淺析變頻器對瓦斯監控系統的干擾

摘要：本文通過對變頻器干擾的現象分析以及干擾機理的探討，得出了解決由于變頻器干擾瓦斯監控系統的有效措施。

關鍵詞：變頻器 瓦斯監控系統 干擾 機理

0 引言

新世紀以來，伴隨著科學技術的不斷進步，變頻技術由于具有節點、平穩啟動切安全的優點，所以在煤礦生產過程中得到了廣泛的應用。但是它也危害著煤礦井下的安全監控系統。由于在變頻過程中伴隨著大量的頻率輻射產生，這樣會使得礦井整個供電系統受到影響。導致監控系統的電氣設備電源污染嚴重。

1 變頻干擾的現象分析

晶閘管或者整流二極管等非線性整流器件在變頻器中得到了廣泛的應用，它所產生諧波引起的THDv對電網有較強的傳導干擾，這樣對電網的供電質量有負面作用。觀測顯示，井下用變頻器干擾瓦斯監控系統的現象為：瓦斯傳感器對較大數值不太敏感，只是在系統內部的數據有增加的趨勢，在瓦斯傳感器工作正常的狀況時，其頻率輸出與顯示的數據無任何關系。

2 變頻干擾產生的機理

變頻器工作原理如下:它主要是通過三相直流電壓直接從外部輸入380V／50Hz的工頻電源再經過濾波器將其轉化為頻率變化的交流信號。概括起來說就是交一直一交主電路。

2.1 輸入側產生諧波機理 在電源側，晶閘管供電的直流電動機、無換向器電動機以及通用變頻器等上都會有整流回路，并且由此能夠產生諧波，這些諧波都是由于它的非線性關系引起的。

2.2 輸出側產生諧波機理 由于那些逆變回路的輸出電流和電壓中都有諧波的產生。當變頻器是電壓型，并且受到PWM控制時，它的輸出電壓波的形式都是以矩形波存在。調制頻IGBT變頻器的工頻為20KHz時候，它屬于超波，人不可能聽得到，但是這種波形信號本質存在。我們可以通過電壓矩形波以及電流正弦傅立葉級數計算分析可以得出各次諧波的含量。因此，輸出回路電流信號從而可以將其分解為正弦波的基波和其它各次諧波的之和，而高次諧波電流對負載直接干擾。

3 變頻器干擾的原因

通過我們學習過的電磁的基本原理可知，要在空間中產生電磁干擾，必須要滿足三方面的要求：一是電磁干擾源、二是電磁干擾途徑、三是對電磁干擾敏感的系統。所以，要想抑制干擾，主要是從對電磁的抗和防兩個基本方面進行分析，它的總體思想是：對干擾源進行抑制，以至于能夠消除，對干擾系統的耦合通道盡量切斷聯系，以此來消弱系統干擾信號的靈敏度。具體問題具體分析，我們根據煤礦實際情況，詳細分析了干擾的三要素。

3.1 電磁干擾源（變頻器干擾） 變頻器輸入和輸出部分的回路分別是整流電路和逆變電路，在這兩種電路都是由起開關作用的非線性元件組成。在其運行工作中，要使得產生高次諧波，那么電路中的非線性元件必須使得開關動作迅速，這樣才能使得輸入設備的電源和輸出電壓和電流纏身的波形出現畸變，從而使得這樣對設備和控制電路中的檢測元件和控制器件產生干擾。

3.2 電磁干擾途徑 對于電磁干擾傳播來說，其主要途徑有輻射、傳導、感應耦合。我們知道抑止干擾源對其他設備、檢測元件、控制設備的干擾，最有效的途徑就是從傳播途徑上將干擾切斷。

3.2.1 輻射 輻射是一種擴散的形式，以電磁干擾的方式向四周輻射，對于其輻射的場強的影響因素主要有一下幾個：干擾源的電流強度、裝置的等效輻射阻抗以及干擾源的發射頻率。輻射是高頻諧波的主要傳播方式。由于變頻器作為主要的干擾源，其在工作中它的輸出電壓和輸出電流都會產生很多的高次諧波，使得開關在作告訴切換過程中會使得產生更加嚴重的輻射。

