（电力电子与电力传动专业论文）高压大功率变频器中光纤电流电压检测系统的研究.pdf

沈阳t 业大学硕上学位论文 r e s e a r c ho nt h em e a s u r e m e n t s y s t e m b a s e do n f i b e r - o p t i cc u r r e n t a n d v o l t a g e s e n s o r si nah i g h v o l t a g e g r e a tp o w e r f r e q u e n c y c o n v e r t e r a b s t r a c t t h ee n t i r er e s e a r c hs u b j e c ti st or e s e a r c ha n dd e v e l o pa nf i b e r o p t i cc u r r e n ta n d v o l t a g em e a s l l r es y s t e m b a s e do n f a r a d a y e f f e c ta n dp o c k e l se f f e c ta g a i n s tt h eb a c k g r o u n d o ft h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ed a g a n go i lf i e l d so i lp u m p i n ge q u i p m e n t - - h i g hv o l t a g e g r e a tp o w e rf r e q u e n c yc o n v e r t e r c o n s i d e r i n gt h ef a c tt h a tt h ec o n v e r t e r r u n su n d e rh i g h v o l t a g ea n dg r e a tp o w e r , t h ep r o b l e m o fi t si n s u l a t i o na n dt h ed i s t u r b a n c ea r et h ei m p o r t a n t a s p e c t t ob ec o n s i d e r e d ，e s p e c i a l l yi nt h em e a s u r es y s t e mw h i c ht oa c c e p tt h ei n f o r m a t i o n o ft h ew h o k s y s t e m a st h ea d v a n t a g e so ff i b e r - o p t i cc u r r e n ta n dv o l t a g es e n s o r so n t h i s a s p e c t ，t h i sp a p e r t a k e su pw i t ht h ed e s i g no fa nf i b e r - o p t i cc u r r e n ta n dv o l t a g em e a s u r e s y s t e mf i t t i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f t h eh i g hv o l t a g eg r e a tp o w e rf r e q u e n c y c o n v e r t e l t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so n r e a l i z i n gt h ei m p l e m e n t a t i o n o f t h ec o n v e n t i o n a lc u r r e n t a n d v o l t a g e m e a s u r es y s t e m ，n a m e l yr e s e a r c h i n gaf i b e r o p t i cc u r r e n ta n dv o l t a g em e a s u r e s y s t e mb yu s i n g t h ef i b e rs e n s i n g p r i n c i p l ea n dc r y s t a le l e e t r o - o p t i ce f f e c t a f t e rt h eo p t i c s c a l c u l a t i o na n dm a t r i xa n a l y s i s ，t h em a t l a bm o d e l so fa l lt h eu n i t si nt h eo p t i cc i r c u i t h a v eb e e ne s t a b l i s h e d t h e nt h ef i b e r - o p t i cc u r r e n