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前端数字化_复杂电磁环境下的高精度测量解决方案

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  • 发布时间:2013/11/5 10:11:09
  • 作者:AnyWay中国

  采用光纤传输的前端数字化产品,传输线路不再是敏感设备,且光纤截断了一次传感器和二次仪表的电磁骚扰重要传播途径,从而大幅度提升了测试系统在复杂电磁环境下的抗干扰能力,实现电磁兼容。

复杂电磁环境概述

  一直以来,复杂电磁环境一词,几乎成了在军事领域专有名词,意指作战时空内,人为电磁发射和多种电磁现象的总合。
  军事领域,有时用复杂电磁环境描述己方设备不能电磁兼容,而用电磁环境复杂描述客观存在的电磁现象。
  工业领域,随着电力电子技术的高速发展,大功率非线性设备的大量使用,产生电力谐波污染电网的同时,也向周围辐射电磁波,工业测控现场的电磁环境也在日益复杂。与无线电通讯设备辐射的电磁波相比,电子电子设备的电磁波传播距离短,但是危害大。
  工业上,电磁兼容就是一门研究如何实现指设备或系统在共同的电磁环境中,能够一起工作而不影响各自功能的和谐状态的技术。
  工业电磁环境日益复杂,电磁兼容是实现测试设备高准确度测量的一个重要研究课题。
  本文借用复杂电磁环境一词描述工业现场日益复杂的电磁环境。

电磁骚扰的传播

  电磁骚扰电磁干扰两个词经常混用,在“GB/T 4365-2003电工术语 电磁兼容”中,对两者分别定义如下:
  电磁骚扰 electromagnetic disturbance
  任何可能引起装置、设备或系统性能降低或者对生物或非生物产生不良影响的电磁现象。是构成复杂电磁环境的主体。
  电磁干扰 electromagnetic interference;EMI
  电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。是复杂电磁环境下设备通常的表现后果。
  可见,电磁骚扰是复杂电磁环境的起因,而电磁干扰是复杂电磁环境的后果。
  或者说,电磁骚扰相当于干扰源,而电磁干扰是干扰源通过传播途径在敏感设备上产生的后果。
  与传染病流行三要素——传染源、传播途径和易感人群类似,电磁骚扰的传播也需要具备三个要素,分别是:骚扰源、传播途径和敏感设备。传播途径主要包括传导骚扰和辐射骚扰。相关定义如下:
  敏感设备 susceptible devive
  受电磁骚扰的影响,性能可能降低的装置、设备或系统。
  传导骚扰 conducted disturbance
  通过一个或多个导体传递能量的电磁骚扰。
  辐射骚扰 radiated disturbance
  以电磁波形式通过空间传播能量的电磁骚扰。
  图1为传染病流行与电磁骚扰传播过程的对比图。
传染病流行与电磁骚扰传播
图1 传染病流行与电磁骚扰传播对比
  图中,变频器为骚扰源,传感器及示波器均为敏感设备。
  传输线路既是敏感设备,也是传播途径。
  电磁骚扰至传输线路的传播途径主要为电磁辐射;
  电磁骚扰至传感器的传播途径主要有通过电源线(与变频器共地)和信号传输线的传导骚扰;
  就电源线和传输线路而言,电源线用于传递强能量,抗骚扰能力远远大于传输线路,相比之下,传输线路的电磁兼容设计难度更大,且更加重要。
  电磁骚扰至示波器的传播途径主要有通过传输线的传导骚扰。

前端数字化实现复杂电磁环境下的电磁兼容

  针对电磁骚扰传播原理,电磁兼容解决方案主要从以下三个方面着手:
  1、抑制电磁骚扰源;
  2、切断传播途径;
  3、增强敏感设备的电磁骚扰抵抗力。
  上述三个环节中,只要解决任意一个环节,即可实现电磁兼容。本文采取的解决方案从切断传播途径着手:
  前端数字化是湖南银河电气有限公司为解决复杂电磁环境下高精度测量而提出的、符合物联网发展思路的、可有效提高电子电器产品电磁兼容性的创新理念。前端数字化是指在测量的最前端——传感器环节就将被测信号就地数字化,数字信号采用光纤或线缆传输至各种类型的计算机,利用计算机强大的运算处理能力,对数字信号进行分析、处理后用于显示或控制。
  图2为采用前端数字化技术的WP4000变频功率测试系统的信号传输示意图。
前端数字化_复杂电磁环境下的高准确度测量解决方案
图2 前端数字化_复杂电磁环境下的高准确度测量解决方案
  众所周知,数字信号的抗电磁骚扰能力远远大于模拟信号,前端数字化系统可采用光纤或线缆传输,采用线缆传输时,参考第二节的分析,传输线路既是敏感设备又是就电磁兼容而言主要解决的是传输线路本身的抗电磁骚扰问题,但是,对于传感器和二次仪表而言,传输线路仍然充当电磁骚扰的传播途径以传导骚扰的方式影响着传感器和二次仪表。
  图2中SP系列变频功率传感器实现前端数字化后,数字信号采用光纤传输至WP4000变频功率分析仪。光纤传输除了本身不是敏感设备之外,还切断了传感器和二次仪表的电磁骚扰重要传播途径。即:
  1、光纤只传输有用信息,功率分析仪不受干扰;
  2、光纤不接受辐射骚扰,增强了传感器的抗干扰能力;
  3、光纤截断了传导骚扰途径,进一步增强传感器的抗干扰能力。
  银河电气AnyWay系列测试产品:WP系列变频功率分析仪、DP800数字功率计DH2000数据采集系统DMC300分布式测控系统等均采用前端数字化技术,广泛应用于舰船电力推进、装甲电力牵引、电机、风机、水泵、风力发电、轨道交通、电动汽车、变频器等产品在复杂电磁环境下的高精度测量,用于上述产品的检试验、能效评测及谐波检测。