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变频器常用的控制方式综述

　　变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向，而作为变频调速系统的核心—变频器的性能也越来越成为调速性能优劣的决定因素，除了变频器本身制造工艺的“先天”条件外，对变频器采用什么样的控制方式也是非常重要的。本文从工业实际出发，综述了近年来各种变频器控制方式的特点，并展望了今后的发展方向。

　　1、变频器简介

　　1.1 变频器的基本结构

　　变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。

　　1.2 变频器的分类

　　变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。

　　2、变频器中常用的控制方式

　　2.1 非智能控制方式

　　在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。

　　(1) V/f控制

　　V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。

　　(2) 转差频率控制

　　转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在V/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。

　　(3) 矢量控制

　　矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的。例如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗。目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。

　　基于转差频率的矢量控制方式与转差频率控制方式两者的定常特性一致，但是基于转差频率的矢量控制还要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行控制，使之满足一定的条件，以消除转矩电流过渡过程中的波动。因此，基于转差频率的矢量控制方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善。但是，这种控制方式属于闭环控制方式，需要在电动机上安装速度传感器，因此，应用范围受到限制。

　　无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制，然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。这种控制方式调速范围宽，启动转矩大，工作可靠，操作方便，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器来进行计算，因此，实时性不是太理想，控制精度受到计算精度的影响。

　　(4) 直接转矩控制

　　直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。

　　(5) 最优控制

　　最优控制在实际中的应用根据要求的不同而有所不同，可以根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。例如在高压变频器的控制应用中，就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略，以实现一定条件下的电压最优波形。

　　(6) 其他非智能控制方式

　　在实际应用中，还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以实现，例如自适应控制、滑模变结构控制、差频控制、环流控制、频率控制等。

　　2.2 智能控制方式

　　智能控制方式主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统、学习控制等。在变频器的控制中采用智能控制方式在具体应用中有一些成功的范例。

　　(1) 神经网络控制

　　神经网络控制方式应用在变频器的控制中，一般是进行比较复杂的系统控制，这时对于系统的模型了解甚少，因此神经网络既要完成系统辨识的功能，又要进行控制。而且神经网络控制方式可以同时控制多个变频器，因此在多个变频器级联时进行控制比较适合。但是神经网络的层数太多或者算法过于复杂都会在具体应用中带来不少实际困难。

　　(2) 模糊控制

　　模糊控制算法用于控制变频器的电压和频率，使电动机的升速时间得到控制，以避免升速过快对电机使用寿命的影响以及升速过慢影响工作效率。模糊控制的关键在于论域、隶属度以及模糊级别的划分，这种控制方式尤其适用于多输入单输出的控制系统。

　　(3) 专家系统

　　专家系统是利用所谓“专家”的经验进行控制的一种控制方式，因此，专家系统中一般要建立一个专家库，存放一定的专家信息，另外还要有推理机制，以便于根据已知信息寻求理想的控制结果。专家库与推理机制的设计是尤为重要的，关系着专家系统控制的优劣。应用专家系统既可以控制变频器的电压，又可以控制其电流。

　　(4) 学习控制

　　学习控制主要是用于重复性的输入，而规则的PWM信号(例如中心调制PWM)恰好满足这个条件，因此学习控制也可用于变频器的控制中。学习控制不需要了解太多的系统信息，但是需要1~2个学习周期，因此快速性相对较差，而且，学习控制的算法中有时需要实现超前环节，这用模拟器件是无法实现的，同时，学习控制还涉及到一个稳定性的问题，在应用时要特别注意。

　　3、变频器控制的展望

　　随着电力电子技术、微电子技术、计算机网络等高新技术的发展，变频器的控制方式今后将向以下几个方面发展。

　　(1) 数字控制变频器的实现

　　现在，变频器的控制方式用数字处理器可以实现比较复杂的运算，变频器数字化将是一个重要的发展方向，目前进行变频器数字化主要采用单片机MCS51或80C196MC等，辅助以SLE4520或EPLD液晶显示器等来实现更加完善的控制性能。

　　(2) 多种控制方式的结合

　　单一的控制方式有着各自的优缺点，并没有“万能”的控制方式，在有些控制场合，需要将一些控制方式结合起来，例如将学习控制与神经网络控制相结合，自适应控制与模糊控制相结合，直接转矩控制与神经网络控制相结合，或者称之为“混合控制”，这样取长补短，控制效果将会更好。

　　(3) 远程控制的实现

　　计算机网络的发展，使“天涯若咫尺”，依靠计算机网络对变频器进行远程控制也是一个发展方向。通过RS485接口及一些网络协议对变频器进行远程控制，这样在有些不适合于人类进行现场操作的场合，也可以很容易的实现控制目标。

