高壓變頻器的信號傳遞技術(shù)

0 引言

通常，我們把用來驅(qū)動(dòng)1 kV以上交流電動(dòng)機(jī)的中、大容量變頻器稱為高壓變頻器。但按國際慣例和我國國家標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)按供電電壓≥10 kV 時(shí)稱高壓，10 kV至1 kV時(shí)應(yīng)稱為中壓[1]。考慮到電壓>6 kV時(shí)，我國變頻器多采用交-直-交多電平式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文所討論的信號傳遞技術(shù)側(cè)重于電壓>6 kV的高壓變頻器。

1 高壓變頻器的電磁環(huán)境

包括高壓變頻器在內(nèi)的變頻器主電路一般為交-直- 交拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由外部電網(wǎng)輸入的工頻電源，由三相橋路不可控整流成直流電壓信號，經(jīng)過電容濾波及大功率晶閘管開關(guān)器件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號。國內(nèi)高壓變頻器的整流部分多采用移相變壓器使電網(wǎng)的輸入電流諧波在4%以下。在逆變器輸出回路中，輸出電壓信號受PWM載波信號調(diào)制的脈沖波形，對于GTR大功率逆變器件，其PWM的載波

頻率為2~3 kHz;而IGBT 大功率逆變器件的PWM最高載波頻率可達(dá)15 kHz。雖然，高壓變頻器采用移相變壓器、多重化等技術(shù)手段使變頻器的輸入輸出波形達(dá)到了令人滿意的程度，但是其功率在達(dá)到MW級以上，產(chǎn)生的電磁干擾與本身功率成正比，其電磁干擾仍然嚴(yán)重。筆者的同事用萬用表測得變頻器內(nèi)部的共模干擾電壓達(dá)到AC 200 V，也就是說信號線所受的共模干擾電壓在AC 200 V以上。

2 高壓變頻器信號所受電磁干擾的傳播途徑

高壓變頻器能產(chǎn)生功率非常大的諧波，對自身與其它設(shè)備干擾性較強(qiáng)。其干擾傳播途徑與一般電磁干擾途徑是一致的，主要分電磁輻射、傳導(dǎo)和感應(yīng)耦合[2]，其具體表現(xiàn)為

1)對周圍的電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射。高壓變頻器的逆變橋采用PWM技術(shù)，當(dāng)根據(jù)給定頻率和幅值指令產(chǎn)生預(yù)期的和可重復(fù)的開關(guān)模式時(shí)，其輸出的電壓和電流的功率頻譜是離散的，并且?guī)в信c開關(guān)頻率相應(yīng)的高次諧波群。高載波頻率和場控開關(guān)器件的高速切換(du/dt 可達(dá)1 kV/μs以上)所引起的輻射干擾問題相當(dāng)突出。

2)強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中的變頻器電路產(chǎn)生感應(yīng)耦合，感應(yīng)出干擾電壓或電流。當(dāng)回路1對回路2造成磁場耦合干擾時(shí)，在回路2上形成的串聯(lián)干擾電壓UN為

UN=j棕BAcos茲(1)

式中：棕為干擾信號的角頻率;

B 為干擾源回路1形成的磁場連接回路2處的磁通密度;

A 為回路2感受磁場感應(yīng)的磁通的閉合面積;

茲為B和A 兩個(gè)矢量的夾角。

電磁耦合干擾主要由兩類組成：一是惡劣電磁環(huán)境中的金屬導(dǎo)線回路產(chǎn)生的非常高的共模電壓;

二是所測量的電信號本身含有豐富的噪聲。當(dāng)變頻器的信號傳輸線路和變頻器的功率逆變器件的物理距離比較近時(shí)，逆變器件的高次諧波將通過感應(yīng)的方式耦合到信號線路中去。

3 高壓變頻器的信號傳遞技術(shù)

據(jù)電磁學(xué)的基本原理，形成電磁干擾(EMI)須具備三要素：電磁干擾源、電磁干擾途徑、對電磁干擾敏感的系統(tǒng)。電磁干擾源不在本文的討論范圍之內(nèi)，本文

