光纖傳輸技術(shù)在大功率整流電源中的應(yīng)用

劉洋

(1.安徽華塑股份有限公司，安徽 滁州 233200；2.廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司,廣東 廣州 510860；3.葫蘆島奧思特安全技術(shù)服務(wù)有限公司,葫蘆島 125000)

光纖是一種采用玻璃作為波導(dǎo)，以光的形式將信息從一端傳送到另一端的技術(shù)。光纖信號(hào)傳輸具有帶寬高、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速度高、傳輸延時(shí)短等突出優(yōu)點(diǎn)。隨著光纖通信和傳輸技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，已廣泛使用在電力、通信、能源、國(guó)防等各商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域。大功率整流電源是電解、冶金、電化學(xué)等工業(yè)的重要設(shè)備，其可靠性和性能直接影響企業(yè)的生產(chǎn)效率，對(duì)企業(yè)效益起著重要作用。筆者擬從大功率整流電源與后臺(tái)機(jī)通信組網(wǎng)、晶閘管脈沖觸發(fā)、模擬量傳輸、設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)等方面闡述光纖傳輸技術(shù)在大功率整流電源中取得的成功應(yīng)用。

1 后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)與整流電源間的光纖傳輸

近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，各個(gè)行業(yè)都在調(diào)整戰(zhàn)略，加緊改造升級(jí)。工廠自動(dòng)化技術(shù)在各領(lǐng)域越來(lái)越普及，獲得了飛速發(fā)展。其中，一個(gè)重要的發(fā)展方向就是管理、控制和工藝的一體化，即向工廠綜合自動(dòng)化方向發(fā)展，以便進(jìn)一步提高工作效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)安全，節(jié)約能源及原材料。大功率整流電源的監(jiān)視和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化的重要組成部分。它將整流電源系統(tǒng)上的重要數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地采集并呈現(xiàn)在監(jiān)視器上。在監(jiān)視器上，以圖形和表格的方式使操作人員可以直接觀察到系統(tǒng)的工作情況，并且實(shí)現(xiàn)各數(shù)據(jù)的運(yùn)行曲線顯示、數(shù)據(jù)的表格顯示、超限報(bào)警、歷史故障記錄，自動(dòng)地生成報(bào)表，實(shí)現(xiàn)報(bào)表的打印等功能，使車間級(jí)的管理者完全掌握當(dāng)前和過(guò)去的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)。有權(quán)限的操作人員還可在遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的控制室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的跟蹤、控制，對(duì)整流裝置的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)開(kāi)停機(jī)和升降擋位等操作，真正實(shí)現(xiàn)管理的智能化、信息化。

大功率整流電源所在的整流所一般無(wú)人值守，大量的整流器柜內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)都須上傳到中控室的后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，所有整流器的操作都要在中控室遠(yuǎn)控完成，因此對(duì)通信質(zhì)量的要求很高，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)量也很大。隨著現(xiàn)代工廠規(guī)模的不斷擴(kuò)大，中控室與整流所之間的距離動(dòng)輒都在500 m以上，有些甚至是幾千米，長(zhǎng)距離通信的抗干擾和可靠性顯得尤為重要。這么遠(yuǎn)的通信距離，采用光纖傳輸方案是非常必要的。光纖從各個(gè)方面解決了非屏蔽雙絞線的缺點(diǎn)：它具有的帶寬更高，允許的距離更長(zhǎng)，安全性更高，完全消除了電磁干擾(RFI)和射頻干擾(EMI)，允許更靠近電力電纜，而且不會(huì)對(duì)人身健康造成輻射威脅。采用光纖傳輸技術(shù)，將光纖直接接入整流機(jī)組，避免了由于各節(jié)點(diǎn)電位不同引起的設(shè)備燒毀，以及強(qiáng)電磁感應(yīng)、高電壓引起的干擾，并可安全地工作于要求防爆、絕緣的環(huán)境中。