　　(4) 绿色变频器

　　 随着可持续发展战略的提出，对于环境的保护越来越受到人们的重视。变频器产生的高次谐波对电网会带来污染，降低变频器工作时的噪声以及增强其工作的可靠性、安全性等等这些问题，都试图通过采取合适的控制方式来解决，设计出绿色变频器。

　　4、结束语

　　变频器的控制方式是一个值得研究的问题，依靠致力于这项工作的有识之士的共同努力，使国产变频器早日走向世界市场并且成为一流的产品。

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　一、人机界面（HMI）产品常识

　　 1、人机界面产品的定义

　　 连接可编程序控制器（PLC）、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备,由硬件和软件两部分组成。

　　 2、人机界面（HMI）产品的组成及工作原理

　　 人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。HMI软件一般分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件（如JB－HMI画面组态软件）。使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI 产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。

　　 3、人机界面产品的基本功能及选型指标

　　 基本功能：

　　设备工作状态显示，如指示灯、按钮、文字、图形、曲线等

　　数据、文字输入操作，打印输出

　　生产配方存储，设备生产数据记录

　　简单的逻辑和数值运算

　　可连接多种工业控制设备组网

　　 选型指标：

　　显示屏尺寸及色彩，分辨率

　　HMI的处理器速度性能

　　输入方式：触摸屏或薄膜键盘

　　画面存贮容量，注意厂商标注的容量单位是字节（byte）、还是位（bit）

　　通讯口种类及数量，是否支持打印功能

　　 4、人机界面产品分类

　　薄膜键输入的HMI，显示尺寸小于5.7ˊ，画面组态软件免费，属初级产品。如POP－HMI 小型人机界面

　　触摸屏输入的HMI，显示屏尺寸为5.7ˊ～12.1ˊ，画面组态软件免费，属中级产品

　　基于平板PC计算机的、多种通讯口的、高性能HMI，显示尺寸大于10.4ˊ，画面组态软件收费，属高端产品

　　 5、人机界面的使用方法

　　明确监控任务要求，选择适合的HMI产品

　　在PC机上用画面组态软件编辑“工程文件”

　　测试并保存已编辑好的“工程文件”

　　PC机连接HMI硬件，下载“工程文件”到HMI中

　　连接HMI和工业控制器（如PLC、仪表等），实现人机交互

　　 二、人机界面产品问答

　　 1、人机界面与人们常说的“触摸屏”有什么区别？

　　 从严格意义上来说，两者是有本质上的区别的。因为“触摸屏”仅是人机界面产品中可能用到的硬件部分，是一种替代鼠标及键盘部分功能，安装在显示屏前端的输入设备；而人机界面产品则是一种包含硬件和软件的人机交互设备。在工业中，人们常把具有触摸输入功能的人机界面产品称为“触摸屏”，但这是不科学的。

　　 2、人机界面和组态软件有什么区别？

　　 人机界面产品，常被大家称为“触摸屏”，包含HMI硬件和相应的专用画面组态软件，一般情况下，不同厂家的HMI硬件使用不同的画面组态软件，连接的主要设备种类是PLC。而组态软件是运行于PC硬件平台、windows操作系统下的一个通用工具软件产品，和PC机或工控机一起也可以组成HMI产品；通用的组态软件支持的设备种类非常多，如各种PLC、PC板卡、仪表、变频器、模块等设备，而且由于PC的硬件平台性能强大（主要反应在在速度和存储容量上），通用组态软件的功能也强很多，适用于大型的监控系统中。

　　 3、人机界面产品中是否有操作系统？

　　 任何人机界面产品都有系统软件部分，系统软件运行在HMI的处理器中，支持多任务处理功能，处理器中需有小型的操作系统管理系统软件的运行。基于平板计算机的高性能人机界面产品中，一般使用WinCE,Linux等通用的嵌入式操作系统。

　　 4、人机界面只能连接PLC吗？

　　 不是这样的。人机界面产品是为了解决PLC的人机交互问题而产生的，但随着计算机技术和数字电路技术的发展，很多工业控制设备都具备了串口通讯能力，所以只要有串口通讯能力的工业控制设备，如变频器、直流调速器、温控仪表、数采模块等都可以连接人机界面产品，来实现人机交互功能。

