基于光纤的高压变频器应用

引言
在高压变频器中，为解决单元串联多电平高压变频器中主控系统与功率单元之间存在的强弱电隔离，及功率单元与功率单元之间的电磁干扰问题，提出了采用光纤连接方法实现功率驱动PWM信号的远距离传送。

背景

在冶金、化工、电力、市政供水和采矿等行业广泛应用的泵类负载，占整个用电设备能耗的40%左右，电费在自来水厂甚至占制水成本的50%。这是因为：一方面，设备在设计时，通常都留有一定的余量；另一方面，由于工况的变化，需要泵机输出不同的流量。

随着市场经济的发展和自动化，智能化程度的提高，采用高压变频器对泵类负载进行速度控制，不但对改进工艺、提高产品质量有好处，又是节能和设备经济运行的要求，是可持续发展的必然趋势。对泵类负载进行调速控制的好处甚多。从应用实例看，大多已取得了较好的效果(有的节能高达30%-40%)，大幅度降低了自来水厂的制水成本，提高了自动化程度，且有利于泵机和管网的降压运行，减少了渗漏、爆管，可延长设备使用寿命。

高压变频系统



图1:高压变频框图

单元串联多电平PWM电压源型变频器，采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出，该变频器对电网谐波污染小，谐波输入电流很低，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置。如以6kV的输出电压等级为例（如图2），电网电压经过二次侧多重化的隔离变压器降压后向功率单元供电，功率单元为三相输入、单相输出的交一直一交PWM电源型逆变器结构。将相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y联结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。



图2:6kV变频器的威廉希尔官方网站 拓扑结构图



图3:功率单元原理图






工业光纤的应用

在高压变频系统中，我们认识到在控制单元柜部分的信号主要是弱电，但整个系统工作环境较为恶劣、传输距离不确定（较远），存在各种高压电信号。如果采用纯粹的铜线进行传输，则需要面临各种干扰、升压、降压、损耗大、易腐蚀等问题，从而导致可靠性低、实用性低、资源浪费等结果。采用工业光纤则很好的解决上面的各种问题，所以光纤通信必然会成为以后通信的主要方式。

系统信号传输示意图：



图4:光纤传输示意图

工业光纤通过将电信号转变为光信号的这个方式，解决了采用铜线传输中的变压、损耗、干扰等问题，其主要应用在控制柜和变频功率单元柜的的通信。



图5：光纤在高压变频器中的应用

世界知名品牌AVAGO有专门应用在高压变频器中的光电收发器产品：HFBRX5XXZ系列。



图6:Avago光纤在变频中的应用

HFBRX5XXZ系列光电收发器：

1、        采用660nm波长的红光进行传输
2、        包含40kBd到160MBd的速度范围
3、        20m到1Km的距离范围
4、        兼容标准的TTL电平

HFBRX5XXETZ是HFBRX5XXZ的升级版，它具备更高的温度等级，-40---85℃， 3.3V工作电压，兼容IEEE 802.3 100Base-X和10Base-X.

我们可以通过他们的命名规则，找到适合的型号：



图7:光电收发器的命名规则




作者：周泉勇  

应用工程师，世强电讯