光纤传输技术在大功率整流电源中的应用

刘洋

(1.安徽华塑股份有限公司，安徽 滁州 233200；2.广州擎天实业有限公司,广东 广州 510860；3.葫芦岛奥思特安全技术服务有限公司,葫芦岛 125000)

光纤是一种采用玻璃作为波导，以光的形式将信息从一端传送到另一端的技术。光纤信号传输具有带宽高、抗干扰能力强、传输速度高、传输延时短等突出优点。随着光纤通信和传输技术突飞猛进的发展，其应用范围越来越广，已广泛使用在电力、通信、能源、国防等各商业和工业领域。大功率整流电源是电解、冶金、电化学等工业的重要设备，其可靠性和性能直接影响企业的生产效率，对企业效益起着重要作用。笔者拟从大功率整流电源与后台机通信组网、晶闸管脉冲触发、模拟量传输、设备温度监测等方面阐述光纤传输技术在大功率整流电源中取得的成功应用。

1 后台监控系统与整流电源间的光纤传输

近年来，随着中国经济的迅猛发展，各个行业都在调整战略，加紧改造升级。工厂自动化技术在各领域越来越普及，获得了飞速发展。其中，一个重要的发展方向就是管理、控制和工艺的一体化，即向工厂综合自动化方向发展，以便进一步提高工作效率，保证产品质量与生产安全，节约能源及原材料。大功率整流电源的监视和数据采集系统是实现工厂自动化的重要组成部分。它将整流电源系统上的重要数据实时地采集并呈现在监视器上。在监视器上，以图形和表格的方式使操作人员可以直接观察到系统的工作情况，并且实现各数据的运行曲线显示、数据的表格显示、超限报警、历史故障记录，自动地生成报表，实现报表的打印等功能，使车间级的管理者完全掌握当前和过去的各种生产数据。有权限的操作人员还可在远离现场的控制室对现场数据进行实时有效的跟踪、控制，对整流装置的参数进行设置，进而实现开停机和升降挡位等操作，真正实现管理的智能化、信息化。

大功率整流电源所在的整流所一般无人值守，大量的整流器柜内相关数据都须上传到中控室的后台监控系统，所有整流器的操作都要在中控室远控完成，因此对通信质量的要求很高，监控数据量也很大。随着现代工厂规模的不断扩大，中控室与整流所之间的距离动辄都在500 m以上，有些甚至是几千米，长距离通信的抗干扰和可靠性显得尤为重要。这么远的通信距离，采用光纤传输方案是非常必要的。光纤从各个方面解决了非屏蔽双绞线的缺点：它具有的带宽更高，允许的距离更长，安全性更高，完全消除了电磁干扰(RFI)和射频干扰(EMI)，允许更靠近电力电缆，而且不会对人身健康造成辐射威胁。采用光纤传输技术，将光纤直接接入整流机组，避免了由于各节点电位不同引起的设备烧毁，以及强电磁感应、高电压引起的干扰，并可安全地工作于要求防爆、绝缘的环境中。

图1所示为采用光纤传输的后台机与整流系统间的通信拓扑图[1]。

图1 采用光纤传输的后台机与整流系统间的通信拓扑图

2 晶闸管脉冲触发信号的光纤传输

晶闸管触发电路的作用是将控制信号Uk转变成延迟角α信号，通过触发电路向晶闸管提供门极电流，决定各个晶闸管的导通时刻。可把触发电路和主回路看成一个功率放大器，以小功率的输入信号直接控制大功率的输出。因此，触发电路与主回路都是晶闸管装置中的重要部分。两者既相对独立，又相互依存。正确设计的触发电路可以充分发挥晶闸管装置的潜力，保证运行的安全可靠。触发电路通常采用单独的低电压电源供电，因此应采用某种方法将其与主回路电源隔离。普遍采用的晶闸管触发方式为变压器隔离触发方式[2](见图2)。

图2 脉冲变压器隔离的晶闸管触发电路

脉冲变压器是利用磁做媒介进行隔离的典型设备。即将低电位触发脉冲信号经脉冲变压器隔离后送到高电位晶闸管门极。用脉冲变压器实现触发电路与主电路之间的隔离，可靠性高、电路简单、成本低。用脉冲变压器触发晶闸管虽然有很多优点，但缺点也不容忽视,例如电磁干扰问题，尤其是在进行大功率晶闸管触发时更加明显。现代大功率整流电源功率和电压等级越来越高，控制距离越来越远，为了实现触发脉冲信号的长距离传输，彻底解决高低压电气隔离和电磁干扰问题，工程上可采用光纤触发方式。光纤触发方式的工作原理是：低压侧的触发脉冲信号首先经过电—光转换装置转换为光脉冲信号；光脉冲信号通过低功耗光纤传输到安装在晶闸管组件上的光—电脉冲变换器；光—电脉冲变换器输出的脉冲再经过功率放大，最后施加到晶闸管单元的门极上，使晶闸管单元触发导通。整个触发信号传输过程实际上是一个电—光再到光—电信号的转换过程。光纤是很细的玻璃纤维，用光纤传递信号有比较高的工艺技术要求，特别是其两端的发送器和接收器，须准确地聚焦和定位。随着光纤技术的发展，用光纤传递信号越来越方便。一般性能的光纤信号的发送器和接收器件在市场上都能买得到，而且价格也越来越低。光纤发送器和接收器均有标准的接口，使用方便，典型的应用电路如图3所示[3]。

