用于变频器供电的电动机传感器

工业领域中的幽灵马达主要用于产生扭矩，使调节装置旋转，如泵、鼓风机、压缩机或类似装置。这些单元，包括电机，需要定期维护，否则可能会发生故障。为了避免突然发生故障，值得制定基于设备连续状态监测的维护策略；然而，在线状态监测需要在电机、发电机或调节单元上安装各种测量元件，如加速度、声发射、温度或压力传感器。这种情况在许多控制应用中也是类似的。例如，转速传感器用于感应电机驱动，这需要精确的转速控制。除了测量元件外，电机或发电机之间的数据传输链路也很重要。

此外，还需要有发电机和变频器。电力线通信（PLC）已成功应用于电动机和变频器之间的电力电缆。这是一个可行的替代方案，而不是单独的仪表布线，因为PLC利用现有的电力电缆进行信号传输。一般来说，PLC调制解调器和测量传感器需要一个恒定的电源。在变频器端，可以使用变频器的直流电源。然而，在电机端，只能使用由变频器产生的三相脉宽调制（PWM）电压波形。为了保持PLC的优势，用于通信和传感的电源应从环境中获取。

传感和通信所需的能量可以在电动机上从电动机电缆中流动的线电流所引起的磁场中获取。在本文中，提出了一个在变频器供电的电动机上的传感器的通信概念。上图说明了该概念的基本思想。它在数据传输中使用宽带PLC，并通过电流互感器（CT）从相导体周围的磁场中获取其电源。它有几个优点，如与电机电源电路没有电偶连接，有机会在事后实施这一概念而不需要电气安装，以及可靠和无电池操作。

电力线通信

一般来说，PLC意味着用于电力输送的相同电线也适用于通信。在这种情况下，变速电气驱动器的电机电源线被用作通信介质。逆变器供电的电力线的传输特性与传统电力线的传输特性有很大不同。逆变器的输出电压由频率和时间可变的脉冲或方波组成。

由于逆变器输出级的半导体导管（如晶闸管、绝缘栅双极晶体管（IGBT）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET））的非线性，逆变器供电的电力线具有与正常电力线完全不同的阻抗特性。此外，逆变器会产生新的频率，使输出频率失真。该应用中的通道特性及其建模得到了广泛的研究。电动机作为电动机电源线的终端阻抗，因此，电动机和电源线之间通常存在阻抗不匹配。

通常情况下，变速驱动器中的电缆是三相对称的，并且是屏蔽的，以避免电磁干扰（EMI）问题。在高频（HF）波段，电缆的衰减主要是由聚氯乙烯（PVC）绝缘材料造成的，它与频率和温度有关。导体的电阻损失、辐射损失和耦合损失也对衰减有影响。典型的低压（LV）电力电缆长度小于100米，但也有可能超过200米的长度。

影响PLC性能的主要电缆参数是特性阻抗、衰减系数和电缆长度。电机电缆的特性阻抗主要取决于信号耦合、绝缘材料、其截面结构和频率。变速器中使用的电力电缆的典型特性阻抗在5到50之间。图中描述了电力线信道的一般模型。根据该模型，接收的信号，由以下公式给出：（1）

其中，s(t)是由传输器注入信道的信号，h(t)是信道的脉冲响应，n(t)是接收端的噪声信号。一般来说，可用带宽、信号功率、噪声功率和信道衰减是对可达通信容量有影响的因素。

第一个宽带PLC规范HomePlug1.0是由HomePlug电力线联盟在2001年发布的。该技术的目的是通过家庭中的电力线将设备相互连接。通过以太网连接，该协议在电力线上形成一个以太网链接。它将以太网帧（IEEE802.3）封装成自己的协议，并将其传输到电力线上。

