论文部分内容阅读
【摘要】本文介绍了矿用变频器产生干扰的原因、干扰类型和传播途径，并提出了相应的抗干扰解决对策。
【关键词】煤矿安全变频器干扰抗干扰【中图分类号】TP276【文献标识码】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
变频器是20世纪70年代初随着电力电子技术、PWM控制技术的发展而出现的一种交流感应电机调速装置。随着科学技术的进步，变频器的功能已日趋完善。变频调速器由于其功率因数高，对电网冲击小，起动平稳、转矩大、调速范围广等优点被广泛用于煤矿行业，给煤矿的自动化生产带来了很大的便利。
变频器在煤矿井下应用日益广泛的同时，也带来严重的干扰问题。由于其IGBT功率模块的高频运行方式，不可避免地产生了大量的电磁噪声，对周边的电子电器产品产生了严重电磁干扰。这导致出现前级电磁起动器、馈电开关、低压保护箱等设备的误动作、控制系统误报警、控制总线误动作等变频器工作时其他系统设备无法正常运行问题，从而造成系统设备故障和生产事故。矿用变频器的安全标志检验中也明确规定了矿用变频器产生的传导干扰和辐射干扰的限值必须控制在一定范围之内。因此必须采取有效措施来抑制或消除变频器的干扰。
二、变频器原理及干扰形成的原因
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。现在使用的变频器主要采用交-直-交方式。先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的主电路一般由整流、直流环节、逆变3部分组成，如图1所示。变频器的输入部分为整流电路，输出部分为逆变电路，它们都是由起开关作用的非线性元件组成的。而在开、停的过程中，都要产生高次谐波，从而使其输入电源和输出的电压波形和电流波形产生畸变。电压和电流的高次谐波成分以各种方式把自己的能量传播出去，形成对变频器本身和其它设备的干扰。
三、变频器的干扰类型和干扰途径
3.1电磁辐射
在交-直-交变换过程中，通过逆变装置工作，将直流变成交流，其输出波形不是完美的正弦波，含有丰富的高次谐波成分，会在通信设备和无线电设备上产生电磁辐射干扰。变频器的逆变桥大多采用PWM技术。高载波频率工作的功率器件IGBT的高速切换所引起的辐射干扰问题相当突出。变频器的金属外壳带有缝隙或孔洞时就会辐射出来。对矿用隔爆型变频器来说，其隔爆外壳是一个屏蔽壳。由于隔爆面接触不可避免地存在极微小间隙，观察窗是钢化玻璃，它们能隔火，但是隔不了磁辐射信号。辐射方式是频率很高的谐波分量的主要传播方式。
3.2传导
3.3感应耦合
感应耦合是介于辐射与传导之间的第三条传播途径，当干扰源的频率较低时，干扰的电磁波辐射能力也有限，而该干扰源又不直接与其他导体连接，但此时的电磁干扰能量可以通过变频器的输入、输出导线与其相邻的其它导线或导体内感应耦合，在邻近导线或导体内感应出干扰电流或电压。感应耦合由导体间的电容耦合或电容、电感混合的形式出现，这与干扰源的频率以及相邻导体的距离等因素有关。在煤矿井下，对工控计算机和各类自控装置产生的干扰主要是感应耦合干扰。
四、变频器干扰的解决对策
根据电磁干扰的原理，形成电磁干扰必须具备三个要素：干扰源、传播途径、接收器（对干扰信号敏感的设备）。因此，相应的解决对策可以概括为：隔离或抑制干扰源、切断传播途径、降低接收器对干扰信号的敏感性。
4.1使用隔离变压器
所谓隔离是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系。在变频调速传动系统中，通常是在电源和变频器之间采用隔离变压器以免传导干扰。电源隔离变压器可以采用噪声隔离变压器、自耦变压器、相位角相差30度的三绕组变压器或多绕组变压器。
其作用有2个：（1）隔离作用，既隔离外界对变频器的干扰，又隔离变频器对外界的干扰。（2）抑制电流跳变或浪涌，当变频器工作在四象限时，如控制绞车、提升机或处于回馈制动时，电能向电网回流，可以避免冲击。
4.2使用电抗器
在变频器输人回路内串人电抗器用来抑制较低谐波电流，根据接线位置的不同，主要分为交流电抗器和直流电器两种。在变频器的输入端串入交流电抗器，根据所接电抗器电抗率的大小，可以消除某些频次的谐波，同时也能起动平衡三相电流和抗冲击电流的作用。该方案价格低，但限制谐波的效率有限，且电抗太大时会产生无法接受的电压降损失。
4.3安装滤波器
在变频器的输入及输出侧加滤波器，可以滤去高次谐波。除传统的无源滤波器（LC滤波器）目前还在应用外，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器。它串联或是并联于主电路中，实时从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐电流大小相等，方向与之相反的补偿电流，这样使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿不受电网阻抗的影响，因此受到广泛重视。 4.4屏蔽干扰源
屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方式。通常矿用变频器本身用隔爆外壳屏蔽，阻止电磁干扰泄漏。输出线最好用钢管屏蔽，特别是外部信号控制变频器时，要求信号线尽量短些，采用双芯屏蔽以降低共模干扰，并与电路及控制回路完全分离，决不能放于同一配管或线槽内。将计算机控制单元予以屏蔽，IGBT的驱动单元和控制单元之间使用光纤进行信号传递。周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地。
4.5合理布线
合理布线能够在相当大程度上削弱干扰信号的强度。不仅可以减小寄生耦合，而且可以使结构简化、调试更加方便、成本大幅度降低。
在布线时，应根据电路要求，按功率大小、信号强弱与性质等因素，分别集中布线。电源线和地线要粗并远离信号线。模拟地、数字地、电源地等各自分开铺设线路，然后成辐射状把它们汇集到一个公共接地点上。控制信号线与动力电缆分开配线，运行现场设备的电源线和信号线应尽量远离变频器的输入、输出线以降低共模干扰。
4.6正确接地
实践证明正确的接地可以有效降低变频器对其它设备的干扰。变频器使用专用接地线和专设的接地端子，变频器接地导线的截面积一般应大于2.5mm2，长度应在20m以内，接点要与其它动力设备接地点分开，不能共地。尽量减少接地端子连点的电阻。
五、结语
随着电力电子及微电子技术的新理论、新技术不断在变频器上的应用，变频器的抗干扰技术已成为变频调速传动系统设计、应用必须面对的问题。由于煤矿井下是爆炸危险性的环境，矿用设备的运行必须更加安全可靠。矿用变频器抗干扰技术的不断进步对于提高变频器设备运行的可靠性和增强煤矿安全生产能力具有重要的现实意义。
参考文献
[1]孙传森.变频器技术[M].北京：高等教育出版社，2005
[2]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].第四版，机械工业出版社，2000
[3]刘宏鑫.在采用变频器控制系统中接地问题的研究[J].变频器世界，2002，6（9）：46-50.
[4]李良仁等.变频调速技术与应用[M].电子工业出版社，2004
[5]张燕宾.变频调速成460问[M].北京：机械工业出版社，2006
[6]张六一.变频器使用过程的干扰源和抗干扰措施[J].冶金丛刊，2007（1）：13-14.
【关键词】煤矿安全变频器干扰抗干扰【中图分类号】TP276【文献标识码】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
变频器是20世纪70年代初随着电力电子技术、PWM控制技术的发展而出现的一种交流感应电机调速装置。随着科学技术的进步，变频器的功能已日趋完善。变频调速器由于其功率因数高，对电网冲击小，起动平稳、转矩大、调速范围广等优点被广泛用于煤矿行业，给煤矿的自动化生产带来了很大的便利。
变频器在煤矿井下应用日益广泛的同时，也带来严重的干扰问题。由于其IGBT功率模块的高频运行方式，不可避免地产生了大量的电磁噪声，对周边的电子电器产品产生了严重电磁干扰。这导致出现前级电磁起动器、馈电开关、低压保护箱等设备的误动作、控制系统误报警、控制总线误动作等变频器工作时其他系统设备无法正常运行问题，从而造成系统设备故障和生产事故。矿用变频器的安全标志检验中也明确规定了矿用变频器产生的传导干扰和辐射干扰的限值必须控制在一定范围之内。因此必须采取有效措施来抑制或消除变频器的干扰。
二、变频器原理及干扰形成的原因
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。现在使用的变频器主要采用交-直-交方式。先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的主电路一般由整流、直流环节、逆变3部分组成，如图1所示。变频器的输入部分为整流电路，输出部分为逆变电路，它们都是由起开关作用的非线性元件组成的。而在开、停的过程中，都要产生高次谐波，从而使其输入电源和输出的电压波形和电流波形产生畸变。电压和电流的高次谐波成分以各种方式把自己的能量传播出去，形成对变频器本身和其它设备的干扰。
三、变频器的干扰类型和干扰途径
3.1电磁辐射
在交-直-交变换过程中，通过逆变装置工作，将直流变成交流，其输出波形不是完美的正弦波，含有丰富的高次谐波成分，会在通信设备和无线电设备上产生电磁辐射干扰。变频器的逆变桥大多采用PWM技术。高载波频率工作的功率器件IGBT的高速切换所引起的辐射干扰问题相当突出。变频器的金属外壳带有缝隙或孔洞时就会辐射出来。对矿用隔爆型变频器来说，其隔爆外壳是一个屏蔽壳。由于隔爆面接触不可避免地存在极微小间隙，观察窗是钢化玻璃，它们能隔火，但是隔不了磁辐射信号。辐射方式是频率很高的谐波分量的主要传播方式。