主要從切斷電磁干擾途徑和降低系統(tǒng)對電磁干擾的敏感性兩個(gè)方面討論高壓變頻器的信號傳遞技術(shù)。高壓變頻器主要從以下幾個(gè)方面來保障信號傳遞技術(shù)。

3.1 選擇抗干擾強(qiáng)的信號傳遞技術(shù)

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)選擇抗干擾性強(qiáng)的信號傳遞技術(shù)，如優(yōu)先考慮數(shù)字型或電流型信號。數(shù)字信號的抗干擾能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于模擬信號。除測量用模擬信號外，在數(shù)字信號滿足信號傳輸速度的前提下應(yīng)優(yōu)先考慮采用數(shù)字信號。惡劣的電磁環(huán)境對信號電纜的影響主要是產(chǎn)生共模電壓干擾，電流型信號在傳輸通路中不會出現(xiàn)在同一回路中各點(diǎn)電流大小不一致的問題，有很強(qiáng)的抗感應(yīng)式干擾的能力，推薦采用工業(yè)上常用的4~20 mA信號。

3.2 傳輸介質(zhì)選光纖

當(dāng)傳遞數(shù)字信號或電平信號時(shí)，采用光纖作為傳輸介質(zhì)傳遞信號。以光波的形式傳遞信號，可以從根本上杜絕信號在傳輸過程中受到干擾;信號在光纖中以光速傳輸，光纖傳輸信號速度快;采用光纖可以節(jié)省有色金屬銅，也比電纜傳輸信號經(jīng)濟(jì)。

3.3 隔離

隔離是切除電磁輻射和傳導(dǎo)干擾的有效方法，可以避免干擾信號傳入下一級信號處理電路。隔離是指切斷信號的電氣傳播途徑，在信號傳輸?shù)倪^程中利用光或磁來耦合輸入信號。隔離可分為對模擬信號的隔離和對數(shù)字信號的隔離兩種信號隔離方法。常用的模擬信號的隔離措施為隔離放大器和隔離變壓器;常用的數(shù)字信號隔離方法采用光電耦合器，光電耦合器分普通型和高速型兩種。圖1為模擬信號隔離放大器ISO124原理圖，圖2為雙通道高速數(shù)字信號光電耦合器原理圖。

將不同種類的信號線隔離鋪設(shè)(不在同一電纜槽中或在同一電纜槽中用金屬隔板隔開)，可以根據(jù)信號不同類型將其按抗噪聲干擾能力分類鋪設(shè)。

3.4 屏蔽

屏蔽是限制內(nèi)部的電磁能量越出某一區(qū)域和防止外來的能量進(jìn)入某一區(qū)域。一般常用于隔離和衰減輻射干擾，屏蔽的實(shí)質(zhì)是由具有良好導(dǎo)電性能的金屬材料制成的一個(gè)全封閉的殼體。在高壓變頻器中傳輸電信號時(shí)均須采用屏蔽電纜，在使用中需要注意以下幾點(diǎn)。

1)屏蔽體單端接地，有時(shí)也稱為靜電屏蔽。屏蔽層靠近變頻器的一端，應(yīng)接控制電路的公共端(COM)，但不要接到變頻器的接地端(E)或大地，如圖3所示[3]。

2)當(dāng)干擾電場很強(qiáng)而電路靈敏度又高時(shí)，可采用雙層屏蔽。注意：內(nèi)外屏蔽層之間只能一點(diǎn)連接，且要加濾波電路，兩層之間距離應(yīng)盡可能大。

3)為防止空間電磁波對高靈敏度接收調(diào)制的干擾，可采用金屬網(wǎng)屏蔽室[4]。

3.5 接地

接地的作用概括起來只有兩種，即保護(hù)人和設(shè)備不受損害的保護(hù)接地和為了抑制電磁干擾的接地———工作接地。在此只討論工作接地的問題，工作接地是為了使變頻控制系統(tǒng)及與之相連的儀表均能可靠運(yùn)行并保證測量和控制精度而設(shè)的接地。在高壓變頻器信號傳遞中需要考慮信號回路接地、屏蔽接地，高壓變頻器用于石化或其他防暴系統(tǒng)中還有本安接地的問題。

