礦用變頻器干擾問題及解決對(duì)策

【摘要】本文介紹了礦用變頻器產(chǎn)生干擾的原因、干擾類型和傳播途徑，并提出了相應(yīng)的抗干擾解決對(duì)策。

【關(guān)鍵詞】煤礦安全變頻器干擾抗干擾【中圖分類號(hào)】TP276【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

Interference and Countermeasures for Mining Frequency Converter

Wang Shuai

（Shenyang Branch of China Coal Science and Industry Group， Fushun 113122， China）

Abstract： The reasons that produced the interference， the type of interference and propagation path were introduced in this paper as well as presenting the countermeasures of anti-interference.

Keywords： mine safety；frequency converter；interference；anti-interference

一、引言

變頻器是20世紀(jì)70年代初隨著電力電子技術(shù)、PWM控制技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種交流感應(yīng)電機(jī)調(diào)速裝置。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，變頻器的功能已日趨完善。變頻調(diào)速器由于其功率因數(shù)高，對(duì)電網(wǎng)沖擊小，起動(dòng)平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍廣等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于煤礦行業(yè)，給煤礦的自動(dòng)化生產(chǎn)帶來了很大的便利。

變頻器在煤礦井下應(yīng)用日益廣泛的同時(shí)，也帶來嚴(yán)重的干擾問題。由于其IGBT功率模塊的高頻運(yùn)行方式，不可避免地產(chǎn)生了大量的電磁噪聲，對(duì)周邊的電子電器產(chǎn)品產(chǎn)生了嚴(yán)重電磁干擾。這導(dǎo)致出現(xiàn)前級(jí)電磁起動(dòng)器、饋電開關(guān)、低壓保護(hù)箱等設(shè)備的誤動(dòng)作、控制系統(tǒng)誤報(bào)警、控制總線誤動(dòng)作等變頻器工作時(shí)其他系統(tǒng)設(shè)備無法正常運(yùn)行問題，從而造成系統(tǒng)設(shè)備故障和生產(chǎn)事故。礦用變頻器的安全標(biāo)志檢驗(yàn)中也明確規(guī)定了礦用變頻器產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾的限值必須控制在一定范圍之內(nèi)。因此必須采取有效措施來抑制或消除變頻器的干擾。

二、變頻器原理及干擾形成的原因

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交-直-交方式。先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器的主電路一般由整流、直流環(huán)節(jié)、逆變3部分組成，如圖1所示。變頻器的輸入部分為整流電路，輸出部分為逆變電路，它們都是由起開關(guān)作用的非線性元件組成的。而在開、停的過程中，都要產(chǎn)生高次諧波，從而使其輸入電源和輸出的電壓波形和電流波形產(chǎn)生畸變。電壓和電流的高次諧波成分以各種方式把自己的能量傳播出去，形成對(duì)變頻器本身和其它設(shè)備的干擾。

三、變頻器的干擾類型和干擾途徑

3.1電磁輻射

在交-直-交變換過程中，通過逆變裝置工作，將直流變成交流，其輸出波形不是完美的正弦波，含有豐富的高次諧波成分，會(huì)在通信設(shè)備和無線電設(shè)備上產(chǎn)生電磁輻射干擾。變頻器的逆變橋大多采用PWM技術(shù)。高載波頻率工作的功率器件IGBT的高速切換所引起的輻射干擾問題相當(dāng)突出。變頻器的金屬外殼帶有縫隙或孔洞時(shí)就會(huì)輻射出來。對(duì)礦用隔爆型變頻器來說，其隔爆外殼是一個(gè)屏蔽殼。由于隔爆面接觸不可避免地存在極微小間隙，觀察窗是鋼化玻璃，它們能隔火，但是隔不了磁輻射信號(hào)。輻射方式是頻率很高的諧波分量的主要傳播方式。

3.2傳導(dǎo)

3.3感應(yīng)耦合

感應(yīng)耦合是介于輻射與傳導(dǎo)之間的第三條傳播途徑，當(dāng)干擾源的頻率較低時(shí)，干擾的電磁波輻射能力也有限，而該干擾源又不直接與其他導(dǎo)體連接，但此時(shí)的電磁干擾能量可以通過變頻器的輸入、輸出導(dǎo)線與其相鄰的其它導(dǎo)線或?qū)w內(nèi)感應(yīng)耦合，在鄰近導(dǎo)線或?qū)w內(nèi)感應(yīng)出干擾電流或電壓。感應(yīng)耦合由導(dǎo)體間的電容耦合或電容、電感混合的形式出現(xiàn)，這與干擾源的頻率以及相鄰導(dǎo)體的距離等因素有關(guān)。在煤礦井下，對(duì)工控計(jì)算機(jī)和各類自控裝置產(chǎn)生的干擾主要是感應(yīng)耦合干擾。

