礦井變頻器干擾問題的解決方案

侯彪

摘要：煤礦機電設(shè)備不同于普通的電器設(shè)備，它對設(shè)備的安全和質(zhì)量等級要求很高，必須保證設(shè)備的質(zhì)量問題。但是變頻器干擾問題一直是困擾煤礦行業(yè)的常見問題，造成故障的原因很多，需要工程師結(jié)合理論知識和實際經(jīng)驗分析，最后解決問題。本文主要以某礦井變頻器故障為實例，論述了如何解決變頻器干擾的問題。

關(guān)鍵詞：煤礦機電設(shè)備；變頻器干擾；故障；理論知識

背景

變頻調(diào)速技術(shù)以其優(yōu)異的調(diào)速性能和顯著的節(jié)能效果成為目前最流行的交流調(diào)速方式。逆變器系統(tǒng)的軟啟動可以減少設(shè)備和電機的機械沖擊，延長設(shè)備和電機的使用壽命。變頻器及其節(jié)電、高可靠性和高效率廣泛應(yīng)用于各行各樣的等電氣設(shè)備中，保證了使用的精度，降低了勞動強度，提高了經(jīng)濟效率，但也帶來了一些干擾問題。嚴重的干擾會對其控制電路造成損害，對微處理器失去控制等，導(dǎo)致設(shè)備和生產(chǎn)事故。因此，工程技術(shù)人員應(yīng)熟悉逆變器干擾的類型、原因及對策，以保證設(shè)備的正常運行。

具體案例說明：鉆井一公司項目一部鉆井隊的設(shè)備是于2012年8月份投產(chǎn)使用的，設(shè)備在某石油機械廠驗收期間就發(fā)現(xiàn)CAT發(fā)電機組存在突然停機問題。同時，由于發(fā)生停機的時間不確定，發(fā)生頻率不高，停機后還能正常啟動，沒有任何異常顯示，停機問題一直沒能找到根本原因，后來經(jīng)多次處理都沒能徹底解決此項問題。

隨著設(shè)備使用年限增加和電氣元件老化，CAT發(fā)電機組停機評論隨之增加。在正常生產(chǎn)時，井隊由于此問題造成多次頓鉆，溜鉆事故，對設(shè)備造成損壞的同時影響鉆井生產(chǎn)的順利進行，加大了井下事故的發(fā)生頻率，嚴重威脅人身、設(shè)備、井下安全。

1.鉆井隊變頻器遇到具體的故障

鉆井隊在依深1井起井架前，變頻器速度反饋使用編碼器時，系統(tǒng)電流相對較小，就會出現(xiàn)CAT發(fā)電機組頻繁停機情況；如果速度反饋不適用編碼器，系統(tǒng)電流相對較大，停車頻率會有所減少，但絞車同步問題就得不到保證。另外，CAT發(fā)電機組在運行時，發(fā)動機系統(tǒng)狀態(tài)指示燈一直閃爍；停機前，儀表盤上指示進氣阻力增大，轉(zhuǎn)速下降停機。

2.干擾的原因分析

2.1變頻器產(chǎn)生的干擾

變頻器由主電路和控制電路兩部分組成。變頻器整流橋?qū)τ陔娋W(wǎng)來說是一種非線性負載（開關(guān)作用），在工作的時候產(chǎn)生的高次諧波，這些高次諧波會對同一電網(wǎng)的其他電器設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾。控制回路是一個小的能量和微弱的信號環(huán)，極易受到其他設(shè)備的干擾，導(dǎo)致逆變器本身和外圍設(shè)備無法正常工作。逆變器逆變器主要采用PWM技術(shù)。在實際工作時需要高速的切換工作模式，這樣就會產(chǎn)生大量的耦合噪聲。這些噪聲信號就會以各種方式進行能量的傳播，形成逆變器本身和其他設(shè)備的干擾信號，這種干擾在實際的工程項目中經(jīng)常出現(xiàn)。

2.2電網(wǎng)對變頻器的干擾

電網(wǎng)的干擾主要是通過影響變頻器的電源來干擾變頻器。在實際工作中，電網(wǎng)中存在著很多諧波源，如各種整流設(shè)備、交流直流交換設(shè)備、電子調(diào)壓設(shè)備、非線性負載、照明設(shè)備等。這些負載容易導(dǎo)致電網(wǎng)中的波形和電壓失真，可能對電網(wǎng)中的其他設(shè)備造成有害干擾。在逆變器的電源被受污染的交流電網(wǎng)干擾后，如果未處理，電網(wǎng)噪聲會通過電網(wǎng)供電線路干擾逆變器。電源對逆變器的干擾源主要表現(xiàn)為如下幾種故障：過電壓、欠壓、瞬時功率損耗、大幅下降、峰值電壓脈、無線電頻率干擾等。其次，通過逆變器控制信號線的共模干擾也會干擾逆變器的正常工作。