tm e a s l l r es y s t e ma n df i b e r - o p t i cv o l t a g e m e a s u r es y s t e mh a v eb e e nb u i l db yu s i n gt h e s em o d e l s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h es i m u l a t i o nm o d e l so ft h et w os y s t e m si sr i g h t b a s e do i li t , t h es i m u l a t i o nm o d e l so f h i g hc i r c u l a r - b i r e f r i n g e n tf i b e rc u r r e n ti n e a s l j s es y s t e ma n db g oc r y s t a lf i b e r - o p t i cv o l t a g e m e a s u r e s y s t e mh a v eb e e nb u i l d r f t e r s e l e c t i n g t h e o p t i c u n i t sa n d d e s i g n i n g t h e c o n f i g u r a t i o no fo p t i cc i r c u i t t h e nt h er e s u l t so f s i m u l a t i o ns h o wt h a tt h et w o s y s t e m s a r e 一2 - 沈阳t 业大学硕上学位论文 f i tf o r t h ef a c t so ft h e h i 曲v o l t a g ef r e q u e n c y c o n v e r t e r i no r d e rt ov a l i d a t et h e p e r f o r m a n c e o ft h e f i b e r - o p t i c c u r r e n tm e a s u r e s y s t e m ，t h i s d i s s e r t a t i o n p r e s e n t s t h e s i m u l a t i o no f h i 曲c i r e u l a r - b i r e f r i n g e n t f i b e rc u r r e n tm e a s u r es y s t e m 埘t l lt h ei n p u t ，w h i c h i st h eo u t p u to ft h ec o n v e n t i o n a lh a l lc u r r e n tm e a s u r es y s t e mb u i l db ym y s e l ft h a th a v e b e e nl o a d e di nt h ec o m p u t e r , u n d e rt h es i t u a t i o no ft h es i m u l a t i o no ft h eh u g ec u r r e n ti n l a b o r a t o r y f i n a l l y , t h e r e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h e s y s t e m h a sa g o o d r e a l t i m e p e r f o r m a n c e ，h i g hs e n s i t i v i t ya n dh i g hp r e c i s i o n ，a n di sa b l et og a i nt h ea c c u r a t ec u r r e n t a n d v o l t a g e i n f o r m a t i o no ft h e p o i n t s t ob em e a s u r e d a sw e l la so v e r c o m et h e s h o r t c o m i n g so f t h et y p i c a lc u r r e n ta n dv o l t a g et m l l s d u o e ra tt h ea s p e c to fi n s u l a t i o na n d g a i nt h e e n do fr e s i s t i n g d i s t u r b a n c e ，a c c o m p l i s h i n gt h ee l e c t r i cs e p a r a t i o n w e l la n d m e a s u r i n g t h ec u r r e n ta n d v o l t a g ef a s ta n da c