礦井變頻器干擾問題的解決方案

侯彪

摘要：煤礦機電設備不同于普通的電器設備，它對設備的安全和質量等級要求很高，必須保證設備的質量問題。但是變頻器干擾問題一直是困擾煤礦行業的常見問題，造成故障的原因很多，需要工程師結合理論知識和實際經驗分析，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。

關鍵詞：煤礦機電設備；變頻器干擾；故障；理論知識

背景

變頻調速技術以其優異的調速性能和顯著的節能效果成為目前最流行的交流調速方式。逆變器系統的軟啟動可以減少設備和電機的機械沖擊，延長設備和電機的使用壽命。變頻器及其節電、高可靠性和高效率廣泛應用于各行各樣的等電氣設備中，保證了使用的精度，降低了勞動強度，提高了經濟效率，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，導致設備和生產事故。因此，工程技術人員應熟悉逆變器干擾的類型、原因及對策，以保證設備的正常運行。

具體案例說明：鉆井一公司項目一部鉆井隊的設備是于2012年8月份投產使用的，設備在某石油機械廠驗收期間就發現CAT發電機組存在突然停機問題。同時，由于發生停機的時間不確定，發生頻率不高，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，后來經多次處理都沒能徹底解決此項問題。

隨著設備使用年限增加和電氣元件老化，CAT發電機組停機評論隨之增加。在正常生產時，井隊由于此問題造成多次頓鉆，溜鉆事故，對設備造成損壞的同時影響鉆井生產的順利進行，加大了井下事故的發生頻率，嚴重威脅人身、設備、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，系統電流相對較小，就會出現CAT發電機組頻繁停機情況；如果速度反饋不適用編碼器，系統電流相對較大，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發電機組在運行時，發動機系統狀態指示燈一直閃爍；停機前，儀表盤上指示進氣阻力增大，轉速下降停機。

2.干擾的原因分析

2.1變頻器產生的干擾

變頻器由主電路和控制電路兩部分組成。變頻器整流橋對于電網來說是一種非線性負載（開關作用），在工作的時候產生的高次諧波，這些高次諧波會對同一電網的其他電器設備產生諧波干擾。控制回路是一個小的能量和微弱的信號環，極易受到其他設備的干擾，導致逆變器本身和外圍設備無法正常工作。逆變器逆變器主要采用PWM技術。在實際工作時需要高速的切換工作模式，這樣就會產生大量的耦合噪聲。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備的干擾信號，這種干擾在實際的工程項目中經常出現。

2.2電網對變頻器的干擾

電網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，電網中存在著很多諧波源，如各種整流設備、交流直流交換設備、電子調壓設備、非線性負載、照明設備等。這些負載容易導致電網中的波形和電壓失真，可能對電網中的其他設備造成有害干擾。在逆變器的電源被受污染的交流電網干擾后，如果未處理，電網噪聲會通過電網供電線路干擾逆變器。電源對逆變器的干擾源主要表現為如下幾種故障：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；s為電機轉差率；n表示的為電機轉速，只要改變f，就可實現n的變化而達到無級調速的目的。當電源網絡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，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電壓較大而損壞，最終導致輸入電路故障損壞。

3. 變頻器故障分析

通過現場情況分析，造成CAT發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生大量高頻有害解波，這些有害諧波對CAT發電機組上的DC24V電源產生影響，同時干擾CAT發電機組上的發動機調速信號。另外，動力電纜和控制電纜在敷設時都在同一個電纜槽內，電磁感應也會對控制系統產生一定干擾。

4. 變頻調速系統的抗干擾對策

在工業領域，必須采取適當的措施減少干擾，并在允許的范圍內抑制干擾。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。相應地，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的傳播路徑；三是降低系統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置一個輸入濾波器，以減少來自電網的干擾。

圖1 微機控制板的電源抗干擾措施

4.3設置公地線

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，同時也能夠減少設備本身的干擾。但是電機等強電氣控制系統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. 結語

通過此次設備改造，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，使設備可以正常運轉，也避免了井下復雜事故的發生，更為人身安全、設備安全和技術安全提供了可靠保障。

參考文獻：

[1]滿永奎等.通用變頻器及其應用.機械工業出版社，2002年， 6（9）：146 -150

[2]劉宏鑫.在采用變頻器控制系統中接地問題的研究[ J].變頻器世界，2002，6（9）：46 -50

[3]張燕賓.變頻器調速應用實踐.機械工業出版社，2001年，7（8）：42 -46

[4]李良仁等.變頻調速技術與應用.電子工業出版社，2004年