独立的接地线。对于共模干扰严重的场合，可通过添加共模电感来消除共模干扰，对于多点地电位浮动频繁的场合，可采用DC/DC隔离模块来实现电气隔离杜绝干扰。