c u r a t e l y i na d d i t i o n ，t h ea u t h o ra l s oe x p l a i n s t h es h o r t c o m i n g sa n dr e q u i s i t ea m e l i o r a t i o no ft h es y s t e m o nw h i c ht h ea u t h o rs h o u l d u n d e r t a k ef u r t h e rr e s e a r c ha n di m p r o v e m e n ti nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：f i h e r - o p t i cc u r r e n tm e a s u r e m e n t ，f i b e r - o p t i cv o l t a g em e a s u r e m e n t ，h i g h v o l t a g eg r e a tp o w e rf r e q u e n c yc o n v e r t e r , s i m u l a t i o n 3 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：差哆耘日期：咖j - 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：蔓堙k导师签名：日期：勘支弓12 鲜一 窄十 銎 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 高电压大功率变频器国内外研究概况 近年来，交流变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向，随着现代电力 电子技术、微电子技术和计算机技术的迅速发展，交流调速系统已广泛应用于矿山、 冶金、能源、交通运输及机械等工业领域，取得了明显的经济效益。其中，变频调速 以其独特的性能优势以及广泛的应用前景，越来越受到人们青睐，核心设备变频 器，也成为人们研究的热门。随着人们对变频器研究的深入及其实际生活中卓越贡献， 变频器越来越广泛地应用于工业生产和日常生活的许多领域中。目前，就生产领域的 变频器的研究日益向高电压大功率的方向进行技术等方面突破。 1 1 1 高电压大功率变频器的研究现状 高压大功率变频器由于其技术的复杂性和高昂的采购价格，从8 0 年代开始，我 国某些行业在必需的前提下。从国外进口了少量的该类装置，其中含采用门极可关断 晶体管( g t o ) 制造的。冶金系统使用高压变频器的历史较长，7 8 年宝山钢铁公司 在设计时，就考虑采用了交交方式的大功率高压变频器；河北迁西潘家口水库( 为 天津供水) 8 8 年从欧洲b b c 公司进口一套6 00 0 0 k w 的高压变频装置，采用一拖三 方式，为三台水轮发电机组并网实现变频启动送电。但真正在全国各行业中的大功率 风机、水泵上使用变频调速装置仍远没有普及，为了满足工艺工况和节能的迫切需要， 许多企业采取了例如：液力藕合，串极调速等其它调速方式。同时，随着通用变频器 市场的不断扩大和发展，企业用户越来越需要一种性能优越，质量可靠，价格合理的 高压变频调速装置。应对这种情况，不仅国外产品纷纷抢滩中国市场，9 0 年代中期 国内一些公司也开始了高压大功率变频器的开发和研制，经过几年的努力，技术上逐 渐缩短了与国外品牌的距离，已经能够达到国外产品的技术性能，初步形成产业规模， 产品进入国内市场。 目前，大功率高压变频器的使用范围基本上覆盖了我国各主要行业，如：电力、 市政供水、冶金、石油、化工、采矿、煤炭、造纸、建材等”。产品电压等级包括3 k v 、 6 k v 和1 0 k v 以及油田专用潜油电泵使用的16 0 0 v 24 0 0 v 产品。基本可拖动风机、 沈阳工业大学硕士学位论文 水泵、压缩机等各类负载。进入市场的主要国外产品有：西门子、a b b 、罗宾康、 a b 、东芝、富士、安塞尔多等，国内品牌有：先行、凯奇、利德华福、天宠、佳灵 等。据有关行业协会统计：1 9 9 9 2 0 0 0 年全国高压变频器的市场销售额在1 5 1 8 亿元之间，2 0 0 1 年销售额在2 5 亿元左右。与潜在的巨大市场相比，仍处在启动和增 长期，还需要政府、企业用户、制造厂商、行业各方面共同推动。 大功率变频器已广泛用于矿山机械、油田、化工等控制领域中，有着广阔的发展 | j 景。随着我国对高电压大功率变频器的需求量日益增加，对其进行系统的研究已受 到广泛的重视，大功率器件的串并联技术以及多电平驱动方式渐渐成为热门的研究课 题。目前，在大功率变频器的设计中，普遍采用了大功率晶体管( g t r ) 或绝缘栅双 极性晶体管( i g b t ) 。g t r 具有大电流、低饱和电压的优点，同时具有驱动复杂( 大 电流驱动) 、速度较慢的缺点。而i g b t 综合了g t r 和m o s f e t 的性能，既具有大 电流、低饱和电压，又具有高输入阻抗、驱动简单( 电压驱动) 、速度较快的优点。 