从以太网设备的角度来看，PLC调制解调器是反式父母。HomePlug1.0规范定义了物理层（PHY）和介质访问控制层（MAC）。HomePlug1.0的PHY使用自适应的正交频分复用（OFDM），在大约4.49和20.7MHz之间的频带上有一个循环前缀（CP）。这个频段被划分为84个子载波，而其中8个子载波被永久屏蔽，以避开业余无线电波段。

HomePlug的PHY1.0包括前向纠错（FEC）编码、间隔、错误检测、自动重复请求（ARQ）和三种相移键控（PSK）调制技术的变体。PHY周期性地适应当前的信道条件，避免不良子载波，选择合适的调制方法，并为剩余的子载波选择前向纠错（FEC）率。PHY的数据速率可以从1Mb/s到14.1Mb/s不等，这与MAC层的速率0.7Mb/s和8.08Mb/s相对应。

相应地，传输控制协议/互联网协议（TCP/IP）层的最大吞吐量为6.3Mb/s。在HomePlug1.0中，传输功率谱密度（PSD）被限制在50dBm/Hz，这保证了符合联邦通信委员会（FCC）对射频设备排放的规定，这导致总发射功率（不包括注入损失）约为10mW。

供电和信号电路被一个高通滤波器分开，称为耦合接口。耦合接口可以连接具有不同电压水平的不同电路。有几种耦合接口是为PLC的应用而开发并获得专利的。通常情况下，PLC应用于单相网络，其中相线和中性线被用于信号传输。

因此，电容耦合是将信号连接到网络的最佳解决方案。因此，它被广泛用于消费类PLC应用中。另一个解决方案是应用电感耦合。这两者之间的主要区别是，电容式接口是并联的，而电感式接口是与主网串联的。

电感耦合接口设计

电感耦合接口是与电力负载串联的。因此，它一般不用于消费者应用，因为墙上的电插座自然提供了一个平行电容耦合的接口。PLC中电感耦合接口的主要应用领域是配电网络中HF频段的宽带通信。由于串行连接，供电频率的线路电流使电感耦合接口的核心材料磁化。因此，它必须根据最大的线路电流来设计，以避免铁芯饱和。铁氧体的磁性能很适合作为高频波段的磁芯材料。由于所需的磁芯尺寸，它们不适合在低频段使用。

另一方面，在基于电缆的中压（超过1kV）应用中，似乎只使用电感耦合是可行的。电感耦合接口是为HomePlug技术中使用的频率而设计的，但它也可以普遍适用于使用相同频段的其他方法，最高可达30MHz。设计的电感耦合接口的拓扑结构如上图所示。

它可以过滤变频器的输出电压，包括输出频率和冲动噪声。它在发射器和接收器两端以低衰减通过通信中使用的频率。此外，耦合接口可保护PLC副机免受过电压峰值的影响，并在数据传输电路和电机电缆电路之间提供直接的电隔离。耦合接口可以耦合到三相电机电缆的一个相导体（L1、L2或L3），在两个相导体之间进行差分，如图所示的（L1、L2）、（L1、L3）或（L2、L3），或者耦合到所有相导体（L1、L2、L3）。

差分信号耦合是最常见的选择，因为如果等效共模电流在用于通信的两相导体中传播，就会引起相反的变压器次级电流，相互抵消，从而阻尼共模噪声电流。根据，这种耦合可实现的另一个优势是，它不会产生共模电压分量，这将被视为PE线或其他接地回路中的电流。感应耦合接口与相线串行连接。变压器和提供与电机电缆的电隔离，同时作为高通滤波器运行。

变压器的初级绕组是分开的，但如果只有一个单相导体用于通信，这些绕组可以合并。反应器次级绕组的另一端相互短路，在另一侧添加LC高通滤波器和带小信号二极管的瞬态保护。

