摘要：本文簡要介紹了高壓變頻器電磁環(huán)境，其信號所受電磁干擾的傳播途徑，介紹了高壓變頻器中常用的幾種信號傳遞技術(shù)。高壓變頻器的信號傳遞技術(shù)主要有：數(shù)字信號，電流信號，光線通訊，屏蔽，隔離，接地，雙絞線。 關(guān)鍵詞：電磁環(huán)境，電磁干擾，信號傳遞 Abstract: In this article electromagnetism environment of high-voltage inverter and convey of electromagnetism disturb are introduced in this article briefly, some technology of transmitting signal in high voltage inverter is introduced in this article. The mainly technologies of transmitting signal in high voltage inverter are introduced in this article, such as digital signal, current signal, beam communication , shield , isolation , ground , twisted-pair. Key words: Electromagnetism environment, Electromagnetism disturb, Transmitting signal 通常,我們把用來驅(qū)動1kV以上交流電動機的中、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準，當(dāng)按供電電壓大于或等于10kV時稱高壓，小于10kV至1kV時應(yīng)稱為中壓[1]?？紤]到電壓大于6kV時，我國變頻器多采用交直交多電平式拓撲結(jié)構(gòu)。本文所討論的信號傳遞技術(shù)側(cè)重于電壓大于6kV的高壓變頻器。 一、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-交拓撲結(jié)構(gòu)，外部由電網(wǎng)輸入工頻電源經(jīng)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體管開關(guān)元件逆變?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大功率逆變元件，其PWM的載波頻率為2-3kHz，而IGBT大功率逆變元件的PWM最高載波頻率可達15kHz。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到了令人滿意的程度，但是其功率達到兆瓦以上，電磁干擾與本身功率成正比，其電磁干擾仍然嚴重。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到AC200V，也就是說信號線所受的共模干擾電壓在AC200V以上。 二、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。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，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1kV/us以上）所引起的輻射干擾問題相當(dāng)突出。 （2）強電磁干擾環(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，在回路2上形成的串聯(lián)干擾電壓UN為 式中ω — 干擾信號的角頻率； B—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； θ — B和A兩個適量的夾角。 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)生非常高的共模電壓；二是所測量的電信號本省含有豐富的噪聲。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,逆變器件的高次諧波信號將通過感應(yīng)的方式耦合到信號中去。 三、 高壓變頻器的信號傳遞技術(shù) 據(jù)電磁性的基本原理，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方面來保障信號傳遞技術(shù)的。 （1）在設(shè)計系統(tǒng)時選擇抗干擾性強的信號傳遞技術(shù)，如優(yōu)先考慮數(shù)字型與電流型信號。數(shù)字信號的抗干擾能力遠遠強于模擬信號。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)在同一回路中各點電流大小不一致的問題，有很強的抗感應(yīng)式干擾的能力，推薦采用工業(yè)上常用的4-20mA信號。 （2）當(dāng)傳遞數(shù)字信號或電平信號時，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所受干擾；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，比電纜傳輸信號經(jīng)濟。 （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)字信號隔離方法為采用光電耦合器，光電耦合器分普通型和高速型兩種。圖1（a）為模型信號隔離放大器ISO124原理圖， （b）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)。 （4）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入某一區(qū)域。一般常用于隔離和衰減輻射干擾，屏蔽的實質(zhì)是由具有良好導(dǎo)電性能的金屬材料制成的一個全封閉的殼體。在高壓變頻器中傳輸電信號時均需采用屏蔽電纜，在使用中需要注意以下幾點：①屏蔽體單端接地，有時也稱為靜電屏蔽。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2所示[3]。②當(dāng)干擾電場很強而電路靈敏度又高時，可采用雙層屏蔽。注意：內(nèi)外屏蔽層之間只能一點連接，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)和的干擾，可采用金屬網(wǎng)屏蔽室[4] （5）接地。接地的作用概括起來只有兩種：保護人和設(shè)備不受損害的保護接地和為了抑制電磁干擾的接地即工作接地。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。 信號回路接地，如各變頻器的負端接地，開關(guān)信號的負端接地等。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)都將其負端在變頻器端子處一點接地。但在有些場合，現(xiàn)場必須接地，這時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，必須在前端采用有效的隔離措施。 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小于0.1Ω，需在變頻器機柜內(nèi)部安裝模擬地匯流排或其他設(shè)施。用戶在接線時將屏蔽線分別接到模擬地匯流排上，在機柜底部，用絕緣多股銅線連接到一點，然后將各機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。注意各機柜之間的連接電阻需小于1Ω。 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現(xiàn)場端永遠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。 （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。圖3 示出了幾種雙絞線的使用方法,讀者可作比較。如果每2.54cm扭6個均勻絞扭，對磁場干擾得抑制dB數(shù)入圖所示。其中圖3（a）采用單端接地的方式，對磁場干擾具有高達55dB的衰減能力。而圖3（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13dB的磁場干擾能力。圖3（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63dB的衰減。圖3（d）的屏蔽層和雙絞線都兩端接地，其效果只是比圖3（b）好，只有63dB的衰減[2]。 四、 結(jié)束語 如前所述，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，需綜合采用本文中所提的這些信號傳輸技術(shù)。我們公司的風(fēng)光牌變頻器正是因為采用了上述的信號傳輸技術(shù)，產(chǎn)品的可靠性得到保障。亦是我們公司的產(chǎn)品被評為中國名牌的因素之一。 參考文獻: [1] 吳忠智 中（高）壓大功率變頻器應(yīng)用手冊[M] 機械工業(yè)出版社 2003 [2] 周志敏 變頻器-工程應(yīng)用·電磁兼容·故障診斷[M] 電子工業(yè)出版社 2005 [3] 張燕賓 SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)[M] 機械工業(yè)出版社2002年4月第2版 [4] 孫久軍 機械電子設(shè)備中的電氣干擾及抗干擾措施[J] 試驗技術(shù)與試驗機 2006，01 作者簡介： 孫久軍 男 1977年7月生 山東平陰人 漢族 山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司工程師 碩士 研究方向：高壓變頻器的設(shè)計