由于以上原因，采用i g b t 是今后高电压大功率变频器设计发展的必然趋势。实际上， 商业化的i g b t 有时不能满足容量要求，只有采取并联或串联的方法来解决。上海市 经委节能服务中心等单位在上海召开“佳灵变频器技术交流推广会”，会上宣布成都 佳灵电气制造公司研制的世界首台i g b t 直接串联无输入、无输出变压器电压型高压 大功率变频器，已在我国油田推广应用。目前该产品电压可达到1 k v 1 0 k v ，或更 高电压，功率为2 2 0 k w 5 00 0 0 k w 。据权威人士称，赢接串联高压大功率变频器的 研制成功和正式投入使用，将意味着从此进入了一个对任何大小功率的电力可任意控 制的新时代1 2 】。 高电压大功率变频器的控制方式、电路结构以及驱动方法等方面，都存在多种形 式，其中d f c v e t r m v 系列变频器成为高电压大功率变频器中一种较为典型的电路 结构之一，其简化原理图如图1 1 【3 1 。这种高电压大功率交频器设计的主题思想是， 首先将高电压经过变压器变换成低电压，再将若干个小功率低电压的变频器单元串联 在一起，形成等效的高电压大功率变频器。显然，这种结构的变频器在某种程度上实 现了整体结构的高电压、大功率，而且随着其中小功率低电压变频器的模块化设计， 使得该变频器整体安装、维修更为方便，同时也很明显，这种结构的变频器存在体积 泷酮t 业大学硕士学位论文 庞大、控制复杂等缺点。 6 k v 5 0 h z i 频输入 变压器l 图1 1d i 配 w e t rm v 系列变频器原理图 除了上述模块化设计的有输入输出变压器的等效高电压大功率变频器以外，高电 压大功率变频器还有通过直接i g b t 或其他功率模块串并联技术实现的变频器结构。 其中以成都佳灵公司的i g b t 直接串联的高电压变频器为代表高压变频器开创了功率 器件直接串联的先河，其结构原理图如图1 2 所示【4 】。功率器件直接串联的高电压大 功率变频器与上述变频器单元串联形成的高电压大功率变频器相比，明显优势在于， 结构上减少了输入变压器环节，整个设备的体积减小很多，同时由于结构相对简单因 此驱动控制上相对容易；然而这种直接串联的高压变频器同样面临控制上的一些难 题，其中最关键的则是功率器件的均压问题。 沈阳工业人学碰上学位论文 i l _ _ = i 1 、ll 一木一木一木 izi1 廿。廿。气9 sz r l 兰j 随。蕊j 国zi t 广_r r - l 【il l广。f 一 f 卜 j = 本j 本j 本 z 0 三 二 崔岩爿 ， 铲j 译f 爷 z l 图1 2 功率器件直接串联高压变频器原理图 v 除此之外，目前大功率变频器还有一种并联结构，这种结构的变频器电压不是很 高，但是由于其容量较大，单个功率器件不能满足设备所需电流，因此，设计了一种 器件并联的大功率变频器【5 7 1 ，其结构原理如图1 3 。同样，这种大功率变频器满足 电机控制容量的同时也面临一个关键的技术问题，即功率器件并联均流问题。 il j |f 1 x 本z本zi 本 j k 蒂菌jl 耷心 l ，、m ，_ _ 隈 三 n n n 1 1 杰zi 态i玉l j 与。菌随k奎圆i 岙j 魅 广! 一 图1 3 功率器件直接并联大功率变频器原理图 沈阳工业大学硕士学位论文 1 1 2 变频器技术的发展方向 变频器的发展是世界高速经济发展的产物。其发展的趋势大致如下1 8 。 ( 1 ) 主控一体化。日本三菱公司将功率器件和控制电路集成在+ 块芯片上的 d i p i p m ( 即双列直插式封装) 的研制已经完成并推向市场。一种使逆变功率和控制 电路达到一体化、智能化和高性能化的h v i c ( 高耐压i c ) s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 的概念已被用户接受。 ( 2 ) 小型化。变频器的小型化除了支撑部件的安装技术和系统设计的大规模集 成化之外，功率器件发热的改善和冷却技术的发展也成为变频器小型化的重要因素。 ( 3 ) 低电磁噪声化。今后的变频器都要求在抗电磁干扰和抑止高次谐波方面符 合e m c 国际标准。 ( 4 ) 专用化。通用变频器中出现专用型是近年来的事，其目的是更好的发挥变 频器的独特功能并尽可能地方便用户。如用于起重机负载的a b b a c c 系列，用于交 流电梯的s i e m e n sm i c 0 3 4 0 系列，还有用于恒压供水、电源再生等专用系列。 ( 5 ) 系统化。作为发展趋势，变频器从模拟式、数字式、智能化、多功能向集 中型发展。最近，日本安川电机提出了以变频器、伺服装置、控制器及通讯装置为中 心的概念，并制定了相应的标准，目的是为用户提供最佳的系统。 ( 6 ) 在数字控制技术及接口技术方面。变频器控制核心c p u 及快速存储器的改 进，解决了缩短运算时间和内置大规模程序两者之间的矛盾。目前，复杂可编程逻辑 器件( c p l d ) 和现场可编程门阵列( f p g a ) 的兴起，也在定程度上推进了变频 器的数字控制技术。 