圖1所示為采用光纖傳輸?shù)暮笈_(tái)機(jī)與整流系統(tǒng)間的通信拓?fù)鋱D[1]。

圖1 采用光纖傳輸?shù)暮笈_(tái)機(jī)與整流系統(tǒng)間的通信拓?fù)鋱D

2 晶閘管脈沖觸發(fā)信號(hào)的光纖傳輸

晶閘管觸發(fā)電路的作用是將控制信號(hào)Uk轉(zhuǎn)變成延遲角α信號(hào)，通過(guò)觸發(fā)電路向晶閘管提供門(mén)極電流，決定各個(gè)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻。可把觸發(fā)電路和主回路看成一個(gè)功率放大器，以小功率的輸入信號(hào)直接控制大功率的輸出。因此，觸發(fā)電路與主回路都是晶閘管裝置中的重要部分。兩者既相對(duì)獨(dú)立，又相互依存。正確設(shè)計(jì)的觸發(fā)電路可以充分發(fā)揮晶閘管裝置的潛力，保證運(yùn)行的安全可靠。觸發(fā)電路通常采用單獨(dú)的低電壓電源供電，因此應(yīng)采用某種方法將其與主回路電源隔離。普遍采用的晶閘管觸發(fā)方式為變壓器隔離觸發(fā)方式[2](見(jiàn)圖2)。

圖2 脈沖變壓器隔離的晶閘管觸發(fā)電路

脈沖變壓器是利用磁做媒介進(jìn)行隔離的典型設(shè)備。即將低電位觸發(fā)脈沖信號(hào)經(jīng)脈沖變壓器隔離后送到高電位晶閘管門(mén)極。用脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)觸發(fā)電路與主電路之間的隔離，可靠性高、電路簡(jiǎn)單、成本低。用脈沖變壓器觸發(fā)晶閘管雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也不容忽視,例如電磁干擾問(wèn)題，尤其是在進(jìn)行大功率晶閘管觸發(fā)時(shí)更加明顯。現(xiàn)代大功率整流電源功率和電壓等級(jí)越來(lái)越高，控制距離越來(lái)越遠(yuǎn)，為了實(shí)現(xiàn)觸發(fā)脈沖信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸，徹底解決高低壓電氣隔離和電磁干擾問(wèn)題，工程上可采用光纖觸發(fā)方式。光纖觸發(fā)方式的工作原理是：低壓側(cè)的觸發(fā)脈沖信號(hào)首先經(jīng)過(guò)電—光轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為光脈沖信號(hào)；光脈沖信號(hào)通過(guò)低功耗光纖傳輸?shù)桨惭b在晶閘管組件上的光—電脈沖變換器；光—電脈沖變換器輸出的脈沖再經(jīng)過(guò)功率放大，最后施加到晶閘管單元的門(mén)極上，使晶閘管單元觸發(fā)導(dǎo)通。整個(gè)觸發(fā)信號(hào)傳輸過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)電—光再到光—電信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程。光纖是很細(xì)的玻璃纖維，用光纖傳遞信號(hào)有比較高的工藝技術(shù)要求，特別是其兩端的發(fā)送器和接收器，須準(zhǔn)確地聚焦和定位。隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，用光纖傳遞信號(hào)越來(lái)越方便。一般性能的光纖信號(hào)的發(fā)送器和接收器件在市場(chǎng)上都能買(mǎi)得到，而且價(jià)格也越來(lái)越低。光纖發(fā)送器和接收器均有標(biāo)準(zhǔn)的接口，使用方便，典型的應(yīng)用電路如圖3所示[3]。