　　 5、人机界面只能通过标准的串行通讯口与其它设备相连接吗？

　　 大多数情况下是这样的。但随着计算机和数字电路技术的发展，人机界面产品的接口能力越来越强。除了传统的串行（RS232、RS422/RS485）通讯接口外，有些人机界面产品已具有网口、并口、USB口等数据接口，它们就可与具有网口、并口、USB口等接口的工业控制设备相连接，来实现设备的人机的交互。

　　 6、是否有通讯功能的设备一定能和人机界面产品连接？

　　 应该是这样的。因为通用的人机界面产品都提供了大量的、可供选择的常用设备通讯驱动程序；一般情况下，只要在人机界面的画面组态软件中选择与连接设备相对应的通讯驱动程序，就可以完成HMI和设备的通讯连接。如果所选HMI产品的组态软件中没有要连接设备的通讯驱动程序，用户则可以把要连接设备的通讯口类型和协议内容告知HMI产品的生产商，请HMI厂商代为编制该设备的通讯驱动程序。

　　 7、PC机加触摸屏，能否直接与PLC通讯，完成HMI的功能？

　　 当然可以。不过还要编制相应的HMI软件，才能使PC机成为一个真正的HMI产品。

　　 8、未来人机界面的发展趋势是什么？

　　 随着数字电路和计算机技术的发展，未来的人机界面产品在功能上的高、中、低划分将越来越不明显，HMI的功能将越来越丰富；5.7寸以上的HMI产品将全部是彩色显示屏，屏的寿命也将更长。由于计算机硬件成本的降低，HMI产品将以平板PC计算机为HMI硬件的高端产品为主，因为这种高端的产品在处理器速度、存储容量、通讯接口种类和数量、组网能力、软件资源共享上都有较大的优势，是未来HMI产品的发展方向。当然，小尺寸的（显示尺寸小于5.7寸）HMI产品，由于其在体积和价格上的优势，随着其功能的进一步增强（如增加IO功能），将在小型机械设备的人机交互应用中得到广泛应用。

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１、　概述　　第三方设备大部分支持RS485串口通信，西门子S7 PLC可以通过选择自由口通信模式控制串口通信。最简单的情况是只用发送指令（XMT）向打印机或者变频器等第三方设备发送信息。不管任何情况，都必须通过S7 PLC编写程序实现。

　　当选择了自由口模式，用户可以通过发送指令（XMT）、接收指令（RCV）、发送中断、接收中断来控制通信口的操作。

　　2、    PPI通信

　　PPI协议是S7-200CPU最基本的通信方式，通过原来自身的端口（PORT0或PORT1）就可以实现通信，是S7-200 CPU默认的通信方式。

　　PPI是一种主-从协议通信，主-从站在一个令牌环网中。在CPU内用户网络读写指令即可，也就是说网络读写指令是运行在PPI协议上的。因此PPI只在主站侧编写程序就可以了，从站的网络读写指令没有什么意义。

　　3、    MPI通信

　　MPI通信是一种比较简单的通信方式，MPI网络通信的速率是19.2Kbit/s~12Mbit/s，MPI网络最多支持连接32个节点，最大通信距离为50M。通信距离远，还可以通过中继器扩展通信距离，但中继器也占用节点。

　　MPI网络节点通常可以挂S7-200、人机介面、编程设备、智能型ET200S及RS485中继器等网络元器件。

　　西门子PLC与PLC之间的MPI通信一般有3种通信方式：

　　1)        全局数据包通信方式

　　2)        无组态连接通信方式

　　3)        组态连接通信方式

　　4、    PROFIBUS-DP通信

　　PROFIBUS-DP现场总线是一种开放式现场总线系统，符合欧洲标准和国际标准。PROFIBUS-DP通信的结构非常精简，传输速度很高且稳定，非常适合PLC与现场分散的I/O设备之间的通信。

　　5、    以太网通信

　　以太网的核心思想是使用共享的公共传输通道，这个思想早在1968年来源于厦威尔大学。

　　1972年，Metcalfe和David Boggs（两个都是著名网络专家）设置了一套网络，这套网络把不同的ALTO计算机连接在一起，同时还连接了EARS激光打印机。这就是世界上第一个个人计算机局域网，这个网络在1973年5月22日首次运行。Metcalfe在首次运行这天写了一段备忘录，备忘录的意思是把该网络改名为以太网（Ethernet），其灵感来自于“电磁辐射是可以通过发光的以太来传播”这一想法。

　　1979年，DEC、Intel和Xerox共同将网络标准化。

　　1984年，出现了细电缆以太网产品，后来陆续出现了粗电缆、双绞线、CATV同轴电缆、光缆及多种媒体的混合以太网产品。

　　以太网是目前世界上最流行的拓朴标准之一，具有传传播速率高、网络资源丰富、系统功能强、安装简单和使用维护方便等很多优点。v

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变频器节能原理

1、 变频节能：

　　为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。电机不能在满负荷下运行，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费，在压力偏高时，可降低电机的运行速度，使其在恒压的同时节约电能。