1 2 高压变频器电流电压的检测方法 变频器产业中，设计者的目标渐渐地瞄准高电压大功率方向，对于解决高电压大 功率所面对的技术细节，人们也在寻找各种方法解决困扰高电压大功率变频器实际运 行的问题。诸多控制难点中，使高电压大功率变频器发展举步不前的原因则是解决功 率器件并联均流、串联均压的问题。在如图1 4 所剥1 0 1 的变频器结构框图中可以看出， 综合诊断系统中关于电流电压检测的信息，在系统所需获取信息中占有很大比重，也 沈阳工业人学硕上学位论文 是控制回路感知系统运行状况的关键信息。因此，电流电压检测系统在高电压大功率 变频器设计中处于举足轻重的位置。本节主要介绍电流检测系统。 图1 4 变频器结构框图 1 2 1 商压变频器中的电流检测方法 ( 1 ) 被测点串电阻电流检测法 被测点串电阻电流检测法电路结构简单，易于操作，是一种常用于小功率变频器 中的电流检测方法a 通常在小功率变频器中，检测输出相电流时，在输出线路中串联 一个合适的电阻，通过分辨电阻上的电压检测线路中电流情况。这种电流检测方法很 简单也很方便，然而它的缺点也是很明显的。 沈阳t 业大学硕士学位论文 1 ) 应用范围较小，仅适用于低电压小功率的变频器： 2 ) 主回路中串联器件，一定程度影响电路性能； 3 ) 无法做到高低压良好的隔离，这样对系统中的设备、操作人员的安全都存 在安全隐患。 ( 2 ) 铁芯式电流互感器电流检测法 铁芯式电流互感器是广泛用于电流检测的传感元件。电流互感器在测量精度及实 时性等方面能够达到测量要求，并已经广泛用于供电网的测量中，但是也存在一些不 足之处，限制了它在供电网以及电力设备中的使用。电流互感器的主要缺点有： 1 ) 电流互感器体积较大，在设备中安装使用不便； 2 ) 电流互感器在大电流时会因磁饱和而使检测灵敏度下降，并引起波形失真； 3 ) 电流互感器整个测量装置存在二次绕线开路的危险。 ( 3 ) 霍尔效应电流检测法 这种电流检测方法是目前广泛应用于变频器中的检测方法之一。其结构示意图如 图1 5 所示。其原理是根据法拉第电磁效应以及安培环路定律研制的电流传感器作为 电流检测系统的传感器部件。 图1 5 霍尔电流检测系统结构示意圈 ( 4 ) 混和式电流检测法 混和式电流检测法，是近年来随着光纤技术和实用化趋势不断发展而逐渐兴起的 一种f 乜流检测方法，它的核心部件混和式电流传感器是这种电流检测方法的标 志，也是工控技术向光纤方向迈进的一种表现。其结构原理如图1 6 所示。 沈阳工业大学硕上学位论文 术粟毕儿 光针愕遄 合并器 o e s c 导 塞 供能通道 光电能量 供能光缆 合成器单元 i i。* ， 转换器件 臻渊目刹硭 ( 0 1 级测量) r 叫= ：! ! ( 光能提供 供能通道 单元) 一 信号处理 信号传递 | 罗科李恕荸线圈巴= f 瓦芬璀 单元光缆 扩展 0 l( 3 ，r _ ! ：! ! ! 图1 6 混合式电流互感器原理图 警告 警告 数据输出 数据输入 模拟量输入 如图所示，电流检测传感头由罗科夫斯基线圈构成，经过积分器后将电流信号转 换成电压信号，再将电信号转换成光信号传输到控制板，最后在控制板上将光信号转 换成电信号，同时进行处理并输入控制系统。显然，这种电流检测方式在电气绝缘方 面完全实现了电气隔离，与传统检测方式相比系统安全性增强了。 1 2 2 电压检测方法 对于变频器电压的测量，始终是一个比较复杂的环节，尤其是高电压大功率变频 器，高压绝缘、隔离等问题是设计电压检测系统时需要解决的关键问题，同时还要注 意检测的精度和灵敏度，而且带宽要尽量宽，这样才能满足变频器对检测系统的各种 要求，目前，普遍用于变频器电压检测的方法有： ( 1 ) 电容电阻分压直接测量法 无论变频器的电压等级高还是低，首先要考虑的就是如何将待测电压转换成控制 板上模拟电路允许的电压等级，于是人们想到了用电容电阻分压的方式选取其中的 某一部分进行测量，然后根据其在待测电压中所占的份额计算出待测电压的大小。然 而，为保证器件与工作人员的安全，高压须经过隔离才能进入控制板的模拟电路中进 行各种信号处理，因此在直接测量的时候，在高压侧待测电压与控制板模拟转换电路 之间加入了光耦，对高压侧进行光电隔离，其结构如图1 7 所示。 沈阳工业大学颤十学位论文 1 4 趣 图1 7 电容，电阻分压直接检测电压结构图 由结构图不难看出，直接测量法存在很多缺陷： 1 ) 电容电阻的引入增大了变频器的功耗： 2 ) 由于光耦的线性度问题，使得系统测量的准确性下降； 3 ) 尽管光耦实现高低压两侧的电气隔离，但是高压侧仍然直接引入控制板， 控制电路仍然存在安全隐患。 ( 2 ) 霍尔电压检测法 霍尔电压传感器的结构如图1 8 所示，显然这是根据霍尔效应研究的一种传感器 结构，测量原理同霍尔电流传感器的检测原理，也就是说，首先将待测电压转换成电 流信号，然后根据霍尔电流传感器的检测原理测量待测电压。 v k 豫边电压 ( 3 ) 压频转换检测法 图1 0 8 霍尔电压检测法原理圈 出 一i叩tl刚v 沈阳工业大学硕士学位论文 这种检测电压的方法，是在电容电阻分压直接测量的基础上改进的电压检测方 法，高压侧分压元件数量相对较小，且将模拟电压信号直接转换成频率脉冲信号，实 现与单片机等控制电路的直接对接，其结构如图1 9 所示。