在上面的式子中： f表示的是電源頻率；p表示的是電機極對數(shù)；s為電機轉(zhuǎn)差率；n表示的為電機轉(zhuǎn)速，只要改變f，就可實現(xiàn)n的變化而達到無級調(diào)速的目的。當電源網(wǎng)絡(luò)中有一個大容量的晶閘管在進行整流工作時，因為晶閘管在進行整流工作時，它的每一相位都會有一段時間處于打開狀態(tài)，容易造成電壓的缺口，這時候的波形會嚴重失真。逆變器輸入端整流電路由于反向恢復(fù)電壓較大而損壞，最終導(dǎo)致輸入電路故障損壞。

3. 變頻器故障分析

通過現(xiàn)場情況分析，造成CAT發(fā)電機組頻繁停機的主要原因是變頻器的電磁兼容性不好，加之多年使用后，變頻器中的電氣元件存在不同程度的老化，所以變頻器在使用時產(chǎn)生大量高頻有害解波，這些有害諧波對CAT發(fā)電機組上的DC24V電源產(chǎn)生影響，同時干擾CAT發(fā)電機組上的發(fā)動機調(diào)速信號。另外，動力電纜和控制電纜在敷設(shè)時都在同一個電纜槽內(nèi)，電磁感應(yīng)也會對控制系統(tǒng)產(chǎn)生一定干擾。

4. 變頻調(diào)速系統(tǒng)的抗干擾對策

在工業(yè)領(lǐng)域，必須采取適當?shù)拇胧p少干擾，并在允許的范圍內(nèi)抑制干擾。電磁干擾（EMI）的形成必須包含三個要素：電磁干擾源、電磁干擾路徑和對電磁干擾敏感的系統(tǒng)。相應(yīng)地，抗干擾有三種基本原則：一是從源頭入手，抑制和消除干擾源；二是切斷干擾對系統(tǒng)的傳播路徑；三是降低系統(tǒng)對干擾信號的靈敏度。

在工程中，屏蔽、隔離、濾波、接地等通常用于抑制干擾。

4.1屏蔽干擾源

屏蔽干擾源是抑制干擾的最有效途徑。通常情況下，逆變器本身由鐵殼屏蔽，輸出線由鋼管屏蔽，以避免電磁干擾的泄漏。同時，信號線盡可能短（一般在20米），和信號線屏蔽的雙核心，連接到主電路（AC380 V）和控制線（AC220 V）是完全分離的，和周圍的敏感電子設(shè)備線路也必須保護，必須可靠的接地和屏蔽。

4.2進行濾波處理

濾波是通過電源線對電源和電機的傳導(dǎo)干擾來抑制逆變器的干擾信號。濾波器是用于衰減高頻諧波分量。在逆變器的輸出端提供一個輸出濾波器，以減少其他因素對于電源的干擾。同時也可以在逆變器的輸入端可以設(shè)置一個輸入濾波器，以減少來自電網(wǎng)的干擾。

圖1 微機控制板的電源抗干擾措施

4.3設(shè)置公地線

接地線是工程上最常見的抑制干擾傳播的方式。良好的接地能有效抑制外界干擾，同時也能夠減少設(shè)備本身的干擾。但是電機等強電氣控制系統(tǒng)的接地線必須進行的可靠接地，同時微機控制板的屏蔽接地應(yīng)單獨接地，他們不可以公用地線。對于某些嚴重的干擾情況，建議將傳感器和I/O接口屏蔽連接到控制板的控制地面。

4.4采取隔離措施

隔離是指從電路中隔離干擾源和容易受到干擾的部分。通常，在電源和放大器電路之間的電源線上使用隔離變壓器，最常用的變壓器光耦隔離裝置，這樣可以將電信號隔離開來，可以最大程度地減少避免干擾。

5. 結(jié)語

通過此次設(shè)備改造，我們用較少的投入，有效解決了長期困擾鉆井隊的疑難問題，使設(shè)備可以正常運轉(zhuǎn)，也避免了井下復(fù)雜事故的發(fā)生，更為人身安全、設(shè)備安全和技術(shù)安全提供了可靠保障。

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