　　当电机转速从 N1 变到 N2时，其电机轴功率 （P）的变化关系如下：
　P2／ P1 = （N2/N1）3 ，由此可见降低电机转速可得到立方级的节能效果。

　　2、 动态调整节能：

　　迅速适应负载变动，供给最大效率电压。变频调速器在软件上设有 5000次/秒的测控输出功能，始终保持电机的输出高效率运行。

　　3、通过变频自身的V/F功能节电：

　　在保证电机输出力矩的情况下，可自动调节V/F曲线。减少电机的输出力矩，降低输入电流，达到节能状态。

　　4、 变频自带软启动节能：

　　在电机全压启动时，由于电机的启动力矩需要，要从电网吸收 7 倍的电机额定电流，而大的启动电流即浪费电力，对电网的电压波动损害也很大，增加了线损和变损。采用软启动后，启动电流可从0 — 电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击，节约了电费，也减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。

　　5、提高功率因数节能：

　　电动机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用而产生力矩。绕组由于其感抗作用。对电网而言，阻抗特性呈感性，电机在运行时吸收大量的无功功率，造成功率因数很低。

　　采用变频节能调速器后，由于其性能已变为：

　　AC－－ DC －－AC，在整流滤波后，负载特性发生了变化。变频调速器对电网的阻抗特性呈阻性，功率因数很高，减少了无功损耗。

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继电器是我们生活中常用的一种控制设备，通俗的意义上来说就是开关，在条件满足的情况下关闭或者开启。继电器的开关特性在很多的控制系统尤其是离散的控制系统中得到广泛的应用。从另一个角度来说，由于为某一个用途设计使用的电子电路，最终或多或少都需要和某一些机械设备相交互，所以继电器也起到电子设备和机械设备的接口作用。
最常见的继电器要数热继电器，通常使用的热继电器适用于交流50Hz、60Hz、额定电压至660V、额定电流至80A的电路中，供交流电动机的过载保护用。它具有差动机构和温度补偿环节，可与特定的交流接触器插接安装。
时间继电器也是很常用的一种继电器，它的作用是作延时元件，通常它可在交流50Hz、60Hz、电压至380V、直流至220V的控制电路中作延时元件，按预定的时间接通或分断电路。可广泛应用于电力拖动系统，自动程序控制系统及在各种生产工艺过程的自动控制系统中起时间控制作用。
在控制中常用的中间继电器通常用作继电控制，信号传输和隔离放大等用途。此外还有电流继电器用来限制电流、电压继电器用来控制电压、静态电压继电器、相序电压继电器、相序电压差继电器、频率继电器、功率方向继电器、差动继电器、接地继电器、电动机保护继电器等等。正是有了这些不同类型的继电器，我们才有可能对不同的物理量作出控制，完成一个完整的控制系统。
除了传统的继电器之外，继电器的技术还应用在其他的方面，比如说电机智能保护器是根据三相交流电动机的工作原理，分析导致电动机损坏的主要原因研制的，它是一种设计独特，工作可靠的多功能保护器，在故障出现时，能及时切断电源，便于实现电机的检修与维护，该产品具有缺相保护，短路、过载保护功能，适用于各类交流电动机，开关柜，配电箱等电器设备的安全保护和限电控制，是各类电器设备设计安装的优选配套产品。该技术安装尺寸、接线方式、电流调整与同型号的双金属片式热继电器相同。是直接代替双金属片式热继电器的更新换代的先进电子产品。而其真正的原理还是继电器技术。
继电器技术发展到现在，已经和计算机技术结合起来，产生了可编程控制器的技术。可编程控制器简称作PLC。它是将微电脑技术直接用于自动控制的先进装置。它具有可靠性高，抗干扰性强，功能齐全，体积小，灵活可扩，软件直接、简单，维护方便，外形美观等优点；以往继电器控制的电梯有几百个触点控制电梯的运行。有一个触点接触不良，就会引起故障，维修也相当麻烦，而PLC控制器内部有几百个固态继电器，几十个定时器/计数器，具备停电记忆功能，输入输出采用光电隔离，控制系统故障仅为继电器控制方式的10%。正因为如此，国家有关部门已明文规定从97年起新产电梯不得使用继电器控制电梯，改用PLC微电脑控制电梯。