能量收集

从环境中获取能量或清扫能量的研究正在紧张进行中。重新搜索的主要动机是为家庭、工业和军事等不同应用环境中使用的无电池普适性无线传感器网络提供能量来源和采集方法。

可能的能量来源是，例如，热差、环境光、辐射、气流、环境无线电频率和机械振动。已经提出了一些能量收集方法和电路，如环境射频；太阳能；机械振动；和热差。然而，这些方法的能量收集性能对于所提出的通信概念是不够的。相反，在这个特定的应用中，从相导体周围改变的磁场中采集所需的电源是可行的，例如，用层压电工钢制造的CT。

一般来说，电流互感器被用作电流测量仪器。CT的性能是由其在CT的二次侧准确再现初级电流的能力决定的，并保持波形的形状和大小。主要是磁芯材料特性，如滞后和饱和，降低了CT的测量精度。

上图是一个理想CT的等效电路。漏电感、线圈电阻和磁芯损耗被认为是不重要的。CT的次级绕组是由一个电阻性负载终止的。在所提出的概念中，在初级侧总是有一个单绕组。当用作电源时，足够的次级负载能力是最相关的参数之一，甚至可以利用铁芯的饱和度来限制最大次级电压。

CT的设计如下。首先，必须确定电力驱动的工作区域和所需的最小变压器输出功率。驱动器的工作区域由电源频率和相应的相位电流的组合来定义。接下来，与CT铁芯材料特性和电机相线外径一起，确定所需的变压器铁芯尺寸。最后，确定CT次级绕组的圈数，以便变压器能够在确定的工作区域产生所需的电源电压和所需的负载电流。

为了限制最大的次级绕组输出电压，利用变压器铁芯饱和度也是可取的。一般来说，电子设备的电源是由直流电压源提供的。因此，需要一个功率转换器来将CT产生的交流电流调节到合适的直流电压水平。

实验室测试和测量

被测驱动器包括一台英维思15千瓦感应电机（4极）、一条90米长的倍耐力MCCMK电机电缆、一台ABBACS400变频器（由三相230/400-V电网提供）、PLC调制解调器和耦合接口。调制解调器通过电感耦合接口在电力电缆的两相（L1，L2）之间进行差分连接。CT被安装在L3相周围。

首先，对电力线通信和能量收集都进行了单独测试。最后，通过从基于CT的电源向安装在电动机上的调制解调器供电，进行了数据传输测试。

商用HomePlug1.0PLC调制解调器被应用于实验室测试。这些调制解调器被修改为与设计的耦合接口和外部直流电源一起工作，如电池或设计的CT。通过在测试中使用电池作为电源，高频信号路径只被重新限制在电机电源线上。在实践中，足够稳定的电源对调制解调器的操作没有本质影响。

耦合接口将变频器的输出电压脉冲过滤到一定程度，使其不会损坏数据传输设备。在测试系统中测量了由逆变器产生的通过的噪声电压。逆变器的输出频率被设定为50Hz。只有开关频率会影响噪声，而不是输出频率。

因此，从PLC的角度来看，变频器的输出频率可以改变，而不会对噪声产生明显影响。耦合接口末端的噪声电压是用泰克TDS7104示波器测量的，其采样频率为50MHz，周期为10ms。上图显示了测量的噪声电压和它的PSD。

信号衰减在数据传输中是必不可少的。接收和插入损耗是PLC通道中最关键的问题。通道衰减包括电缆两端的耦合接口。由于在这个测试装置中没有使用输出滤波器，所以无法测量通道衰减。这是因为变频器输出级的输入阻抗根据开关的状态而变化。即便如此，考虑到信号，输出级的输入阻抗可以用两种不同的情况来描述，即信号耦合（L1，L2），如上图所示。

该概念在数据传输中利用了PLC和电机电缆。通信信号通过一个电感耦合接口耦合到电机电缆上。电动机上的传感和通信单元的电源是通过一个基于CT的电源从相线上获取的。所提出的概念有许多优点，如不需要与电机电源电路进行电偶连接，有机会在不进行电气安装的情况下实现该概念，以及可靠的无电池操作。该概念的运行被分析、模拟，并通过实验室测量进行验证