光纖傳輸技術在大功率整流電源中的應用

劉洋

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

光纖是一種采用玻璃作為波導，以光的形式將信息從一端傳送到另一端的技術。光纖信號傳輸具有帶寬高、抗干擾能力強、傳輸速度高、傳輸延時短等突出優點。隨著光纖通信和傳輸技術突飛猛進的發展，其應用范圍越來越廣，已廣泛使用在電力、通信、能源、國防等各商業和工業領域。大功率整流電源是電解、冶金、電化學等工業的重要設備，其可靠性和性能直接影響企業的生產效率，對企業效益起著重要作用。筆者擬從大功率整流電源與后臺機通信組網、晶閘管脈沖觸發、模擬量傳輸、設備溫度監測等方面闡述光纖傳輸技術在大功率整流電源中取得的成功應用。

1 后臺監控系統與整流電源間的光纖傳輸

近年來，隨著中國經濟的迅猛發展，各個行業都在調整戰略，加緊改造升級。工廠自動化技術在各領域越來越普及，獲得了飛速發展。其中，一個重要的發展方向就是管理、控制和工藝的一體化，即向工廠綜合自動化方向發展，以便進一步提高工作效率，保證產品質量與生產安全，節約能源及原材料。大功率整流電源的監視和數據采集系統是實現工廠自動化的重要組成部分。它將整流電源系統上的重要數據實時地采集并呈現在監視器上。在監視器上，以圖形和表格的方式使操作人員可以直接觀察到系統的工作情況，并且實現各數據的運行曲線顯示、數據的表格顯示、超限報警、歷史故障記錄，自動地生成報表，實現報表的打印等功能，使車間級的管理者完全掌握當前和過去的各種生產數據。有權限的操作人員還可在遠離現場的控制室對現場數據進行實時有效的跟蹤、控制，對整流裝置的參數進行設置，進而實現開停機和升降擋位等操作，真正實現管理的智能化、信息化。

大功率整流電源所在的整流所一般無人值守，大量的整流器柜內相關數據都須上傳到中控室的后臺監控系統，所有整流器的操作都要在中控室遠控完成，因此對通信質量的要求很高，監控數據量也很大。隨著現代工廠規模的不斷擴大，中控室與整流所之間的距離動輒都在500 m以上，有些甚至是幾千米，長距離通信的抗干擾和可靠性顯得尤為重要。這么遠的通信距離，采用光纖傳輸方案是非常必要的。光纖從各個方面解決了非屏蔽雙絞線的缺點：它具有的帶寬更高，允許的距離更長，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，而且不會對人身健康造成輻射威脅。采用光纖傳輸技術，將光纖直接接入整流機組，避免了由于各節點電位不同引起的設備燒毀，以及強電磁感應、高電壓引起的干擾，并可安全地工作于要求防爆、絕緣的環境中。

圖1所示為采用光纖傳輸的后臺機與整流系統間的通信拓撲圖[1]。

圖1 采用光纖傳輸的后臺機與整流系統間的通信拓撲圖

2 晶閘管脈沖觸發信號的光纖傳輸

晶閘管觸發電路的作用是將控制信號Uk轉變成延遲角α信號，通過觸發電路向晶閘管提供門極電流，決定各個晶閘管的導通時刻。可把觸發電路和主回路看成一個功率放大器，以小功率的輸入信號直接控制大功率的輸出。因此，觸發電路與主回路都是晶閘管裝置中的重要部分。兩者既相對獨立，又相互依存。正確設計的觸發電路可以充分發揮晶閘管裝置的潛力，保證運行的安全可靠。觸發電路通常采用單獨的低電壓電源供電，因此應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方式為變壓器隔離觸發方式[2](見圖2)。

圖2 脈沖變壓器隔離的晶閘管觸發電路

脈沖變壓器是利用磁做媒介進行隔離的典型設備。即將低電位觸發脈沖信號經脈沖變壓器隔離后送到高電位晶閘管門極。用脈沖變壓器實現觸發電路與主電路之間的隔離，可靠性高、電路簡單、成本低。用脈沖變壓器觸發晶閘管雖然有很多優點，但缺點也不容忽視,例如電磁干擾問題，尤其是在進行大功率晶閘管觸發時更加明顯。現代大功率整流電源功率和電壓等級越來越高，控制距離越來越遠，為了實現觸發脈沖信號的長距離傳輸，徹底解決高低壓電氣隔離和電磁干擾問題，工程上可采用光纖觸發方式。光纖觸發方式的工作原理是：低壓側的觸發脈沖信號首先經過電—光轉換裝置轉換為光脈沖信號；光脈沖信號通過低功耗光纖傳輸到安裝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過功率放大，最后施加到晶閘管單元的門極上，使晶閘管單元觸發導通。整個觸發信號傳輸過程實際上是一個電—光再到光—電信號的轉換過程。光纖是很細的玻璃纖維，用光纖傳遞信號有比較高的工藝技術要求，特別是其兩端的發送器和接收器，須準確地聚焦和定位。隨著光纖技術的發展，用光纖傳遞信號越來越方便。一般性能的光纖信號的發送器和接收器件在市場上都能買得到，而且價格也越來越低。光纖發送器和接收器均有標準的接口，使用方便，典型的應用電路如圖3所示[3]。