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前言

　　采用变频器驱动的电动机系统因其节能效果明显，调节方便维护简单，网络化等优点，而被越来越多的应用，但它的非线性，冲击性用电的工作方式，带来的干扰问题亦倍受关注。对于一台变频器来讲，它的输入端和输出端都会产生高次谐波，输入端的谐波会通过输入电源线对公用电网产生影响。

　　一、谐波的产生

　　从结构来看，变频器可分为间接变频和直接变频两大类。间接变频将工频电流通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流。直接变频器则将工频交流变换成可控频率的交流，没有中间的直流环节。它的每相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。正反两组按一定周期相互切换，在负荷上就获得了交变输出的电压U0,U0的幅值决定于各整流装置的控制角，频率决定于两组整流装置的切换频率。目前应用较多的还是间接变频器。

　　间接变频有三种不同的结构形式：

　　（1）用可控整流器变压，用逆变器变频，调压和调频分别是在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合。

　　（2）用不控整流器整流斩波器变压、逆变器变频，这种变频器整流环节用斩波器，用脉宽调压（3）用不控整流器整流，PWM逆变器同时变频，这种变频器只有采用可控关断的全控式器件（如IGBT等）输出波形才会非常逼真的正弦波。

　　无论是哪一种的变频器，都大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件，不管采用哪种整流方式，变频器从电网中吸取能量的方式均不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向电网索取电流，这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上，使电压发生畸变，经傅里叶分析可知，这种非同期正弦波电流是由于频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成。

　　二、谐波的危害

　　一般来讲，变频器对容量大的电力系统影响不是十分明显，但是对于系统容量小的系统，谐波产生的干扰就不可忽视，它对公用电网是一种污染，客观的存在对公用电网和其它系统的危害大致有：

　　（1）谐波使公用电网的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的使用率，大量的三次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。

　　（2）谐波影响各种电气元件的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪音和过电流，使电容器、电缆等设备过热，绝缘老化、寿命缩短以至损坏。

　　（3）谐波会引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述的危害大大的增加，甚至引起严重事故。

　　（4）谐波会对临近的通讯系统产生干扰，导致通讯质量降低，甚至信息的丢失，使通讯系统无法正常工作。

　　三、谐波的抑制

　　变频器方便、高效和巨大利益的同时，对电网注入了大量的谐波和无功功率，使电能质量不断的恶化。另一方面，随着以计算机为代表的大量敏感设备的普及应用，人们对公用电网的供电质量要求越来越高，许多国家和地区已经制定了各自的谐波标准。我国也分别于1984年就及1993年分别通过了“电力系统谐波管理规定”和“GB/T—14549—93标准，用以限制供电系统及用电设备的谐波污染。

　　抑制谐波的方法的基本思路有三，其一是装设谐波补偿装置来补偿谐波，其二是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，其三是在市电网络中采用适当的措施来抑制谐波，具体方法有以下几种：

　　（1）安装适当的电抗器

　　变频器的输入侧功率因数取决于装置内部的AC-DC变换电路系统，可利用并联功率因数教正DC电抗器，电源侧串联AC电抗器的方法，使进线电流的THDV大约降低30%-50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右。

　　（2）装设有源电力滤波器

　　除传统的LC调试滤波器目前还在应用外，目前谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器。它串联或是并联于主电路中，实时从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等，方向想反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，其特性不受系统的影响，无谐波放大的危险，因而倍受关注，在日本等国已获得广泛应用。

　　（3）采用多相脉冲整流

　　在条件允许或是要求谐波限制在比较小的情况下，可采用多相整流的方法。12相脉冲整流THDV大约为10%-15%，18相脉冲整流的THDV约为3%-8%，满足国际标准的要求。缺点是需要专用变压器，不利于设备的改造，价格较高。

　　（4）使用滤波模块组件

　　目前市场上有很多专门用于抗传导干扰的滤波模件或组件。这些滤波器具有较强的干扰能力，同时还具有防用电器本身的干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能，对各类用电设备有很多好处。

　　（5）开发新型的变流器

　　大容量的变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术。几千瓦到几百千瓦的高功率因数整流器主要采用PWM逆变器可构成四象限交流调速用变频器。这种变频器不但输出电压、电流为正弦波，输入电流也为正弦波，且功率因数为1，还可以实现能量的双向传递，代表了这一技术的发展方向。

　　（6）选用D-YN11接线组别的三相配电变压器

　　三相变压器中把高压侧绕组接成三角形，低压绕组为星型且中性点和“11”连接以保证相电动势接近于正弦形，从而避免相电动势波形畸变的影响。此时，由地区低压电网供电的220V负荷，线路电流不会超过30A，可用220V单相供电，否则应以220/380V三相四线供电。

