高壓變頻器的信號傳遞技術(shù)

發(fā)布時間:2023-12-31
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。
圖1: (a) 隔離放大器原理圖 (b) 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]
圖2. 單端屏蔽線的接法
(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]。
圖3. 雙絞線的用法及抗干擾能力
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