变频器对换热站传感器信号干扰的原因分析及解决措施

第19卷第6期
2019年12月潍坊学院学报Journal of Weifang University Vol. 19 No. 6Dec. 2019
变频器对换热站传感器信号干扰的原因分析
及解决措施
林 凯1，季 涛2，张雪原2，马云峰2
（1.青岛大学，山东 青岛 266000；2.潍坊学院，山东 潍坊 261061）
摘 要：针对变频器对于换热站自控系统中的传感器干扰问题，重点分析了变频器输入侧、输出侧高频干扰信号的产生机理，并结合干扰信号的特征提出了相应的抗干扰措施。

首先，在变频器的输入侧设置交流电抗器，在传感器模拟信号的输出侧设置信号隔离器，在电源开关的输出侧设置隔离变压器，以消除变频器输入侧由整流环节产生的高频干扰信号；其次，将滤波磁环套在变频器的输出侧，用来过滤变频器输出侧由逆变环节产生的干扰信号；最后，结合系统抗干扰改进实例，提出了系统电气结构设计的总体思路，即控制柜与动力柜分离，强、弱电分离。

经现场实践验证了上述抗干扰措施能够有效地消除变频器对传感器的干扰影响，有助于提高系统运行的稳定性。

关键词：变频器；换热站；信号干扰；抗干扰措施；系统电气结构设计思路
中图分类号：TN773 文献标志码：A 文章编号：1671-4288(2019)06-0001-05
社会的进步使得人们逐步提高了对生活质量的追求，
集中供暖作为重要的民生工程得到了全社会的重视。

现如
今形成了以热力公司为主体，各级换热站作为基础的集中
供暖网络，各级换热站利用热力公司统一提供的高温热水
作为热源，通过换热器实现了对二次网循环水的提温，并
将加热后的二次网循环水输送至采暖建筑。

各级换热站作
为集中供暖的基础，其稳定运行关乎集中供暖的质量。

潍
坊某水-水换热站系统示意图见图1。

水-水换热自控系统主要由温度、压力传感器、变
频器、三相异步电动机、PLC 以及监控中心主机组成。

PLC 作为换热现场的核心，一方面，利用供回水温度、压
力，室外温度，变频器的运行状态等反馈值，调整一次网热水电动调节阀的开度及变频器的工作频率，以维持采暖建筑室内温度的恒定；另一方面，通过工业以太网与监控中心主机建立数据连接，实现了换热子系统与监控中心的信息交互。

综上所述：信号的检测和系统的稳定是换热自控系统的关键。

1 问题描述
某企业换热站自控系统投入运行时出现了一系列的干扰问题，主要体现在：
在系统补水功能启动后，二次网供、回水温度传感器出现异常信号，致使PLC 做出错误判断，进而影响一次网热水调节阀和循环泵变频器的控制，严重时系统会因温度过高而出现安全事故。

系统在长时间运行后出现通信故障。

各个换热自控子系统无法通过工业以太网与监控中心主机建立数据通信，子系统的实时运行数据信息无法上传，运行工作人员不得不定期至各个换热自控子系统巡视、记录，
* 收稿日期：2019-09-23
作者简介：
林凯（1993-），男，山东临沂人，青岛大学自动化学院硕士研究生。

研究方向：数字化能源监管。

图1 水-水换热系统示意图
2019年12月潍坊学院学报
增加了工作人员的额外负担。

2 原因分析
通过对换热自控系统的分析发现：（1）换热自控系统在设计时未对电源开关采取隔离措施，导致系统内部的PLC等电气元件受到高频信号的干扰。

（2）循环泵变频器安装于1~3号电气柜，而补水泵变频器与PLC等设备一同安装于4号电气柜，且未加屏蔽措施，致使变频器内部产生的谐波严重影响到了系统的稳定运行。

文献[1-2]分别从不同的角度详细分析了变频器产生干扰的原因，并给出了具体的抗干扰措施。

本文立足于实际应用，从变频器的输入、出端两个方向入手，通过研究变频器的工作特性，对变频器产生干扰的原因进行了重点分析。

2.1 变频器输入侧干扰分析
以换热站自控系统中实际应用的变频器作为研究对象，其内部整流-逆变电路拓扑如图2所示。

Array
图2 整流-逆变电路拓扑
变频器输入侧（R、S、T）的干扰指的是是变频器整流回路环节中的非线性元件产生的高频干扰信号。

变频器的整流环节由6个二极管组成，通过依次控制二极管的导通，实现了交-直变换。

而二极管作为非线性元件，导致电流在流过二极管时的电压降与电流的变化不呈正比，致使回路中出现了大量的高频谐波信号，若变频器的输入端不采取相应的屏蔽措施，高频谐波信号会经变频器的输入侧，进一步污染外部电网以及换热自控系统[3]。