　　减少或削弱变频器的方法还有：

　　（1）在变频器与电动机之间增加交流电抗器，以减少传输过程中的电磁辐射。

　　（2）使用具有间隔层的变压器，可以将绝大部分的传导干扰隔离在变压器之前

　　（3）采用具有一定消除高频干扰的双积分A/D转换器、

　　（4）选用具有开关电源的仪表等低压电器

　　（5）信号线与动力线分开配线，尽量使用双绞线降低共模干扰

　　（6）在使用单片机、PLC等为核心的控制系统中，在编制软件的时候适当增加对检测信号和输出控制部分的软件滤波，以增强系统自身的抗干扰能力。

　　四、结语

　　变频器的使用给人们带来了方便和巨大的利益，它必将更为普遍的使用。但是由于它所特有的工作方式，给公用电网带来了一定的破坏，成为电网谐波污染源之一，所以，分析和研究抑制谐波的方法将成为一个非常重要的课题。

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作者：260g 文章来源：网上收集

1引言
可编程控制器（PLC）是一种新型的通用自动化控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制功能强，可*性高，使用灵活方便，易于扩展等优点而应用越来越广泛。但在使用时由于工业生产现场的工作环境恶劣，干扰源众多，如大功率用电设备的起动或停止引起电网电压的波动形成低频干扰，电焊机、电火花加工机床、电机的电刷等通过电磁耦合产生的工频干扰等，都会影响PLC的正常工作。
尽管PLC是专门在现场使用的控制装置，在设计制造时已采取了很多措施，使它对工业环境比较适应，但是为了确保整个系统稳定可*，还是应当尽量使PLC有良好的工作环境条件， 并采取必要的抗干扰措施。
2 PLC在安装和维护时应注意的问题
2.1 PLC的安装
PLC适用于大多数工业现场，但它对使用场合、环境温度等还是有一定要求。控制PLC的工作环境，可以有效地提高它的工作效率和寿命。在安装PLC时，要避开下列场所：
（1）环境温度超过0 ~ 50℃的范围；
（2）相对湿度超过85%或者存在露水凝聚（由温度突变或其他因素所引起的）；
（3）太阳光直接照射；
（4）有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等；
（5）有打量铁屑及灰尘；
（6）频繁或连续的振动，振动频率为10 ~ 55Hz、幅度为0.5mm（峰-峰）；
（7）超过10g（重力加速度）的冲击。
小型可编程控制器外壳的4个角上，均有安装孔。有两种安装方法，一是用螺钉固定，不同的单元有不同的安装尺寸；另一种是DIN（德国共和标准）轨道固定。DIN轨道配套使用的安装夹板，左右各一对。在轨道上，先装好左右夹板，装上PLC，然后拧紧螺钉。为了使控制系统工作可*，通常把可编程控制器安装在有保护外壳的控制柜中，以防止灰尘、油污、水溅。为了保证可编程控制器在工作状态下其温度保持在规定环境温度范围内，安装机器应有足够的通风空间，基本单元和扩展单元之间要有30mm以上间隔。如果周围环境超过55C，要安装电风扇，强迫通风。
为了避免其他外围设备的电干扰，可编程控制器应尽可能远离高压电源线和高压设备，可编程控制器与高压设备和电源线之间应留出至少200mm的距离。
当可编程控制器垂直安装时，要严防导线头、铁屑等从通风窗掉入可编程控制器内部，造成印刷电路板短路，使其不能正常工作甚至永久损坏。
2.2 电源接线
PLC供电电源为50Hz、220V±10%的交流电。
FX系列可编程控制器有直流24V输出接线端。该接线端可为输入传感（如光电开关或接近开关）提供直流24V电源。
如果电源发生故障，中断时间少于10ms，PLC工作不受影响。若电源中断超过10ms或电源下降超过允许值，则PLC停止工作，所有的输出点均同时断开。当电源恢复时，若RUN输入接通，则操作自动进行。
对于电源线来的干扰，PLC本身具有足够的抵制能力。如果电源干扰特别严重，可以安装一个变比为1:1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。
2.3 接地
良好的接地是保证PLC可*工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。接地线与机器的接地端相接，基本单元接地。如果要用扩展单元，其接地点应与基本单元的接地点接在一起。为了抑制加在电源及输入端、输出端的干扰，应给可编程控制器接上专用地线，接地点应与动力设备（如电机）的接地点分开。若达不到这种要求，也必须做到与其他设备公共接地，禁止与其他设备串联接地。接地点应尽可能*近PLC。
2.4 直流24V接线端
使用无源触点的输入器件时，PLC内部24V电源通过输入器件向输入端提供每点7mA的电流。
PLC上的24V接线端子，还可以向外部传感器（如接近开关或光电开关）提供电流。24V端子作传感器电源时，COM端子是直流24V地端。如果采用扩展船员，则应将基本单元和扩展单元的24V端连接起来。另外，任何外部电源不能接到这个端子。
如果发生过载现象，电压将自动跌落，该点输入对可编程控制器不起作用。
每种型号的PLC的输入点数量是有规定的。对每一个尚未使用的输入点，它不耗电，因此在这种情况下，24V电源端子向外供电流的能力可以增加。
FX系列PLC的空位端子，在任何情况下都不能使用。
2.5 输入接线
PLC一般接受行程开关、限位开关等输入的开关量信号。输入接线端子是PLC与外部传感器负载转换信号的端口。输入接线，一般指外部传感器与输入端口的接线。
输入器件可以是任何无源的触点或集电极开路的NPN管。输入器件接通时，输入端接通，输入线路闭合，同时输入指示的发光二极管亮。
输入端的一次电路与二次电路之间，采用光电耦合隔离。二次电路带RC滤波器，以防止由于输入触点抖动或从输入线路串入的电噪声引起PLC误动作。
若在输入触点电路串联二极管，在串联二极管上的电压应小于4V。若使用带发光二极管的舌簧开关，串联二极管的数目不能超过两只。
另外，输入接线还应特别注意以下几点：
（1）输入接线一般不要超过30m。但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。
（2）输入、输出线不能用同一根电缆，输入、输出线要分开。
（3）可编程控制器所能接受的脉冲信号的宽度，应大于扫描周期的时间。
2.6 输出接线
（1）可编程控制器有继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出3种形式。
（2）输出端接线分为独立输出和公共输出。当PLC的输出继电器或晶闸管动作时，同一号码的两个输出端接通。在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电压。但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源。
（3）由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板，因此，应用熔丝保护输出元件。
（4）采用继电器输出时，承受的电感性负载大小影响到继电器的工作寿命，因此继电器工作寿命要求长。
（5）PLC的输出负载可能产生噪声干扰，因此要采取措施加以控制。
此外，对于能使用户造成伤害的危险负载，除了在控制程序中加以考虑之外，还应设计外部紧急停车电路，使得可编程控制器发生故障时，能将引起伤害的负载电源切断。
交流输出线和直流输出线不要用同一本电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。
3 结语
PLC以其显著的优点而广泛用于工业控制，其实际应用涉及的问题很多，本文只是就其现场安装和维护问题提出了一些注意事项，供从事PLC设计及应用人员参考。