圖3 脈沖觸發(fā)信號(hào)的光纖傳輸電路

由圖3可見(jiàn)：光纖連接的發(fā)射和接收電路之間通過(guò)光信號(hào)傳輸，沒(méi)有直接的電氣連接，能夠精確傳送晶閘管脈沖觸發(fā)信號(hào)。光纖傳輸脈沖觸發(fā)信號(hào)不僅解決了功率電路和控制電路之間的強(qiáng)弱電隔離，使電磁干擾降到了最低，而且能夠減小延時(shí)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳送。與使用光控晶閘管相比，晶閘管光纖觸發(fā)方式的特點(diǎn)是成本低；與傳統(tǒng)變壓器隔離觸發(fā)方式相比，這種觸發(fā)方式觸發(fā)脈沖品質(zhì)大幅提高。

因此，普通晶閘管光纖觸發(fā)方法具有成本低、性能好的綜合優(yōu)勢(shì)，在高壓大功率整流設(shè)備中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。

3 模擬量信號(hào)的光纖傳輸

大功率整流電源所處的高電壓強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境使采用同軸電纜或雙絞線進(jìn)行模擬量傳輸?shù)姆绞酱嬖诳闺姶鸥蓴_能力差，電壓隔離度不高，傳輸損耗大等問(wèn)題。隨著新通信載體——光纖的應(yīng)用，為提高系統(tǒng)的可靠性和采集精度，光纖傳輸成為理想的選擇。實(shí)際應(yīng)用表明，將光纖用于模擬量傳輸技術(shù)已成熟。

3.1 模擬量采用光纖傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)

(1)傳輸距離遠(yuǎn)，精度高，傳輸帶寬且高，減少線纜用量，便于布纜。

(2)光纖在工作時(shí)不導(dǎo)電，對(duì)高電壓有隔離作用，避免了電路之間的電磁效應(yīng)引起的相互干擾。

(3)眾多電氣設(shè)備的啟停、開(kāi)關(guān)的閉合、各種電弧等不會(huì)對(duì)光纖通信產(chǎn)生影響，光纖通信自身不會(huì)輻射干擾其他設(shè)備。

(4)光纖受溫度的影響小、抗化學(xué)腐蝕和抗氧化性能強(qiáng)，工作受惡劣環(huán)境的約束小，光纖的壽命比銅纜長(zhǎng)。

(5)使用光纖通信不存在接地、共地的問(wèn)題，安裝、測(cè)試過(guò)程中沒(méi)有電壓、電流的干擾。這些優(yōu)點(diǎn)為高電壓、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下模擬量的高精度傳輸?shù)於撕芎玫幕A(chǔ)。

3.2 模擬信號(hào)光纖傳輸?shù)闹饕椒?/h3>

模擬信號(hào)的光纖傳輸主要有兩種方法。

(1)直接模擬信號(hào)光纖傳輸。

(2)將模擬信號(hào)數(shù)字化以后進(jìn)行傳輸，在接收端再還原成模擬信號(hào)。采用模擬信號(hào)直接傳輸?shù)姆椒ㄔ陔娐吩O(shè)計(jì)上相對(duì)簡(jiǎn)單、成本較低、適用范圍廣，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)就可以達(dá)到較好的性能，所以在工程上被廣泛采用。

將變送器電流、電壓模擬量直接傳輸，在接收端原封不動(dòng)地輸出(可視為透明傳輸)，保證高度的線性度。這樣可將現(xiàn)場(chǎng)的PLC 等智能設(shè)備放置在中心，大大減少前端現(xiàn)場(chǎng)的尺寸、線纜尺寸以及集成難度等。直接模擬量光纖傳輸結(jié)構(gòu)如圖4所示[4]。

圖4 直接模擬量光纖傳輸結(jié)構(gòu)示意圖

圖4中的V/F和F/V轉(zhuǎn)換電路均可采用LM331芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。模擬量發(fā)送端，首先通過(guò)LM331芯片把電壓轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)頻率的TTL信號(hào)，然后通過(guò)DS75451芯片等構(gòu)成的接口電路和發(fā)送模塊把TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)送入光纖。

