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(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)的。
(1)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)字型與電流型信號(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4-20ma信號(hào)。
(2)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)在傳輸過程中所受干擾;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,比電纜傳輸信號(hào)經(jīng)濟(jì)。
(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(hào)隔離放大器iso124原理圖, (b)為雙通道高速數(shù)字信號(hào)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(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)。
(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(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)均需采用屏蔽電纜,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2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)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(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(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。
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。
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小于0.1ω,需在變頻器機(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(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。
(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(gè)均勻絞扭,對(duì)磁場(chǎng)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(duì)磁場(chǎng)干擾具有高達(dá)55db的衰減能力。而圖3(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13db的磁場(chǎng)干擾能力。圖3(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