四、變頻器干擾的解決對(duì)策

根據(jù)電磁干擾的原理，形成電磁干擾必須具備三個(gè)要素：干擾源、傳播途徑、接收器（對(duì)干擾信號(hào)敏感的設(shè)備）。因此，相應(yīng)的解決對(duì)策可以概括為：隔離或抑制干擾源、切斷傳播途徑、降低接收器對(duì)干擾信號(hào)的敏感性。

4.1使用隔離變壓器

所謂隔離是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，使它們不發(fā)生電的聯(lián)系。在變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中，通常是在電源和變頻器之間采用隔離變壓器以免傳導(dǎo)干擾。電源隔離變壓器可以采用噪聲隔離變壓器、自耦變壓器、相位角相差30度的三繞組變壓器或多繞組變壓器。

其作用有2個(gè)：（1）隔離作用，既隔離外界對(duì)變頻器的干擾，又隔離變頻器對(duì)外界的干擾。（2）抑制電流跳變或浪涌，當(dāng)變頻器工作在四象限時(shí)，如控制絞車、提升機(jī)或處于回饋制動(dòng)時(shí)，電能向電網(wǎng)回流，可以避免沖擊。

4.2使用電抗器

在變頻器輸人回路內(nèi)串人電抗器用來抑制較低諧波電流，根據(jù)接線位置的不同，主要分為交流電抗器和直流電器兩種。在變頻器的輸入端串入交流電抗器，根據(jù)所接電抗器電抗率的大小，可以消除某些頻次的諧波，同時(shí)也能起動(dòng)平衡三相電流和抗沖擊電流的作用。該方案價(jià)格低，但限制諧波的效率有限，且電抗太大時(shí)會(huì)產(chǎn)生無法接受的電壓降損失。

4.3安裝濾波器

在變頻器的輸入及輸出側(cè)加濾波器，可以濾去高次諧波。除傳統(tǒng)的無源濾波器（LC濾波器）目前還在應(yīng)用外，諧波抑制的一個(gè)重要趨勢(shì)是采用有源電力濾波器。它串聯(lián)或是并聯(lián)于主電路中，實(shí)時(shí)從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧電流大小相等，方向與之相反的補(bǔ)償電流，這樣使電網(wǎng)電流只含基波分量。這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償不受電網(wǎng)阻抗的影響，因此受到廣泛重視。

4.4屏蔽干擾源

屏蔽干擾源是抑制干擾的最有效的方式。通常礦用變頻器本身用隔爆外殼屏蔽，阻止電磁干擾泄漏。輸出線最好用鋼管屏蔽，特別是外部信號(hào)控制變頻器時(shí)，要求信號(hào)線盡量短些，采用雙芯屏蔽以降低共模干擾，并與電路及控制回路完全分離，決不能放于同一配管或線槽內(nèi)。將計(jì)算機(jī)控制單元予以屏蔽，IGBT的驅(qū)動(dòng)單元和控制單元之間使用光纖進(jìn)行信號(hào)傳遞。周圍電子敏感設(shè)備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。

4.5合理布線

合理布線能夠在相當(dāng)大程度上削弱干擾信號(hào)的強(qiáng)度。不僅可以減小寄生耦合，而且可以使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、調(diào)試更加方便、成本大幅度降低。

在布線時(shí)，應(yīng)根據(jù)電路要求，按功率大小、信號(hào)強(qiáng)弱與性質(zhì)等因素，分別集中布線。電源線和地線要粗并遠(yuǎn)離信號(hào)線。模擬地、數(shù)字地、電源地等各自分開鋪設(shè)線路，然后成輻射狀把它們匯集到一個(gè)公共接地點(diǎn)上。控制信號(hào)線與動(dòng)力電纜分開配線，運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的電源線和信號(hào)線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離變頻器的輸入、輸出線以降低共模干擾。

4.6正確接地

實(shí)踐證明正確的接地可以有效降低變頻器對(duì)其它設(shè)備的干擾。變頻器使用專用接地線和專設(shè)的接地端子，變頻器接地導(dǎo)線的截面積一般應(yīng)大于2.5mm2，長(zhǎng)度應(yīng)在20m以內(nèi)，接點(diǎn)要與其它動(dòng)力設(shè)備接地點(diǎn)分開，不能共地。盡量減少接地端子連點(diǎn)的電阻。

五、結(jié)語

隨著電力電子及微電子技術(shù)的新理論、新技術(shù)不斷在變頻器上的應(yīng)用，變頻器的抗干擾技術(shù)已成為變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用必須面對(duì)的問題。由于煤礦井下是爆炸危險(xiǎn)性的環(huán)境，礦用設(shè)備的運(yùn)行必須更加安全可靠。礦用變頻器抗干擾技術(shù)的不斷進(jìn)步對(duì)于提高變頻器設(shè)備運(yùn)行的可靠性和增強(qiáng)煤礦安全生產(chǎn)能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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