2.2 变频器输出侧干扰分析
变频器内部逆变环节是导致变频器输出端产生的干扰的主要原因。

目前通用的变频器多采取u-f控制方式，即在变频的同时改变电压的大小[4]。

常见的方法有：脉幅调制（PAM）和脉宽调制（PWM）。

其中：PAM指的是利用可控整流技术在将交流电变为直流电的同时，降低整流后的直流电压与频率；而PWM则通过调节每个脉冲周期中脉冲宽度所占的比例，即“占空比”来实现电压与频率的控制[4]。

变频器多利用PWM技术，通过控制回路发出指令，控制变频器内部的整流-逆变环节实现了不可调制的电压与频率的可调制化，但是这种利用高速电力电子开关产生控制信号的方式，会产生很强的高频干扰信号。

假设变频器输入的是周期性的三相交流正弦信号
（1）经过交-直-交变换后转换为非正弦的周期性信号，由傅里叶变换可知：任意正弦信号都可展开为傅氏级数
（2）
其输出不仅含有与输入同频率的基波分量：
（3）
第6期其中：而且含有高次谐波分量：
（4）其中：
无论变频器的输入信号是否为正弦波，由于逆变电路的存在，其输出始终为基波和各阶次谐波的叠加，而其中的高频谐波会对系统产生严重的干扰[5]。

3 解决措施
前文以变频器作为研究对象，通过分析其工作特性得到了变频器产生干扰信号的原因，即变频器内部的整流、逆变环节是其输入、输出侧产生干扰的主要原因。

现结合高频干扰信号的特性，分别从信号采集、变频器的输入端、输出端以及系统电气结构改进四个方向，提出相应的抗干扰措施。

3.1 信号采集抗干扰措施
换热站自控系统利用温度传感器采集供、回水温度，将温
度信号转换为4~20mA 的模拟信号传输至PLC，考虑到传感器
易受干扰的特性，因此，分别从信号电源和信号传输两个方向
设置抗干扰措施，提高系统的稳定性。

3.1.1 信号电源抗干扰措施
变频器输出侧整流环节产生的高频干扰信号能够利用输电
线路，影响外部电网和系统的正常运行，因此必须在变频器的
输入侧设置相应的屏蔽措施，一是为了防止高频信号由输电线
路进入系统，从而影响系统内部PLC、各类传感器的正常工作；
二是避免高频干扰信号通过变频器的输入侧电源进一步污染外
部电网。

由此考虑在电源开关的输入侧加装隔离变压器。

隔离变压器应用电磁感应原理，其简易原理图解
如图3所示。

隔离变压器的作用主要有：隔离变压器由匝数之比为1：1的原、副线圈组成，原线圈在交流电源的作用下产生磁场，而副线圈在磁场的作用下产生与原线圈电压相等的感应电动势，向系统供电[6]。

隔离变压器具有良好的低通滤波特性。

当信号的频率大于截止频率时，呈现出较高的阻抗特性，抑制高频信号的传输；当信号频率大于0且小于截止频率时，呈现低阻抗特性，对于信号的抑制作用很小；当信号的频率等于0（直流信号）时，由于电感存在通交流、阻直流的特性，导致直流信号无法顺利流过隔离变压器[7]。

3.1.2 信号传输抗干扰措施
传感器在干扰信号的作用下产生异常信号，通过
模拟量输入（AI）将异常信号传送至PLC，导致其作
出错误的判断，严重影响系统的稳定运行。

因此需要
在模拟信号与PLC 之间串接信号隔离器，利用信号隔
离器将异常信号过滤，提高系统的抗干扰能力。

信号
隔离器的原理图如下图4所示。

信号隔离器应用光电隔离技术，主要由二极管组成。

信号隔离器输入端的二极管在4~20mA 电流的作用下发光，输出端的光敏二极管在接收到光信号后转换成电流输出。

信号隔离器的实质是利用光为传播媒
林 凯，季 涛，张雪原，马云峰：变频器对换热站传感器信号干扰的原因分析及解决措施
图
3 隔离变压器简易图解图
4 信号隔离器原理图
2019年12月潍坊学院学报介，通过电-光-电转换，利用信号隔离器实现了对输
入侧和输出侧电流的隔离，避免了带干扰的电流信号直
接向PLC 的传输，因而具有良好的抗干扰特性[8]。

