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(guó)際慣例和我國(guó)國(guó)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]?？紤]到電壓>6 kV時(shí)，我國(guó)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(hào)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(hào)，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(hào)。國(guó)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(hào)受PWM載波信號(hào)調(diào)制的脈沖波形，對(duì)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(jí)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(cè)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(hào)線所受的共模干擾電壓在AC 200 V以上。

2 高壓變頻器信號(hào)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(duì)回路2造成磁場(chǎng)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(hào)的角頻率;

B 為干擾源回路1形成的磁場(chǎng)連接回路2處的磁通密度;

A 為回路2感受磁場(chǎng)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(cè)量的電信號(hào)本身含有豐富的噪聲。當(dāng)變頻器的信號(hào)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(hào)線路中去。

3 高壓變頻器的信號(hào)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(duì)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(duì)電磁干擾的敏感性兩個(gè)方面討論高壓變頻器的信號(hào)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(hào)傳遞技術(shù)。

3.1 選擇抗干擾強(qiáng)的信號(hào)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(hào)傳遞技術(shù)，如優(yōu)先考慮數(shù)字型或電流型信號(hào)。數(shù)字信號(hào)的抗干擾能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于模擬信號(hào)。除測(cè)量用模擬信號(hào)外，在數(shù)字信號(hào)滿足信號(hào)傳輸速度的前提下應(yīng)優(yōu)先考慮采用數(shù)字信號(hào)。惡劣的電磁環(huán)境對(duì)信號(hào)電纜的影響主要是產(chǎn)生共模電壓干擾，電流型信號(hào)在傳輸通路中不會(huì)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(hào)。

3.2 傳輸介質(zhì)選光纖

當(dāng)傳遞數(shù)字信號(hào)或電平信號(hào)時(shí)，采用光纖作為傳輸介質(zhì)傳遞信號(hào)。以光波的形式傳遞信號(hào)，可以從根本上杜絕信號(hào)在傳輸過程中受到干擾;信號(hào)在光纖中以光速傳輸，光纖傳輸信號(hào)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(hào)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(hào)傳入下一級(jí)信號(hào)處理電路。隔離是指切斷信號(hào)的電氣傳播途徑，在信號(hào)傳輸?shù)倪^程中利用光或磁來耦合輸入信號(hào)。隔離可分為對(duì)模擬信號(hào)的隔離和對(duì)數(shù)字信號(hào)的隔離兩種信號(hào)隔離方法。常用的模擬信號(hào)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(hào)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(hào)隔離放大器ISO124原理圖，圖2為雙通道高速數(shù)字信號(hào)光電耦合器原理圖。

將不同種類的信號(hào)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(hào)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(hào)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(chǎng)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(duì)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(cè)量和控制精度而設(shè)的接地。在高壓變頻器信號(hào)傳遞中需要考慮信號(hào)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(hào)回路接地如各變頻器的負(fù)端接地，開關(guān)信號(hào)的負(fù)端接地等。信號(hào)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(chǎng)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(chǎng)合，現(xiàn)場(chǎng)必須接地，這時(shí)必須注意原信號(hào)的輸入端子(上雙端)絕對(duì)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(hào)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(hào)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(huì)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(chǎng)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(chǎng)端短路，由于負(fù)載電阻和安全柵電阻R 的限流作用，會(huì)將導(dǎo)線上的電流限制在安全范圍之內(nèi)，使現(xiàn)場(chǎng)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(hào)加入信號(hào)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(chǎng)干擾可以相互抵消。但需要說明的是雙絞線的結(jié)構(gòu)對(duì)電場(chǎng)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(duì)磁場(chǎng)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(duì)磁場(chǎng)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(hào)線阻抗不對(duì)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(chǎng)干擾能力，只有13 dB的抗磁場(chǎng)干擾能力。圖4(c)的屏蔽層雙端接地，具有一定的抑制磁場(chǎng)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(hào)傳輸時(shí)，須綜合采用本文中所提的這些信號(hào)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?hào)傳輸技術(shù)，產(chǎn)品的可靠性得到保障，受到用戶好評(píng)。