图3 脉冲触发信号的光纤传输电路

由图3可见：光纤连接的发射和接收电路之间通过光信号传输，没有直接的电气连接，能够精确传送晶闸管脉冲触发信号。光纤传输脉冲触发信号不仅解决了功率电路和控制电路之间的强弱电隔离，使电磁干扰降到了最低，而且能够减小延时，实现信号的远距离传送。与使用光控晶闸管相比，晶闸管光纤触发方式的特点是成本低；与传统变压器隔离触发方式相比，这种触发方式触发脉冲品质大幅提高。

因此，普通晶闸管光纤触发方法具有成本低、性能好的综合优势，在高压大功率整流设备中的应用将越来越广泛。

3 模拟量信号的光纤传输

大功率整流电源所处的高电压强磁场环境使采用同轴电缆或双绞线进行模拟量传输的方式存在抗电磁干扰能力差，电压隔离度不高，传输损耗大等问题。随着新通信载体——光纤的应用，为提高系统的可靠性和采集精度，光纤传输成为理想的选择。实际应用表明，将光纤用于模拟量传输技术已成熟。

3.1 模拟量采用光纤传输的优点

(1)传输距离远，精度高，传输带宽且高，减少线缆用量，便于布缆。

(2)光纤在工作时不导电，对高电压有隔离作用，避免了电路之间的电磁效应引起的相互干扰。

(3)众多电气设备的启停、开关的闭合、各种电弧等不会对光纤通信产生影响，光纤通信自身不会辐射干扰其他设备。

(4)光纤受温度的影响小、抗化学腐蚀和抗氧化性能强，工作受恶劣环境的约束小，光纤的寿命比铜缆长。

(5)使用光纤通信不存在接地、共地的问题，安装、测试过程中没有电压、电流的干扰。这些优点为高电压、强电磁干扰环境下模拟量的高精度传输奠定了很好的基础。

3.2 模拟信号光纤传输的主要方法

模拟信号的光纤传输主要有两种方法。

(1)直接模拟信号光纤传输。

(2)将模拟信号数字化以后进行传输，在接收端再还原成模拟信号。采用模拟信号直接传输的方法在电路设计上相对简单、成本较低、适用范围广，通过驱动电路的设计就可以达到较好的性能，所以在工程上被广泛采用。

将变送器电流、电压模拟量直接传输，在接收端原封不动地输出(可视为透明传输)，保证高度的线性度。这样可将现场的PLC 等智能设备放置在中心，大大减少前端现场的尺寸、线缆尺寸以及集成难度等。直接模拟量光纤传输结构如图4所示[4]。

图4 直接模拟量光纤传输结构示意图

图4中的V/F和F/V转换电路均可采用LM331芯片来实现。模拟量发送端，首先通过LM331芯片把电压转换成对应频率的TTL信号，然后通过DS75451芯片等构成的接口电路和发送模块把TTL信号转换成光信号送入光纤。

模拟量接收端，先通过接收模块和接口电路把光信号转换成TTL信号，再经过LM331把频率转换成对应的模拟量信号。

4 基于光纤的温度传感器应用

温度是大功率整流电源的重要运行参数，通过检测大功率整流电源温度信息获取设备运行工况，从而进行故障预报与诊断，是确保设备安全可靠运行的重要手段之一。大功率整流电源内是一个电、磁、热等相互交融的复杂环境，有众多部件和介质须动态监测其温度信号，如冷却水温度、晶闸管温度、快熔温度、母排温度、柜内环境温度等，这些温度信号的监测方式各有不同，如通过示温蜡片、数字温度传感器、红外温度仪等来获取。但是示温蜡片与红外测温仪须人工巡查，不能满足工厂综合自动化的要求。数字温度传感器大多基于电量传送，受电磁场影响较大，只能测量关键点，也有一定的局限性。

光纤技术的发展为非接触式测温技术在工业中的应用提供了非常有利的条件，光纤测温技术解决了许多热电偶和常规红外测温仪无法解决的问题。光纤温度传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，待测参数温度与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位等)发生变化，称为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调后获得被测参数。图5为在工业上被广泛应用的基于分布式光纤温度传感器的基本原理架构图[5]。

图5 基于分布式光纤温度传感器的基本原理架构图

光纤温度传感器具有绝缘、抗电磁干扰、耐高电压、耐化学腐蚀、安全等特点。大功率整流电源是一个内部结构较复杂、涉及点面较多的系统。为了获得其内部准确且具有一定监测对象范围跨度的实时温度信息，可考虑采用分布式光纤温度传感器。分布式光纤温度传感器系统(DTS)采用先进的光纤测温方法，将大功率整流电源内须监测的所有温度信号统一集成到系统内，实现全自动在线实时监控，并可进一步结合电气设备特征开发相应的状态监测、性能评估和故障诊断系统，从而提升设备的智能化水平。目前限制光纤温度传感器在大功率整流电源中推广应用的主要因素是成本价格，随着光纤测温系统成本的降低以及测温精度等指标的进一步提高，必将促使其在大功率整流电源中的应用更加广泛与深入。

5 结语

光纤具有抗干扰能力强、传输速度高、传输延时短等突出特点。近年来，在高压和大功率范围内，光纤信号传输技术得到了普遍应用。笔者归纳了在大功率整流电源中具体应用光纤传输技术的实例，包括光纤通信，脉冲信号传输，模拟量传输和光纤温度传感器等多个方面，相信随着科学技术的不断发展和研究水平的不断深入，光纤传输技术在大功率整流电源中的应用将越来越广泛，从而大大提升大功率整流电源的技术性能。