模擬量接收端，先通過(guò)接收模塊和接口電路把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL信號(hào)，再經(jīng)過(guò)LM331把頻率轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬量信號(hào)。

4 基于光纖的溫度傳感器應(yīng)用

溫度是大功率整流電源的重要運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)檢測(cè)大功率整流電源溫度信息獲取設(shè)備運(yùn)行工況，從而進(jìn)行故障預(yù)報(bào)與診斷，是確保設(shè)備安全可靠運(yùn)行的重要手段之一。大功率整流電源內(nèi)是一個(gè)電、磁、熱等相互交融的復(fù)雜環(huán)境，有眾多部件和介質(zhì)須動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)其溫度信號(hào)，如冷卻水溫度、晶閘管溫度、快熔溫度、母排溫度、柜內(nèi)環(huán)境溫度等，這些溫度信號(hào)的監(jiān)測(cè)方式各有不同，如通過(guò)示溫蠟片、數(shù)字溫度傳感器、紅外溫度儀等來(lái)獲取。但是示溫蠟片與紅外測(cè)溫儀須人工巡查，不能滿足工廠綜合自動(dòng)化的要求。數(shù)字溫度傳感器大多基于電量傳送，受電磁場(chǎng)影響較大，只能測(cè)量關(guān)鍵點(diǎn)，也有一定的局限性。

光纖技術(shù)的發(fā)展為非接觸式測(cè)溫技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用提供了非常有利的條件，光纖測(cè)溫技術(shù)解決了許多熱電偶和常規(guī)紅外測(cè)溫儀無(wú)法解決的問(wèn)題。光纖溫度傳感器的基本工作原理是將來(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，待測(cè)參數(shù)溫度與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)(如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位等)發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)過(guò)光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后獲得被測(cè)參數(shù)。圖5為在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用的基于分布式光纖溫度傳感器的基本原理架構(gòu)圖[5]。

圖5 基于分布式光纖溫度傳感器的基本原理架構(gòu)圖

光纖溫度傳感器具有絕緣、抗電磁干擾、耐高電壓、耐化學(xué)腐蝕、安全等特點(diǎn)。大功率整流電源是一個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、涉及點(diǎn)面較多的系統(tǒng)。為了獲得其內(nèi)部準(zhǔn)確且具有一定監(jiān)測(cè)對(duì)象范圍跨度的實(shí)時(shí)溫度信息，可考慮采用分布式光纖溫度傳感器。分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)(DTS)采用先進(jìn)的光纖測(cè)溫方法，將大功率整流電源內(nèi)須監(jiān)測(cè)的所有溫度信號(hào)統(tǒng)一集成到系統(tǒng)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可進(jìn)一步結(jié)合電氣設(shè)備特征開(kāi)發(fā)相應(yīng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、性能評(píng)估和故障診斷系統(tǒng)，從而提升設(shè)備的智能化水平。目前限制光纖溫度傳感器在大功率整流電源中推廣應(yīng)用的主要因素是成本價(jià)格，隨著光纖測(cè)溫系統(tǒng)成本的降低以及測(cè)溫精度等指標(biāo)的進(jìn)一步提高，必將促使其在大功率整流電源中的應(yīng)用更加廣泛與深入。

5 結(jié)語(yǔ)

光纖具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速度高、傳輸延時(shí)短等突出特點(diǎn)。近年來(lái)，在高壓和大功率范圍內(nèi)，光纖信號(hào)傳輸技術(shù)得到了普遍應(yīng)用。筆者歸納了在大功率整流電源中具體應(yīng)用光纖傳輸技術(shù)的實(shí)例，包括光纖通信，脈沖信號(hào)傳輸，模擬量傳輸和光纖溫度傳感器等多個(gè)方面，相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和研究水平的不斷深入，光纖傳輸技術(shù)在大功率整流電源中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛，從而大大提升大功率整流電源的技術(shù)性能。