论文部分内容阅读
[摘 要]本文通过对变频器干扰的现象分析以及干扰机理的探讨，得出了解决由于变频器干扰瓦斯监控系统的有效措施。
[关键词]变频器 瓦斯监控系统 干扰 机理
中图分陈类号：TD365.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）32-0215-01
1 前言
新世纪以来，伴随着科学技术的不断进步，变频技术由于具有节点、平稳启动切安全的优点，所以在煤矿生产过程中得到了广泛的应用。但是它也危害着煤矿井下的安全监控系统。由于在变频过程中伴随着大量的频率辐射产生，这样会使得矿井整个供电系统受到影响。导致监控系统的电气设备电源污染严重。
2 变频干扰的现象分析
晶闸管或者整流二极管等非线性整流器件在变频器中得到了广泛的应用，它所产生谐波引起的THDv对电网有较强的传导干扰，这样对电网的供电质量有负面作用。观测显示，井下用变频器干扰瓦斯监控系统的现象为：瓦斯传感器对较大数值不太敏感，只是在系统内部的数据有增加的趋势，在瓦斯传感器工作正常的状况时，其频率输出与显示的数据无任何关系。
3 变频干扰产生的机理
变频器工作原理如下：它主要是通过三相直流电压直接从外部输入380V/50Hz的工频电源再经过滤波器将其转化为频率变化的交流信号。概括起来说就是交一直一交主电路。
（1）輸入侧产生谐波机理
在电源侧，晶闸管供电的直流电动机、无换向器电动机以及通用变频器等上都会有整流回路，并且由此能够产生谐波，这些谐波都是由于它的非线性关系引起的。
（2）输出侧产生谐波机理
由于那些逆变回路的输出电流和电压中都有谐波的产生。当变频器是电压型，并且受到PWM控制时，它的输出电压波的形式都是以矩形波存在。调制频IGBT变频器的工频为20KHz时候，它属于超波，人不可能听得到，但是这种波形信号本质存在。我们可以通过电压矩形波以及电流正弦傅立叶级数计算分析可以得出各次谐波的含量。因此，输出回路电流信号从而可以将其分解为正弦波的基波和其它各次谐波的之和，而高次谐波电流对负载直接干扰。
4 变频器干扰的原因
通过我们学习过的电磁的基本原理可知，要在空间中产生电磁干扰，必须要满足三方面的要求：一是电磁干扰源、二是电磁干扰途径、三是对电磁干扰敏感的系统。所以，要想抑制干扰，主要是从对电磁的抗和防两个基本方面进行分析，它的总体思想是：对干扰源进行抑制，以至于能够消除，对干扰系统的耦合通道尽量切断联系，以此来消弱系统干扰信号的灵敏度。具体问题具体分析，我们根据煤矿实际情况，详细分析了干扰的三要素。
⑴ 电磁干扰源（变频器干扰）
变频器输入和输出部分的回路分别是整流电路和逆变电路，在这两种电路都是由起开关作用的非线性元件组成。在其运行工作中，要使得产生高次谐波，那么电路中的非线性元件必须使得开关动作迅速，这样才能使得输入设备的电源和输出电压和电流缠身的波形出现畸变，从而使得这样对设备和控制电路中的检测元件和控制器件产生干扰。
⑵ 电磁干扰途径
对于电磁干扰传播来说，其主要途径有辐射、传导、感应耦合。我们知道抑止干扰源对其他设备、检测元件、控制设备的干扰，最有效的途径就是从传播途径上将干扰切断。
① 辐射
辐射是一种扩散的形式，以电磁干扰的方式向四周辐射，对于其辐射的场强的影响因素主要有以下几个：干扰源的电流强度、装置的等效辐射阻抗以及干扰源的发射频率。辐射是高频谐波的主要传播方式。由于变频器作为主要的干扰源，其在工作中它的输出电压和输出电流都会产生很多的高次谐波，使得开关在作告诉切换过程中会使得产生更加严重的辐射。
② 传导
电磁干扰不仅可以是向外发射的形式的辐射，也可以是通过阻抗耦合或接地回路耦合的方式将干扰带入其它电路。两者相比较，后者传播的干扰的距离能够更远一些。
③ 感应耦合
