高压变频器的信号传递技术

0 引言

通常，我们把用来驱动1 kV以上交流电动机的中、大容量变频器称为高压变频器。但按国际惯例和我国国家标准，当按供电电压≥10 kV 时称高压，<10 kV至1 kV时应称为中压[1]。考虑到电压>6 kV时，我国变频器多采用交-直-交多电平式拓扑结构。本文所讨论的信号传递技术侧重于电压>6 kV的高压变频器。

1 高压变频器的电磁环境

包括高压变频器在内的变频器主电路一般为交-直- 交拓扑结构，由外部电网输入的工频电源，由三相桥路不可控整流成直流电压信号，经过电容滤波及大功率晶闸管开关器件逆变为频率可变的交流信号。国内高压变频器的整流部分多采用移相变压器使电网的输入电流谐波在4%以下。在逆变器输出回路中，输出电压信号受PWM载波信号调制的脉冲波形，对于GTR大功率逆变器件，其PWM的载波

频率为2~3 kHz;而IGBT 大功率逆变器件的PWM最高载波频率可达15 kHz。虽然，高压变频器采用移相变压器、多重化等技术手段使变频器的输入输出波形达到了令人满意的程度，但是其功率在达到MW级以上，产生的电磁干扰与本身功率成正比，其电磁干扰仍然严重。笔者的同事用万用表测得变频器内部的共模干扰电压达到AC 200 V，也就是说信号线所受的共模干扰电压在AC 200 V以上。

2 高压变频器信号所受电磁干扰的传播途径

高压变频器能产生功率非常大的谐波，对自身与其它设备干扰性较强。其干扰传播途径与一般电磁干扰途径是一致的，主要分电磁辐射、传导和感应耦合[2]，其具体表现为

1)对周围的电子、电气设备产生电磁辐射。高压变频器的逆变桥采用PWM技术，当根据给定频率和幅值指令产生预期的和可重复的开关模式时，其输出的电压和电流的功率频谱是离散的，并且带有与开关频率相应的高次谐波群。高载波频率和场控开关器件的高速切换(du/dt 可达1 kV/μs以上)所引起的辐射干扰问题相当突出。

2)强电磁干扰环境中的变频器电路产生感应耦合，感应出干扰电压或电流。当回路1对回路2造成磁场耦合干扰时，在回路2上形成的串联干扰电压UN为

UN=j棕BAcos兹(1)

式中：棕为干扰信号的角频率;

B 为干扰源回路1形成的磁场连接回路2处的磁通密度;

A 为回路2感受磁场感应的磁通的闭合面积;

兹为B和A 两个矢量的夹角。

电磁耦合干扰主要由两类组成：一是恶劣电磁环境中的金属导线回路产生的非常高的共模电压;

二是所测量的电信号本身含有丰富的噪声。当变频器的信号传输线路和变频器的功率逆变器件的物理距离比较近时，逆变器件的高次谐波将通过感应的方式耦合到信号线路中去。

3 高压变频器的信号传递技术

据电磁学的基本原理，形成电磁干扰(EMI)须具备三要素：电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统。电磁干扰源不在本文的讨论范围之内，本文

主要从切断电磁干扰途径和降低系统对电磁干扰的敏感性两个方面讨论高压变频器的信号传递技术。高压变频器主要从以下几个方面来保障信号传递技术。

3.1 选择抗干扰强的信号传递技术

在设计系统时选择抗干扰性强的信号传递技术，如优先考虑数字型或电流型信号。数字信号的抗干扰能力远远强于模拟信号。除测量用模拟信号外，在数字信号满足信号传输速度的前提下应优先考虑采用数字信号。恶劣的电磁环境对信号电缆的影响主要是产生共模电压干扰，电流型信号在传输通路中不会出现在同一回路中各点电流大小不一致的问题，有很强的抗感应式干扰的能力，推荐采用工业上常用的4~20 mA信号。

3.2 传输介质选光纤

当传递数字信号或电平信号时，采用光纤作为传输介质传递信号。以光波的形式传递信号，可以从根本上杜绝信号在传输过程中受到干扰;信号在光纤中以光速传输，光纤传输信号速度快;采用光纤可以节省有色金属铜，也比电缆传输信号经济。

3.3 隔离

隔离是切除电磁辐射和传导干扰的有效方法，可以避免干扰信号传入下一级信号处理电路。隔离是指切断信号的电气传播途径，在信号传输的过程中利用光或磁来耦合输入信号。隔离可分为对模拟信号的隔离和对数字信号的隔离两种信号隔离方法。常用的模拟信号的隔离措施为隔离放大器和隔离变压器;常用的数字信号隔离方法采用光电耦合器，光电耦合器分普通型和高速型两种。图1为模拟信号隔离放大器ISO124原理图，图2为双通道高速数字信号光电耦合器原理图。