3.2.2 傳導 電磁干擾不僅可以是向外發射的形式的輻射，也可以是通過阻抗耦合或接地回路耦合的方式將干擾帶入其它電路。兩者相比較，后者傳播的干擾的距離能夠更遠一些。

3.2.3 感應耦合 感應耦合是處在輻射與傳導之間的第三條傳播途徑。由于感應耦合時其干擾源的頻率比較低，其干擾電磁波的輻射也比較有限，所以感應耦合不能直接像輻射和傳導那樣傳播，但是由于電磁干擾的能量可以經干擾源輸入、輸出導線與其他導體發生感應耦合。使得在領進的導線內產生感應電流或電壓。感應耦合的主要表現形式有：導體間的電容耦合的形式，電感耦合的形式或電容、電感混合的形式。所以感應耦合可以分為電流耦合、電感耦合、電容耦合。其影響感應耦合的因素有干擾源的頻率、與相鄰導體的距離以及設備供電線路等。

3.3 對電磁干擾敏感系統的抗干擾 由于瓦斯監控系統對電磁干擾系統比較敏感，所以我們可以采用屏蔽及潔凈無污染的電源供電能提高其抗干擾性能。

4 變頻干擾的解決方法

4.1 加裝交流電抗器和直流電抗器 在變頻器輸入側加裝交流電抗器要滿足的條件是配電變壓器容量大于500kVA以及變壓器容量大于變頻器容量的10倍以上，當輸出的三相電壓不平衡時，并且它的不平衡率在3％以上，這個時候變頻器輸入電流峰值就會變的相當大，以至于使得導線過熱，因此此時必須加裝交流電抗器，必要時可以加裝直流電抗器，見于圖一、圖二。

4.2 加裝無源濾波器 由圖三所示，將無源濾波器的安裝位置一般在變頻器的交流側，無源濾波器主要由L、C、R元件來構成諧振回路，當Lc回路的諧波頻率和某一次高次諧波電流頻率一致時，這樣就可以阻止高次諧波流入電網。無源濾波器優點主要有結構簡單、投資少、頻率高、運行可靠及維護方便，而它的缺點是濾波易受系統參數的影響，對某些次諧波進行放大，而且耗費多、體積大。

4.3 除以上解決方法以外還可以從電磁干擾的三要素出發來研究抗干擾措施。

① 干擾源的抗干擾 對于干擾源，一般采用的主要措施是：屏蔽、接地等將干擾源的電磁干擾向外傳播的可能性給切除。

② 傳播過程的抗干擾

隔離干擾源是在傳到過程中抗干擾有效的措施之一。當供電電源受污染后，使得它的諧波成分比較高，對于這種情況，可以采用電抗器及濾波器能夠有效地抑制干擾信號，良好的接地是提高抗干擾能力的重要措施。

使用無源濾波器其主要是改變在特殊頻率下電源的阻抗，它主要適用于穩定、不改變的系統。

對于輻射干擾，采用屏蔽線或穿管走線也可以很好地降低輻射干擾，遠離輻射源也是抗干擾的一種有效辦法。耦合通過合理布線、有效屏蔽以及可靠接地等，可以大大提高抗干擾能力。

③ 對電磁干擾敏感系統的抗干擾

瓦斯監控系統對電磁干擾的系統較為敏感，采用屏蔽及潔凈無污染的電源供電能夠提高其抗干擾性能。

5 結語

實踐證明，選用上述抗干擾措施簡單、經濟、可行，很好地解決了井下使用變頻設備對安全監控系統的干擾影響，為礦井生產和安全提供了有力的保障，同時也避免了采用設備間全屏蔽所帶來的昂貴代價，比較經濟合理的解決了這一現場問題。

參考文獻：

[1]王衍生等，監測監控系統在礦井瓦斯管理中的應用，2000.

[2]劉廣順.變頻器干擾煤礦瓦斯監控系統的解決方法.2007.

[3]張隆科等，淺談如何管好用好礦井瓦斯監測監控系統，2007.

[4]董新國.瓦斯監控系統在煤礦安全生產中的作用.2008.

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