感应耦合是处在辐射与传导之间的第三条传播途径。由于感应耦合时其干扰源的频率比较低，其干扰电磁波的辐射也比较有限，所以感应耦合不能直接像辐射和传导那样传播，但是由于电磁干扰的能量可以经干扰源输入、输出导线与其他导体发生感应耦合。使得在领进的导线内产生感应电流或电压。感应耦合的主要表现形式有：导体间的电容耦合的形式，电感耦合的形式或电容、电感混合的形式。所以感应耦合可以分为电流耦合、电感耦合、电容耦合。其影响感应耦合的因素有干扰源的频率、与相邻导体的距离以及设备供电线路等。
⑶ 对电磁干扰敏感系统的抗干扰
由于瓦斯监控系统对电磁干扰系统比较敏感，所以我们可以采用屏蔽及洁净无污染的电源供电能提高其抗干扰性能。
5 变频干扰的解决方法
（1） 加装交流电抗器和直流电抗器
在变频器输入侧加装交流电抗器要满足的条件是配电变压器容量大于500kVA以及变压器容量大于变频器容量的10倍以上，当输出的三相电压不平衡时，并且它的不平衡率在3%以上，这个时候变频器输入电流峰值就会变的相当大，以至于使得导线过热，因此此时必须加装交流电抗器，必要时可以加装直流电抗器，
（2） 加装无源滤波器
由图3所示，将无源滤波器的安装位置一般在变频器的交流侧，无源滤波器主要由L、C、R元件来构成谐振回路，当Lc回路的谐波频率和某一次高次谐波电流频率一致时，这样就可以阻止高次谐波流入电网。无源滤波器优点主要有结构简单、投资少、频率高、运行可靠及维护方便，而它的缺点是滤波易受系统参数的影响，对某些次谐波进行放大，而且耗费多、体积大。
（3） 除以上解决方法以外还可以从电磁干扰的三要素出发来研究抗干扰措施。
① 干扰源的抗干扰
对于干扰源，一般采用的主要措施是：屏蔽、接地等将干扰源的电磁干扰向外传播的可能性给切除。
② 传播过程的抗干扰
隔离干扰源是在传到过程中抗干扰有效的措施之一。当供电电源受污染后，使得它的谐波成分比较高，对于这种情况，可以采用电抗器及滤波器能够有效地抑制干扰信号，良好的接地是提高抗干扰能力的重要措施。
使用无源滤波器其主要是改变在特殊频率下电源的阻抗，它主要适用于稳定、不改变的系统。
对于辐射干扰，采用屏蔽线或穿管走线也可以很好地降低辐射干扰，远离辐射源也是抗干扰的一种有效办法。耦合通过合理布线、有效屏蔽以及可靠接地等，可以大大提高抗干扰能力。
③ 对电磁干扰敏感系统的抗干扰
瓦斯监控系统对电磁干扰的系统较为敏感，采用屏蔽及洁净无污染的电源供电能够提高其抗干扰性能。
6 结语
实践证明，选用上述抗干扰措施简单、经济、可行，很好地解决了井下使用变频设备对安全监控系统的干扰影响，为矿井生产和安全提供了有力的保障，同时也避免了采用设备间全屏蔽所带来的昂贵代价，比较经济合理的解决了这一现场问题。
参考文献
【1】王衍生等，监测监控系统在矿井瓦斯管理中的应用，2000
【2】刘广顺 变频器干扰煤矿瓦斯监控系统的解决方法 2007
【3】张隆科等，浅谈如何管好用好矿井瓦斯监测监控系统，2007
【4】董新国 瓦斯监控系统在煤矿安全生产中的作用 2008
作者简介：白小军（1986、12、29），男，汉、陕西省榆林市神木县人，2008年6月毕业于山东大学，电气工程及其自动化专业，现供职于神华神东石圪台煤矿机电车间。
[关键词]变频器 瓦斯监控系统 干扰 机理
中图分陈类号：TD365.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）32-0215-01
1 前言
新世纪以来，伴随着科学技术的不断进步，变频技术由于具有节点、平稳启动切安全的优点，所以在煤矿生产过程中得到了广泛的应用。但是它也危害着煤矿井下的安全监控系统。由于在变频过程中伴随着大量的频率辐射产生，这样会使得矿井整个供电系统受到影响。导致监控系统的电气设备电源污染严重。
2 变频干扰的现象分析
晶闸管或者整流二极管等非线性整流器件在变频器中得到了广泛的应用，它所产生谐波引起的THDv对电网有较强的传导干扰，这样对电网的供电质量有负面作用。观测显示，井下用变频器干扰瓦斯监控系统的现象为：瓦斯传感器对较大数值不太敏感，只是在系统内部的数据有增加的趋势，在瓦斯传感器工作正常的状况时，其频率输出与显示的数据无任何关系。