显然，此检测方法在高压 侧依然没有摆脱以往电压检测的高压侧用电容电阻分压，经过光耦后再进行处理的 结构特点，仅在压电转换环节将电压转换成频率信号，减小了出于光耦线性度不良造 成的系统非线性。除此之外，系统输出为频率信号，便于与计算机借口。尽管这种电 压检测方法对以往电压检测作了一定改进，但仍然面临绝缘、干扰等一系列问题。 r 门 r u ；电压信号频率信号 ! 口墨蔓h 翥h 霾 图1 9 压频转换结构图 l1 3 课题研究的背景及现实意义 高电压大功率变频器已经受到工控领域中各行业的认可，由于其诸多的优点，技 术不断更新。在各个工业生产场合起着举足轻重的作用，而高电压大功率变频也不断 向各个领域中拓展。 潜油电泵采油是国内外各大油田机械采油主要手段之一，是油田持续稳产高产的 重要保证。目前油田使用的采油电泵采取全压工频恒压运行，并且采用直接起动，存 在着许多问题a 根据潜油电泵的特性、结构、额定参数、工作环境等特点以及存在的 问题，研制台专用高压变频器，以满足潜油电泵的各种特性要求，并能节约电能、 提高采油的效率，增加经济效益是切实可行的。 无论高电压大功率变频器采用怎样的控制策略，运用怎样的前沿技术，都必须从 电流电压检测系统中感知整个控制系统的某些运行状况。由于高电压大功率交颓器的 工作环境特殊，凶此对电流电压互感器组成的电流电压检测系统提出了很高的要求。 些塑三些查兰! 生丝笙苎 一一 ( 1 ) 变频器工作在6 k v 的高压环境下，对于主电路和控制电路之间的电气绝缘 是一个很重要的问题。确保高压侧与低压侧在电气上完全隔离，才能使得工作人员及 设备处在一个较为安全的状态下工作。这对于高电压大功率变频器来说，是非常关键 的。 ( 2 ) 由于变频器的功率比较大( 2 0 0 k w ) ，且在潜油电泵运行中，由于种种原因 会造成系统主电路中电流突增，因此在电流检测环节中要避免大电流冲击下因为磁饱 和等原因导致检测灵敏度的下降。 ( 3 ) 高电压大功率变频器中采用变频调速，需要检测的电流电压的频率变化比 较大，因此，要求电流电压检测环节的频率响应好，工作带宽高。 ( 4 ) 由于高电压大功率变频器中，开关器件的开关频率很高，造成变频器本身 就是一个超强的电磁干扰源，因此，要求电流电压检测环节有较强的抗电磁干扰能力， 以提高检测信号的可靠性。这点一直是困扰变频器工程师的一个问题，也是高压大功 率变频器中电流电压检测系统的关键因素之一。 传统的电磁感应式电流电压检测系统中，传输信号为电信号，不易远距离传输， 另外，在高电压大功率变频器的高压，电气绝缘是不容忽视的问题，同时强电磁干扰 的环境下，如何抗干扰也是个困扰变频器设计、生产及维修人员的问题。这种状态使 得人们致力于寻找一种更为适合的传感装置更新目前的电流电压检测系统。 因此，本课题针对上述问题，研制全光纤传感元件构建变频器的电流电压检测系 统，目的在于：在高压环境下实现高压侧与低压侧在电气上完全隔离，使得工作人员 及设备处在一个较为安全的状态下工作；解决传统电磁传感因为磁饱和等原因引起的 在大电流冲击下检测灵敏度的下降的问题；解决高电压大功率变频器中电磁干扰引起 信号的可靠性下降的问题：进一步提高电压电流检测系统的响应速度。 1 4 课题的内容与创新 本课题以大港油田潜油电泵的变频调速设备高压大功率变频器为背景，研究 开发一套以光学元件为传感部件的全光纤电流电压检测系统。具体的说，就是利用 j o n e s 矩i 车对系统光路中光矢量进行数学分析，选择一种结构简单体积小的全光纤电 沈阳工业大学硕士学位论文 流电压检测系统，并根据系统的特点，综合光纤传感中光学元件的特点，选择元件组 建光纤电流电压检测系统，选择合适的驱动、检测电路使系统稳定工作，摄后搭建大 电流、高电压模拟电路，实际检测待测值。 本课题在我国首次将全光纤电流电压检测系统引入高电压大功率变频器，实现高 压侧主电路与低压侧测量电路、控制电路之间完全电气隔离，抗变频器中超强电磁干 扰，使得检测系统的输出信号可靠性更高、更安全。本课题集中于研究一种不同于电 力系统的、适合于高电压大功率变频器的全光纤电流电压检测系统，系统的结构独特， 性能优良，安全可靠。另外，对于高压变频器的电流电压检测系统的改造有着举足轻 重的作用，不仅减小变频器电流电压检测系统的体积、重量，而且实现高压变频器中 高压侧完全电气隔离，即控制板与高压侧完全隔离，使得高压变频器无论是器件，还 是工作人员都更加安全。 沈阳工业大学硕士学位论立 2 光纤电流电压检测系统的概论 2 1 光纤电流电压检测系统研究现状 光纤传感技术是7 0 年代末期发展起来的一项新技术，它是纤维光学在非通信领 域的应用。光纤传感器以其高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可绕性好、体积小、结 构简单，以及与光纤传输线路相容性等独特的优点，受到世界各国的广泛重视【1 1 。迄 今，已经有应用于位移、加速度等多个物理量测量的光纤传感器相继面世。光纤传感 器的主要优点在于： ( 1 ) 利用短波长电磁波传输，灵敏度高； ( 2 ) 利用光波传输，传感速度快，可进行远距离传输； ( 3 ) 体积小，便于集成高密度传感； ( 4 ) 抗电磁干扰； ( 5 ) 无需接触，不破坏传感目标，使用方便等。 