3.2 变频器输入侧抗干扰措施
由前文分析可知：整流环节中的非线性元件导致变
频器的输入侧产生了大量的高频干扰信号，为了消除干
扰信号对系统的影响，提出在变频器的输入侧设置交流
电抗器，利用高频信号阻抗较大的特性，抑制其对系统
的干扰作用。

交流电抗器的原理图见下图5。

根据公式 （5）
（6）
当谐波流过线路时，频率越高，感抗也就越高，产生的反电动势也就越大，对谐波的抑制作用就越大。

反之，当工频信号或低频信号流过时，抑制作用较小，保障了数据的正常传输[9]。

3.3 变频器输出侧抗干扰措施
变频器输出侧产生了大量的高频干扰信号（主要是谐波干扰），会导致三相异步电动机的损耗变大，使用寿命降低。

故而考虑在变频器的输出侧加装滤波磁环，滤波磁环实质上是一种损耗式滤波器，主要用来抑制线路上的传导干扰，其复数阻抗计算公式为
（7）
其中：R 为电阻； XL 为感抗；XC 为容抗； L 为电感； C 为电容；f 为频率。

由上式可见，当低频信号穿过磁环时，磁环电阻值较小而磁芯的磁导率较高，磁环呈现出低阻抗特性，对于信号的传输限制作用很小；当高频信号穿过磁环时，磁导率降低，电阻值增大，磁环呈现高阻抗特性，使得高频信号在穿过磁环时被转化成热量消耗掉，起到了抑制高频干扰的效果[10]。

3.4 系统电气结构设计改进措施
系统电气结构设计改进措施的总体思路是：控制柜与动力柜隔离，强弱电分离。

具体措施如下：
（1）将PLC 等控制设备与变频器进行隔离，从干扰源头上预防变频器对控制设备的干扰[11]；
（2）应注意规范变频器的安装与选型，并对变频器进行定期检查[12]；
（3）强、弱电分离。

通过合理的布线，将信号线与电源线分离，防止电源中附带的谐波影响信号的检测与传输。

4 抗干扰措施应用效果
依据上述抗干扰措施对换热站监控系统进行改进后，相应的干扰现象消除，信号正常，且系统无其他干扰现象产生。

实践表明：上述抗干扰措施能够有效地消除变频器对换热自控系统的干扰影响，保障系统的安全、稳定运行。

5 结论
变频器作为干扰源对自控系统的干扰影响不容忽视。

本文针对变频器对换热自控系统中的信号干扰问题进行了理论分析，并提出了一系列行之有效的抗干扰措施，对换热站自控系统及其相关领域设计提供了重要的参考。

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中国煤炭学会煤矿自动化专业委员会、中国煤炭工业技术委员会信息图5 交流电抗器原理图
林 凯，季 涛，张雪原，马云峰：变频器对换热站传感器信号干扰的原因分析及解决措施第6期
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Signal of Heat Exchange Station
LIN Kai1, JI Tao2, ZHANG Xue-yuan2, MA Yun-feng2
(1.Qingdao University, Qingdao 266000, China, 2.Weifang University, Weifang 261061, China)
Abstract：Aiming at the sensor interference problem of the invert in the automatic control system of the heat exchange station, the generation mechanism of the high-frequency interference signal on the input side and the output side of the invert is analyzed, and the corresponding anti-interference measures are proposed in combination with the characteristics of the interference signal. Firstly, an AC reactor is arranged on the input side of the invert, a signal isolation is arranged on the output side of the sensor analog signal, and an isolation transformer is arranged on the output side of the power switch to eliminate the high-frequency interference signal generated by the rectification link on the input side of the invert. Secondly, the filter magnetic ring is placed on the output side of the invert to filter the interference signal generated by the invert link on the output side of the invert. Finally, combined with the improved anti-interference system, the overall idea of the system electrical structure design is proposed. That is, the control cabinet is separated from the power cabinet, and the strong and weak electricity are separated. It has been verified by field practice that the above anti-interference measures can effectively eliminate the interference of the invert on the sensor and help to improve the stability of the system operation.
Keywords：frequency converter, heat exchange station, signal interference, anti-interference measures, system electrical structure design ideas
（责任编辑：肖恩忠）。