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　随着工业设备自动化控制技术的发展，可编程控制器(PLC)在工业设备控制中的应用越来越广泛。PLC控制系统的可靠性直接影响到企业的安全生产和经济运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。本文详细介绍了影响PLC运行的干扰类型及来源，并提出抗干扰设计的实施策略。

　　自动化系统所使用的各种类型PLC中，有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力，另一方面要求应用部门在工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。

　　电磁干扰类型及其影响

　　影响PLC控制系统的干扰源与一般影响工业控制设备的干扰源一样，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是干扰源。

　　干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声波形性质来划分。按噪声产生的原因不同，分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；按噪声的波形、性质不同，可分为持续噪声、偶发噪声等；按噪声干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。

　　共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态(同方向)电压迭加所形成。共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的配电器供电时，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达130V以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，影响测控信号，造成元器件损坏(这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因)，这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的，这种干扰叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。

　　电磁干扰的主要来源

　　1．来自空间的辐射干扰。空间辐射电磁场(EMI)主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。若PLC系统置于其射频场内，就会受到辐射干扰，其影响主要通过两条路径：一是直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰；二是对PLC通信网络的辐射，由通信线路感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小特别是频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护

　　2．来自系统外引线的干扰。主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰。这种干扰在我国工业现场较为严重，主要有下面三类：

　　第一类是来自电源的干扰。实践证明，因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多，笔者在某工程调试中遇到过，后更换隔离性能更高的PLC电源问题才得到解决。

　　PLC系统的正常供电电源均由电网供电，由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电流，尤其是电网内部的变化、开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。PLC电源通常采用隔离电源，但因其机构及制造工艺等因素使其隔离性并不理想。实际上，由于分布参数特别是分布电容的存在，绝对隔离是不可能的。