将不同种类的信号线隔离铺设(不在同一电缆槽中或在同一电缆槽中用金属隔板隔开)，可以根据信号不同类型将其按抗噪声干扰能力分类铺设。

3.4 屏蔽

屏蔽是限制内部的电磁能量越出某一区域和防止外来的能量进入某一区域。一般常用于隔离和衰减辐射干扰，屏蔽的实质是由具有良好导电性能的金属材料制成的一个全封闭的壳体。在高压变频器中传输电信号时均须采用屏蔽电缆，在使用中需要注意以下几点。

1)屏蔽体单端接地，有时也称为静电屏蔽。屏蔽层靠近变频器的一端，应接控制电路的公共端(COM)，但不要接到变频器的接地端(E)或大地，如图3所示[3]。

2)当干扰电场很强而电路灵敏度又高时，可采用双层屏蔽。注意：内外屏蔽层之间只能一点连接，且要加滤波电路，两层之间距离应尽可能大。

3)为防止空间电磁波对高灵敏度接收调制的干扰，可采用金属网屏蔽室[4]。

3.5 接地

接地的作用概括起来只有两种，即保护人和设备不受损害的保护接地和为了抑制电磁干扰的接地———工作接地。在此只讨论工作接地的问题，工作接地是为了使变频控制系统及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度而设的接地。在高压变频器信号传递中需要考虑信号回路接地、屏蔽接地，高压变频器用于石化或其他防暴系统中还有本安接地的问题。

1)信号回路接地如各变频器的负端接地，开关信号的负端接地等。信号地的处理原则上不允许各变送器和其他的传感器在现场接地，而应都将其负端在变频器端子处一点接地。但在有些场合，现场必须接地，这时必须注意原信号的输入端子(上双端)绝对不允许和变频控制系统的接地线有任何电气连线，而变频控制系统在处理这类信号时，必须在前端采用有效的隔离措施。

2)屏蔽接地(模拟信号的屏蔽接地) 模拟地是所有的接地中要求最高的一种，高压变频器要求接地电阻<0.1Ω，需要在变频器机柜内部安装模拟地汇流排或其他设施。用户在接线时将屏蔽线分别接到模拟地汇流排上，在机柜底部，用绝缘多股铜线连接到一点，然后将各机柜的汇流排用绝缘多股铜导线或铜条以辐射状连接到接地点。注意各机柜之间的连接电阻需<1Ω。

3)本安接地是本安仪表或安全栅的接地。这种接地除了可抑制干扰外，还是使仪表和系统具有本质安全性质的措施之一。本安接地会因采用的设备不同而不同，安全栅的作用是使危险现场端永远处于安全电源和安全电压范围之内。如果现场端短路，由于负载电阻和安全栅电阻R 的限流作用，会将导线上的电流限制在安全范围之内，使现场端不至于产生很高的温度，引起燃烧。如果变频器一端产生故障，则高压信号加入信号回路，则由于齐纳二极管的作用，也使电压处于安全范围。

3.6 使用双绞线

双绞线的绞扭节距把式(1)中的A 回路分隔成许多小回路，如果双绞线的绞扭一致，那么这些小回路的面积相等而方向相反，因此其磁场干扰可以相互抵消。但需要说明的是双绞线的结构对电场耦合干扰没有抑制能力。当给双绞线加上屏蔽层后，其抑制干扰能力更强。图4示出了几种双绞线的使用方法,读者可作比较。如果每2.54 cm扭6个均匀绞扭，对磁场干扰的抑制dB数如图4所示。其中图4(a)采用单端接地的方式，对磁场干扰具有高达55 dB 的衰减能力。而图4(b)由于双端接地，地线阻抗与信号线阻抗不对称，地环流造成了双绞线电流不平衡，因此降低了双绞线抗磁场干扰能力，只有13 dB的抗磁场干扰能力。图4(c)的屏蔽层双端接地，具有一定的抑制磁场耦合干扰能力，加上双绞线本身的作用，具有63 dB 的衰减。图4(d)的屏蔽层和双绞线都两端接地，其效果只是比图4(b)好，只有28 dB的衰减[2]。

4 结语

如上所述，高压变频器的电磁环境除具有一般电子设备的共性外，还具有自己的特性。在考虑其信号传输时，须综合采用本文中所提的这些信号传输技术。山东新风光电子科技发展有限公司的风光牌变频器正是因为采用了上述的信号传输技术，产品的可靠性得到保障，受到用户好评。