对于全光纤电流电压检测系统来说，用光纤作为传输媒介，有效地克服了传统传 感器构成的电流电压检测系统的不利因素( 见第一章第二节) 。光纤电流电压传感器 构成的检测系统结构如图2 1 。 挎感区 传输区 ： 光电信号转换区 ；光电探测器 图2 1 全光纤电流电压检测系统结构图 输出 由此可见，这种检测系统有如下优点： ( 1 ) 全光纤结构确保了高压侧与低压侧在电气上完全隔离。光纤本身具有优良 绝缘性能，可耐很高的电压，可使主电路设备与控制电路之间实现良好的光电隔离， 沈阳工业大学硕上学位论文 使得系统安全可靠性更高。 ( 2 ) 不存在电磁互感器的二次开路的危险。 ( 3 ) 不会因为磁饱和而导致大电流时检测灵敏度下降的问题。 ( 4 ) 全光纤检测系统测量的是光在电场或磁场作用下的相位变化。过载时，只 会引起相位变化的增加，无其他危险。耐电压、电流冲击的能力强。 ( 5 ) 频率响应好，工作带宽高。 ( 6 ) 由于光纤本身有很好的抗电磁干扰能力，因此强电磁干扰不会影响光纤中 传输的信号，提高了信号的可靠性。这一点在高压大功率变频器中应用具有很强的优 势。 ( 7 ) 光纤的损耗小，重量轻，体积小，适合于远距离传输测量。 鉴于上述这些优点，全光纤检测系统将成为新一代具有极强生命力和竞争力的检 测装置。全光纤电流电压检测系统会受到越来越多人的重视和青睐，其实用化研究进 程也会越来越快。 2 1 1 光纤电流检测系统研究现状及分类 自从1 9 7 3 年a j r o g e r s 酋先提出光学电流传感器的想法以来【1 2 ”】，光纤传感 技术不断更新发展，趋于成熟，光纤电流互感器中普遍采用了光纤作为连接光纤电流 互感器系统一、二次间的媒体。特别是英国a m s m i t h 和a j r o g e r s 对全光纤电 流互感器进行了原理分析，在实验室用该装置成功地进行了电流测量，并于1 9 7 9 年 用这种方法对发电机组的电流进行了测量。 进入9 0 年代以后，欧洲、美国和日本纷纷开始加入研制的行列5 1 。日本1 9 8 1 年起组织了五大电气( 电力) 公司对光纤电流传感器的理论、材料、性能等进行了研 究。目标是：6 6 4 3 k v ，7 7 3 k v ，以及3 0 0 k v 的电气绝缘开关( g i s ) 应用，1 6 8 k v 独立式等，要求达到j g c - - 1 2 0 1 - - 1 9 8 5 的1 级、0 5 级及零序保护级，以组合为主， 独立式为辅，现已基本达到研究目标。日本的东京电力公司与东芝公司合作，1 9 8 7 年8 月至1 9 8 9 年3 月将研制的g i s 设备用的光纤电流电压互感器安装在制造厂的条 件下长时间试验，一直能很好的运行。试验数据皆符合j e c l 2 0 1 标准。 光纤电流检测的方案随着光纤传感技术的发展不断向实用化迈进婚7 3 ，总结这 沈阳t 业大学硕上学位论文 蝗光纤电流传感方案，可将光纤电流检测分成两大类，即功能性和非功能型光纤电流 检测系统。 ( 1 ) 功能型 所谓功能型，就是利用光纤本身的特性作为敏感元件，所以也称为传感型光纤电 流传感嚣，或全光纤电流传感器，目前人们已经成功的研制出多种光纤电流传感器的 实验室产品，根据不同的物理效应利用光纤检测电流可以采用金属被覆光纤的方法， 也可以采用磁致伸缩材料被覆光纤的方法，或者利用法拉第效应和压电弹光效应。 1 ) 金属被覆光纤电流检测 这种方法可以分为金属被覆单模光纤和金属被覆多模光纤。由于其类型的不同， 因而决定了由它们组成的电流传感系统原理也不同。 对于多模光纤，最普通的方式是将光纤被覆上一层厚的铝金属护套，光纤放置在 磁场中，当护套通以电流时，电流与磁场力相互作用使光纤产生弯曲，而通过光纤的 光信号产生新的相位差，并引起传导模能量的损耗。通过检测光纤末端射出的光束形 成的干涉图样的变化来反映被测电流的大小，这就是所谓“光纤自差”测量方法。 对于金属被覆单模光纤的电流检测是根据被测电流通过金属护套时产生电阻热 效应而实现电流检测。这种检测方法突出的优点就是灵敏度高，但是被测电流与输出 信号有二次函数关系。 2 ) 磁致伸缩效应光纤电流检测 利用磁致伸缩材料被覆的单模光纤，当磁致伸缩材料在被测电流所产生的磁场中 发生形变时，单模光纤随之形变引起其中通过的光信号产生相位差，通过检测相位差 即可得到被测电流的大小。测量电流的光纤检测装置如图2 2 所示，这种传感结构通 常采用马赫一泽德尔干涉的方法检测其相位变化【1 8 】。 镰护套 尹妪难童噩 辟一 光纤l _ o 被测| f 电流源 图2 2 测量电流的光纤检涮装置示意图 沈阳t 业大学硕士学位论文 3 ) 法拉第效应光纤电流检测 基本原理是利用光纤材料的法拉第效应，即偏振光在处于磁场中的光纤内传输 时，偏振光的偏振面发生旋转，其旋转角度与磁场强度、磁场中光纤的长度成正比。 这种测量电流方式的优点是，测量范围大，灵敏度高，与高压无接触，电绝缘性好， 特别适用于高压大电流的测量，测量范围为0 1 0 0 a 。鉴于这些特点，这种光纤电流 检测成为人们研究的热点。 