　　第二类是来自信号线引入的干扰。与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这种往往非常严重。

　　由信号引入的干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。

　　第三类是来自接地系统混乱的干扰。接地是提高电子设备电磁兼容性(EMC)的有效手段之一，正确的接地既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统无法正常工作。PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等，接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、B都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层。当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大。

　　此外，屏蔽层、接地线和大地可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。

　　3．来自PLC系统内部的干扰。主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射、模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。这都属于PLC制造厂家对系统内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门无法改变，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。

　　抗干扰设计

　　为了保证系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰，必须从设计阶段开始便采取三个方面抑制措施：抑制干扰源、切断或衰减电磁干扰的传播途径、提高装置和系统的抗干扰能力。这三点就是抑制电磁干扰的基本原则。

　　PLC控制系统的抗干扰是一个系统工程，要求制造单位设计生产出具有较强抗干扰能力的产品，且有赖于使用部门在工程设计、安装施工和运行维护中予以全面考虑，并结合具体情况进行综合设计，才能保证系统的电磁兼容性和运行可靠性。进行具体工程的抗干扰设计时，应主要注意以下两个方面。

　　1．设备选型。

　　在选择设备时，首先要选择有较高抗干扰能力的产品，其包括了电磁兼容性，尤其是抗外部干扰能力，如采用浮地技术、隔离性能好的PLC系统；其次还应了解生产厂家给出的抗干扰指标，如共模抑制比、差模抑制比、耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作等；另外是靠考查其在类似工作中的应用实绩。

　　在选择国外进口产品要注意，我国是采用220V高内阻电网制式，而欧美地区是110V低内阻电网。由于我国电网内阻大，零点电位漂移大，地电位变化大，工业企业现场的电磁干扰至少要比欧美地区高4倍以上，对系统抗干扰性能要求更高。在国外能正常工作的PLC产品在国内工业就不一定能可靠运行，这就要在采用国外产品时，按我国的标准(GB/T13926)合理选择。

　　2．综合抗干扰设计。主要考虑来自系统外部的几种抑制措施，内容包括：对PLC系统及外引线进行屏蔽以防空间辐射电磁干扰；对外引线进行隔离、滤波，特别是动力电缆应分层布置，以防通过外引线引入传导电磁干扰；正确设计接地点和接地装置，完善接地系统。另外还必须利用软件手段，进一步提高系统的安全可靠性。

　　主要抗干扰措施

　　1．采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰。

　　在PLC控制系统中，电源占有极重要的地位。电网干扰串入PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源(如CPU电源、I/O电源等)、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。现在对于PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好的电源，而对于变送器供电电源以及和PLC系统有直接电气连接的仪表供电电源，并没受到足够的重视。虽然采取了一定的隔离措施，但普遍还不够，主要是使用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。所以对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大(如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术)的配电器，以减少PLC系统的干扰。

　　此外，为保证电网馈电不中断，可采用在线式不间断供电电源(UPS)供电，提高供电的安全可靠性。而且UPS还具有较强的干扰隔离性能，是一种PLC控制系统的理想电源。

　　2．正确选择电缆的和实施敷设。

　　为了减少动力电缆尤其是变频装置馈电电缆的辐射电磁干扰，笔者在某工程中采用了铜带铠装屏蔽电力电缆，降低了动力线产生的电磁干扰，该工程投产后取得了满意的效果。

　　不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敷设，严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠近平行敷设，以减少电磁干扰。

　　3．硬件滤波及软件抗干扰措施。

　　信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰；在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。

　　由于电磁干扰的复杂性，要根本消除干扰影响是不可能的，因此在PLC控制系统的软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。常用的一些提高软件结构可靠性的措施包括：数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰；定时校正参考点电位，并采用动态零点，可防止电位漂移；采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；采用间接跳转，设置软件保护等。

　　4．正确选择接地点，完善接地系统。

　　接地的目的通常有两个，一为了安全，二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。

　　系统接地有浮地、直接接地和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都低于1MHz，所以PLC控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。集中布置的PLC系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。如果装置间距较大，应采用串联一点接地方式，用一根大截面铜母线(或绝缘电缆)连接各装置的柜体中心接地点，然后将接地母线直接连接接地极。接地线采用截面大于22mm2的铜导线，总母线使用截面大于60mm2的铜排。接地极的接地电阻小于2Ω，接地极最好埋在距建筑物10～15m远处，而且PLC系统接地点必须与强电设备接地点相距10m以上。

　　信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地。多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏蔽电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理，选择适当的接地处单点接地。

　　本文小结

　　PLC控制系统的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制干扰，对有些干扰情况还需做具体分析，采取对症下药的方法，才能够使PLC控制系统正常工作,保证工业设备安全高效运行。

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