1)信號回路接地如各變頻器的負(fù)端接地，開關(guān)信號的負(fù)端接地等。信號地的處理原則上不允許各變送器和其他的傳感器在現(xiàn)場接地，而應(yīng)都將其負(fù)端在變頻器端子處一點(diǎn)接地。但在有些場合，現(xiàn)場必須接地，這時(shí)必須注意原信號的輸入端子(上雙端)絕對不允許和變頻控制系統(tǒng)的接地線有任何電氣連線，而變頻控制系統(tǒng)在處理這類信號時(shí)，必須在前端采用有效的隔離措施。

2)屏蔽接地(模擬信號的屏蔽接地) 模擬地是所有的接地中要求最高的一種，高壓變頻器要求接地電阻0.1Ω，需要在變頻器機(jī)柜內(nèi)部安裝模擬地匯流排或其他設(shè)施。用戶在接線時(shí)將屏蔽線分別接到模擬地匯流排上，在機(jī)柜底部，用絕緣多股銅線連接到一點(diǎn)，然后將各機(jī)柜的匯流排用絕緣多股銅導(dǎo)線或銅條以輻射狀連接到接地點(diǎn)。注意各機(jī)柜之間的連接電阻需1Ω。

3)本安接地是本安儀表或安全柵的接地。這種接地除了可抑制干擾外，還是使儀表和系統(tǒng)具有本質(zhì)安全性質(zhì)的措施之一。本安接地會因采用的設(shè)備不同而不同，安全柵的作用是使危險(xiǎn)現(xiàn)場端永遠(yuǎn)處于安全電源和安全電壓范圍之內(nèi)。如果現(xiàn)場端短路，由于負(fù)載電阻和安全柵電阻R 的限流作用，會將導(dǎo)線上的電流限制在安全范圍之內(nèi)，使現(xiàn)場端不至于產(chǎn)生很高的溫度，引起燃燒。如果變頻器一端產(chǎn)生故障，則高壓信號加入信號回路，則由于齊納二極管的作用，也使電壓處于安全范圍。

3.6 使用雙絞線

雙絞線的絞扭節(jié)距把式(1)中的A 回路分隔成許多小回路，如果雙絞線的絞扭一致，那么這些小回路的面積相等而方向相反，因此其磁場干擾可以相互抵消。但需要說明的是雙絞線的結(jié)構(gòu)對電場耦合干擾沒有抑制能力。當(dāng)給雙絞線加上屏蔽層后，其抑制干擾能力更強(qiáng)。圖4示出了幾種雙絞線的使用方法,讀者可作比較。如果每2.54 cm扭6個(gè)均勻絞扭，對磁場干擾的抑制dB數(shù)如圖4所示。其中圖4(a)采用單端接地的方式，對磁場干擾具有高達(dá)55 dB 的衰減能力。而圖4(b)由于雙端接地，地線阻抗與信號線阻抗不對稱，地環(huán)流造成了雙絞線電流不平衡，因此降低了雙絞線抗磁場干擾能力，只有13 dB的抗磁場干擾能力。圖4(c)的屏蔽層雙端接地，具有一定的抑制磁場耦合干擾能力，加上雙絞線本身的作用，具有63 dB 的衰減。圖4(d)的屏蔽層和雙絞線都兩端接地，其效果只是比圖4(b)好，只有28 dB的衰減[2]。

4 結(jié)語

如上所述，高壓變頻器的電磁環(huán)境除具有一般電子設(shè)備的共性外，還具有自己的特性。在考慮其信號傳輸時(shí)，須綜合采用本文中所提的這些信號傳輸技術(shù)。山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司的風(fēng)光牌變頻器正是因?yàn)椴捎昧松鲜龅男盘杺鬏敿夹g(shù)，產(chǎn)品的可靠性得到保障，受到用戶好評。