4 ) 压电弹光效应光纤电流检测 根据压电弹光效应的光纤电流传感实质上分为两部分：一部分是电压电流转换， 即将被测电流转换成电压信号；另一部分是通过压电效应和光弹效应用电压对光信号 相位进行调制，从而得到被测电流信号1 9 1 。 ( 2 ) 非功能型 所谓非功能型光纤电流传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化【2 02 “，光 纤仅作为传输介质，传输光信号，所以也成为传光型电流传感器，或混合型传感器 2 2 1 。 第一章介绍的混合型电流互感器也是这其中的一种检测电流的实用结构。在这里对于 非功能型光纤电流检测不多作介绍。 2 1 2 光纤电压检测系统研究现状及分类 对于光纤电压传感器的研究，始于2 0 世纪7 0 年代，在多年的发展中，人们提出 了关于光纤电压传感器的多种模型及其理论，其中以泡克尔斯( p o c k e l s ) 效应为基础 的光纤电压传感器及其理论较为成熟。从目前的发展状况看，各国的研究及实验室产 品均集中于体调制型光纤电压传感器。 1 9 7 9 1 9 8 0 年，日本政府制定了“光应用计划控制系统”七年计划，要求光纤 传感器解决大型工矿业存在的电磁干扰、易燃易爆等恶劣环境中的信息测量、传输和 生产全过程控制【2 3 】。1 9 9 0 年，a i c h ic h u b u 电力电子公司的e i y a a i k a w a 根据供电系 统中传统测量设备的不可靠问题，研制出零序电流，电压故障检测的光纤传感器【2 4 1 。 1 9 9 2 年，k o b a y a s h i 报道了b g o 晶体( b i l 2 g e 0 2 0 ) 作为传感元件的体调制型光纤电 压传感器，测量误差为1 。 8 0 年代末，美国t e n n s s e ev a l l e ya u t h o r i t y s ( t v a ) c h i c k a m a u g ad a m 配电站研究 沈阿 _ = 业又学硕士学位论文 人员提出长期目标：实施适合于各种传输水平( 计费测量、保护中继、监视控制与数 据采集) 要求的电流电压传感器。1 9 8 6 年在安装光纤电流传感器之后，开始针对单 相计费测量系统的光纤电压传感器的研制。t w , c e e s e 设计磁光电压传感器( m o v t ) 并给出具体结构，并在m a c c a s i n 的1 6 1 k v 变电站进行试验【2 5 1 。1 9 9 3 年n a s a 喷气 推动研究室报道了用于1 0 2 0 k v 配电系统自动控制的光纤电压传感器【2 引。 国内也有许多科研机构已经或正在进行光纤电压传感器的研制工作，如武汉水利 电力大学、华中理工大学等高等院校。在近2 0 年来，我国在光纤电压传感器方面的 研究也取得了孵显进步，特另近年来，各研究机构把重点放在面向应用的研究上，并 取得了一定的研究成果。 体调制型光纤电压传感器经过二十多年的发展，已在理论及技术方面取得了很大 进展，到目前为止，体调制光纤电压传感器的实验室静态测量精度最好为0 2 ，考 虑到温度对传感器的影响，未采取温度补偿措旌的传感器稳定性为1 ，采取温度补 偿措施的光纤电压传感器有代表性的研究水平为：韩国k s l e e 研制的以b g o 晶体 为传感元件的传感器，温度稳定性在2 6 5 c 范围内为o 7 5 【2 7 2 8 1 。 对于光纤电压传感的研究人们只是局限予非功能型体调制的检测方法，而实际上 光纤电压传感器按传感原理可分为功能型和非功能型。在功能型光纤电压传感器中， 光纤既作为光传输媒介，又作为光调制的敏感元件。在非功能型光纤电压传感器中， 光纤仅作为光的传播介质，而敏感元件通常采用具有光电效应的晶体。 ( 1 ) 功能型 功能型光纤电压传感器主要是利用线性压电元件或电致伸缩元件做相应的相位 调制器。相位调制器的工作原理为：在外加电压的作用下，压电元件或电致伸缩元件 产生径向伸缩，从而引起缠绕在压电元件或电致伸缩元件上的光纤的折射率改变，使 光相位随外加电压的变化丽改变，通过检测光的相位变化就可以得出被测电压的变 化。 相位调制一般采用干涉测量的方法来检测相位的变化，实现功能型光纤电压传感 器干涉铡量的主要仪器有：玛赫一泽德干涉仪和模模干涉仪。 ( 2 ) 非功能型光纤电压传感器 沈阳工业大学硕士学位论文 非功能型光纤电压传感器是以光电晶体的线性光电效应感测电压的，按调制方式 分为体调制和面调制两种。 1 ) 体调制型传感器的基本结构如图2 | 3 ，是利用线偏振光在通过外加电场作用的 光电晶体时，产生线性双折射，双折射引起的相位差与外加电压成正比来测量被测电 压的。 波尊电极b 陛 娜趔基哿器 光源捻剽网0 雪困0 嵛 起偏器话馆鞣 波片 一。 呻趔啦鼯器 光源& 剽园0 噢困0 器 起偏器酪循爨 图2 3 调制光纤电压检涌结构 a ) 横调制方式b ) 纵向调制方式 按外电场与光传输方向的关系，这种光纤电压检测结构可以分为横向调制方式， 如图2 t 3 a 所示，即光的传输方向与电场的方向垂直；和纵向调制方式，如图2 3 b 所 示，即光的传输方向与电场的方向一致。目前研究的光纤电压检测多是这种结构。 2 ) 随着集成光学及波导技术的发展，波导调制技术不仅在商速光纤通信中有重 要的应用，在光纤传感领域