3.2传导
3.3感应耦合
感应耦合是介于辐射与传导之间的第三条传播途径，当干扰源的频率较低时，干扰的电磁波辐射能力也有限，而该干扰源又不直接与其他导体连接，但此时的电磁干扰能量可以通过变频器的输入、输出导线与其相邻的其它导线或导体内感应耦合，在邻近导线或导体内感应出干扰电流或电压。感应耦合由导体间的电容耦合或电容、电感混合的形式出现，这与干扰源的频率以及相邻导体的距离等因素有关。在煤矿井下，对工控计算机和各类自控装置产生的干扰主要是感应耦合干扰。
四、变频器干扰的解决对策
根据电磁干扰的原理，形成电磁干扰必须具备三个要素：干扰源、传播途径、接收器（对干扰信号敏感的设备）。因此，相应的解决对策可以概括为：隔离或抑制干扰源、切断传播途径、降低接收器对干扰信号的敏感性。
4.1使用隔离变压器
所谓隔离是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系。在变频调速传动系统中，通常是在电源和变频器之间采用隔离变压器以免传导干扰。电源隔离变压器可以采用噪声隔离变压器、自耦变压器、相位角相差30度的三绕组变压器或多绕组变压器。
其作用有2个：（1）隔离作用，既隔离外界对变频器的干扰，又隔离变频器对外界的干扰。（2）抑制电流跳变或浪涌，当变频器工作在四象限时，如控制绞车、提升机或处于回馈制动时，电能向电网回流，可以避免冲击。
4.2使用电抗器
在变频器输人回路内串人电抗器用来抑制较低谐波电流，根据接线位置的不同，主要分为交流电抗器和直流电器两种。在变频器的输入端串入交流电抗器，根据所接电抗器电抗率的大小，可以消除某些频次的谐波，同时也能起动平衡三相电流和抗冲击电流的作用。该方案价格低，但限制谐波的效率有限，且电抗太大时会产生无法接受的电压降损失。
4.3安装滤波器
在变频器的输入及输出侧加滤波器，可以滤去高次谐波。除传统的无源滤波器（LC滤波器）目前还在应用外，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器。它串联或是并联于主电路中，实时从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐电流大小相等，方向与之相反的补偿电流，这样使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿不受电网阻抗的影响，因此受到广泛重视。 4.4屏蔽干扰源
屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方式。通常矿用变频器本身用隔爆外壳屏蔽，阻止电磁干扰泄漏。输出线最好用钢管屏蔽，特别是外部信号控制变频器时，要求信号线尽量短些，采用双芯屏蔽以降低共模干扰，并与电路及控制回路完全分离，决不能放于同一配管或线槽内。将计算机控制单元予以屏蔽，IGBT的驱动单元和控制单元之间使用光纤进行信号传递。周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地。
4.5合理布线
合理布线能够在相当大程度上削弱干扰信号的强度。不仅可以减小寄生耦合，而且可以使结构简化、调试更加方便、成本大幅度降低。
在布线时，应根据电路要求，按功率大小、信号强弱与性质等因素，分别集中布线。电源线和地线要粗并远离信号线。模拟地、数字地、电源地等各自分开铺设线路，然后成辐射状把它们汇集到一个公共接地点上。控制信号线与动力电缆分开配线，运行现场设备的电源线和信号线应尽量远离变频器的输入、输出线以降低共模干扰。
4.6正确接地
实践证明正确的接地可以有效降低变频器对其它设备的干扰。变频器使用专用接地线和专设的接地端子，变频器接地导线的截面积一般应大于2.5mm2，长度应在20m以内，接点要与其它动力设备接地点分开，不能共地。尽量减少接地端子连点的电阻。
五、结语
随着电力电子及微电子技术的新理论、新技术不断在变频器上的应用，变频器的抗干扰技术已成为变频调速传动系统设计、应用必须面对的问题。由于煤矿井下是爆炸危险性的环境，矿用设备的运行必须更加安全可靠。矿用变频器抗干扰技术的不断进步对于提高变频器设备运行的可靠性和增强煤矿安全生产能力具有重要的现实意义。
参考文献
[1]孙传森.变频器技术[M].北京：高等教育出版社，2005
[2]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].第四版，机械工业出版社，2000
[3]刘宏鑫.在采用变频器控制系统中接地问题的研究[J].变频器世界，2002，6（9）：46-50.
[4]李良仁等.变频调速技术与应用[M].电子工业出版社，2004
[5]张燕宾.变频调速成460问[M].北京：机械工业出版社，2006
[6]张六一.变频器使用过程的干扰源和抗干扰措施[J].冶金丛刊，2007（1）：13-14.