圖3 脈沖觸發信號的光纖傳輸電路

由圖3可見：光纖連接的發射和接收電路之間通過光信號傳輸，沒有直接的電氣連接，能夠精確傳送晶閘管脈沖觸發信號。光纖傳輸脈沖觸發信號不僅解決了功率電路和控制電路之間的強弱電隔離，使電磁干擾降到了最低，而且能夠減小延時，實現信號的遠距離傳送。與使用光控晶閘管相比，晶閘管光纖觸發方式的特點是成本低；與傳統變壓器隔離觸發方式相比，這種觸發方式觸發脈沖品質大幅提高。

因此，普通晶閘管光纖觸發方法具有成本低、性能好的綜合優勢，在高壓大功率整流設備中的應用將越來越廣泛。

3 模擬量信號的光纖傳輸

大功率整流電源所處的高電壓強磁場環境使采用同軸電纜或雙絞線進行模擬量傳輸的方式存在抗電磁干擾能力差，電壓隔離度不高，傳輸損耗大等問題。隨著新通信載體——光纖的應用，為提高系統的可靠性和采集精度，光纖傳輸成為理想的選擇。實際應用表明，將光纖用于模擬量傳輸技術已成熟。

3.1 模擬量采用光纖傳輸的優點

(1)傳輸距離遠，精度高，傳輸帶寬且高，減少線纜用量，便于布纜。

(2)光纖在工作時不導電，對高電壓有隔離作用，避免了電路之間的電磁效應引起的相互干擾。

(3)眾多電氣設備的啟停、開關的閉合、各種電弧等不會對光纖通信產生影響，光纖通信自身不會輻射干擾其他設備。

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

(5)使用光纖通信不存在接地、共地的問題，安裝、測試過程中沒有電壓、電流的干擾。這些優點為高電壓、強電磁干擾環境下模擬量的高精度傳輸奠定了很好的基礎。

3.2 模擬信號光纖傳輸的主要方法

模擬信號的光纖傳輸主要有兩種方法。

(1)直接模擬信號光纖傳輸。

(2)將模擬信號數字化以后進行傳輸，在接收端再還原成模擬信號。采用模擬信號直接傳輸的方法在電路設計上相對簡單、成本較低、適用范圍廣，通過驅動電路的設計就可以達到較好的性能，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，在接收端原封不動地輸出(可視為透明傳輸)，保證高度的線性度。這樣可將現場的PLC 等智能設備放置在中心，大大減少前端現場的尺寸、線纜尺寸以及集成難度等。直接模擬量光纖傳輸結構如圖4所示[4]。

圖4 直接模擬量光纖傳輸結構示意圖

圖4中的V/F和F/V轉換電路均可采用LM331芯片來實現。模擬量發送端，首先通過LM331芯片把電壓轉換成對應頻率的TTL信號，然后通過DS75451芯片等構成的接口電路和發送模塊把TTL信號轉換成光信號送入光纖。

模擬量接收端，先通過接收模塊和接口電路把光信號轉換成TTL信號，再經過LM331把頻率轉換成對應的模擬量信號。

4 基于光纖的溫度傳感器應用

溫度是大功率整流電源的重要運行參數，通過檢測大功率整流電源溫度信息獲取設備運行工況，從而進行故障預報與診斷，是確保設備安全可靠運行的重要手段之一。大功率整流電源內是一個電、磁、熱等相互交融的復雜環境，有眾多部件和介質須動態監測其溫度信號，如冷卻水溫度、晶閘管溫度、快熔溫度、母排溫度、柜內環境溫度等，這些溫度信號的監測方式各有不同，如通過示溫蠟片、數字溫度傳感器、紅外溫度儀等來獲取。但是示溫蠟片與紅外測溫儀須人工巡查，不能滿足工廠綜合自動化的要求。數字溫度傳感器大多基于電量傳送，受電磁場影響較大，只能測量關鍵點，也有一定的局限性。

光纖技術的發展為非接觸式測溫技術在工業中的應用提供了非常有利的條件，光纖測溫技術解決了許多熱電偶和常規紅外測溫儀無法解決的問題。光纖溫度傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經過光纖送入調制器，待測參數溫度與進入調制區的光相互作用后，導致光的光學性質(如光的強度、波長、頻率、相位等)發生變化，稱為被調制的信號光，再經過光纖送入光探測器，經解調后獲得被測參數。圖5為在工業上被廣泛應用的基于分布式光纖溫度傳感器的基本原理架構圖[5]。

圖5 基于分布式光纖溫度傳感器的基本原理架構圖

光纖溫度傳感器具有絕緣、抗電磁干擾、耐高電壓、耐化學腐蝕、安全等特點。大功率整流電源是一個內部結構較復雜、涉及點面較多的系統。為了獲得其內部準確且具有一定監測對象范圍跨度的實時溫度信息，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(DTS)采用先進的光纖測溫方法，將大功率整流電源內須監測的所有溫度信號統一集成到系統內，實現全自動在線實時監控，并可進一步結合電氣設備特征開發相應的狀態監測、性能評估和故障診斷系統，從而提升設備的智能化水平。目前限制光纖溫度傳感器在大功率整流電源中推廣應用的主要因素是成本價格，隨著光纖測溫系統成本的降低以及測溫精度等指標的進一步提高，必將促使其在大功率整流電源中的應用更加廣泛與深入。

5 結語

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