礦用變頻器干擾問題及解決對策

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

【關鍵詞】煤礦安全變頻器干擾抗干擾【中圖分類號】TP276【文獻標識碼】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70年代初隨著電力電子技術、PWM控制技術的發展而出現的一種交流感應電機調速裝置。隨著科學技術的進步，變頻器的功能已日趨完善。變頻調速器由于其功率因數高，對電網沖擊小，起動平穩、轉矩大、調速范圍廣等優點被廣泛用于煤礦行業，給煤礦的自動化生產帶來了很大的便利。

變頻器在煤礦井下應用日益廣泛的同時，也帶來嚴重的干擾問題。由于其IGBT功率模塊的高頻運行方式，不可避免地產生了大量的電磁噪聲，對周邊的電子電器產品產生了嚴重電磁干擾。這導致出現前級電磁起動器、饋電開關、低壓保護箱等設備的誤動作、控制系統誤報警、控制總線誤動作等變頻器工作時其他系統設備無法正常運行問題，從而造成系統設備故障和生產事故。礦用變頻器的安全標志檢驗中也明確規定了礦用變頻器產生的傳導干擾和輻射干擾的限值必須控制在一定范圍之內。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換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的主電路一般由整流、直流環節、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，它們都是由起開關作用的非線性元件組成的。而在開、停的過程中，都要產生高次諧波，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，形成對變頻器本身和其它設備的干擾。

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，會在通信設備和無線電設備上產生電磁輻射干擾。變頻器的逆變橋大多采用PWM技術。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突出。變頻器的金屬外殼帶有縫隙或孔洞時就會輻射出來。對礦用隔爆型變頻器來說，其隔爆外殼是一個屏蔽殼。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。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

3.3感應耦合

感應耦合是介于輻射與傳導之間的第三條傳播途徑，當干擾源的頻率較低時，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體連接，但此時的電磁干擾能量可以通過變頻器的輸入、輸出導線與其相鄰的其它導線或導體內感應耦合，在鄰近導線或導體內感應出干擾電流或電壓。感應耦合由導體間的電容耦合或電容、電感混合的形式出現，這與干擾源的頻率以及相鄰導體的距離等因素有關。在煤礦井下，對工控計算機和各類自控裝置產生的干擾主要是感應耦合干擾。

四、變頻器干擾的解決對策

根據電磁干擾的原理，形成電磁干擾必須具備三個要素：干擾源、傳播途徑、接收器（對干擾信號敏感的設備）。因此，相應的解決對策可以概括為：隔離或抑制干擾源、切斷傳播途徑、降低接收器對干擾信號的敏感性。

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，使它們不發生電的聯系。在變頻調速傳動系統中，通常是在電源和變頻器之間采用隔離變壓器以免傳導干擾。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：（1）隔離作用，既隔離外界對變頻器的干擾，又隔離變頻器對外界的干擾。（2）抑制電流跳變或浪涌，當變頻器工作在四象限時，如控制絞車、提升機或處于回饋制動時，電能向電網回流，可以避免沖擊。

4.2使用電抗器

在變頻器輸人回路內串人電抗器用來抑制較低諧波電流，根據接線位置的不同，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，根據所接電抗器電抗率的大小，可以消除某些頻次的諧波，同時也能起動平衡三相電流和抗沖擊電流的作用。該方案價格低，但限制諧波的效率有限，且電抗太大時會產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加濾波器，可以濾去高次諧波。除傳統的無源濾波器（LC濾波器）目前還在應用外，諧波抑制的一個重要趨勢是采用有源電力濾波器。它串聯或是并聯于主電路中，實時從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧電流大小相等，方向與之相反的補償電流，這樣使電網電流只含基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償不受電網阻抗的影響，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，特別是外部信號控制變頻器時，要求信號線盡量短些，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。將計算機控制單元予以屏蔽，IGBT的驅動單元和控制單元之間使用光纖進行信號傳遞。周圍電子敏感設備線路也要求屏蔽。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大程度上削弱干擾信號的強度。不僅可以減小寄生耦合，而且可以使結構簡化、調試更加方便、成本大幅度降低。

在布線時，應根據電路要求，按功率大小、信號強弱與性質等因素，分別集中布線。電源線和地線要粗并遠離信號線。模擬地、數字地、電源地等各自分開鋪設線路，然后成輻射狀把它們匯集到一個公共接地點上。控制信號線與動力電纜分開配線，運行現場設備的電源線和信號線應盡量遠離變頻器的輸入、輸出線以降低共模干擾。

4.6正確接地

實踐證明正確的接地可以有效降低變頻器對其它設備的干擾。變頻器使用專用接地線和專設的接地端子，變頻器接地導線的截面積一般應大于2.5mm2，長度應在20m以內，接點要與其它動力設備接地點分開，不能共地。盡量減少接地端子連點的電阻。

五、結語

隨著電力電子及微電子技術的新理論、新技術不斷在變頻器上的應用，變頻器的抗干擾技術已成為變頻調速傳動系統設計、應用必須面對的問題。由于煤礦井下是爆炸危險性的環境，礦用設備的運行必須更加安全可靠。礦用變頻器抗干擾技術的不斷進步對于提高變頻器設備運行的可靠性和增強煤礦安全生產能力具有重要的現實意義。

參考文獻

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