3 变频干扰产生的机理
变频器工作原理如下：它主要是通过三相直流电压直接从外部输入380V/50Hz的工频电源再经过滤波器将其转化为频率变化的交流信号。概括起来说就是交一直一交主电路。
（1）輸入侧产生谐波机理
在电源侧，晶闸管供电的直流电动机、无换向器电动机以及通用变频器等上都会有整流回路，并且由此能够产生谐波，这些谐波都是由于它的非线性关系引起的。
（2）输出侧产生谐波机理
由于那些逆变回路的输出电流和电压中都有谐波的产生。当变频器是电压型，并且受到PWM控制时，它的输出电压波的形式都是以矩形波存在。调制频IGBT变频器的工频为20KHz时候，它属于超波，人不可能听得到，但是这种波形信号本质存在。我们可以通过电压矩形波以及电流正弦傅立叶级数计算分析可以得出各次谐波的含量。因此，输出回路电流信号从而可以将其分解为正弦波的基波和其它各次谐波的之和，而高次谐波电流对负载直接干扰。
4 变频器干扰的原因
通过我们学习过的电磁的基本原理可知，要在空间中产生电磁干扰，必须要满足三方面的要求：一是电磁干扰源、二是电磁干扰途径、三是对电磁干扰敏感的系统。所以，要想抑制干扰，主要是从对电磁的抗和防两个基本方面进行分析，它的总体思想是：对干扰源进行抑制，以至于能够消除，对干扰系统的耦合通道尽量切断联系，以此来消弱系统干扰信号的灵敏度。具体问题具体分析，我们根据煤矿实际情况，详细分析了干扰的三要素。
⑴ 电磁干扰源（变频器干扰）
变频器输入和输出部分的回路分别是整流电路和逆变电路，在这两种电路都是由起开关作用的非线性元件组成。在其运行工作中，要使得产生高次谐波，那么电路中的非线性元件必须使得开关动作迅速，这样才能使得输入设备的电源和输出电压和电流缠身的波形出现畸变，从而使得这样对设备和控制电路中的检测元件和控制器件产生干扰。
⑵ 电磁干扰途径
对于电磁干扰传播来说，其主要途径有辐射、传导、感应耦合。我们知道抑止干扰源对其他设备、检测元件、控制设备的干扰，最有效的途径就是从传播途径上将干扰切断。
① 辐射
辐射是一种扩散的形式，以电磁干扰的方式向四周辐射，对于其辐射的场强的影响因素主要有以下几个：干扰源的电流强度、装置的等效辐射阻抗以及干扰源的发射频率。辐射是高频谐波的主要传播方式。由于变频器作为主要的干扰源，其在工作中它的输出电压和输出电流都会产生很多的高次谐波，使得开关在作告诉切换过程中会使得产生更加严重的辐射。
② 传导
电磁干扰不仅可以是向外发射的形式的辐射，也可以是通过阻抗耦合或接地回路耦合的方式将干扰带入其它电路。两者相比较，后者传播的干扰的距离能够更远一些。
③ 感应耦合
感应耦合是处在辐射与传导之间的第三条传播途径。由于感应耦合时其干扰源的频率比较低，其干扰电磁波的辐射也比较有限，所以感应耦合不能直接像辐射和传导那样传播，但是由于电磁干扰的能量可以经干扰源输入、输出导线与其他导体发生感应耦合。使得在领进的导线内产生感应电流或电压。感应耦合的主要表现形式有：导体间的电容耦合的形式，电感耦合的形式或电容、电感混合的形式。所以感应耦合可以分为电流耦合、电感耦合、电容耦合。其影响感应耦合的因素有干扰源的频率、与相邻导体的距离以及设备供电线路等。
⑶ 对电磁干扰敏感系统的抗干扰
由于瓦斯监控系统对电磁干扰系统比较敏感，所以我们可以采用屏蔽及洁净无污染的电源供电能提高其抗干扰性能。
5 变频干扰的解决方法
（1） 加装交流电抗器和直流电抗器
在变频器输入侧加装交流电抗器要满足的条件是配电变压器容量大于500kVA以及变压器容量大于变频器容量的10倍以上，当输出的三相电压不平衡时，并且它的不平衡率在3%以上，这个时候变频器输入电流峰值就会变的相当大，以至于使得导线过热，因此此时必须加装交流电抗器，必要时可以加装直流电抗器，
（2） 加装无源滤波器
由图3所示，将无源滤波器的安装位置一般在变频器的交流侧，无源滤波器主要由L、C、R元件来构成谐振回路，当Lc回路的谐波频率和某一次高次谐波电流频率一致时，这样就可以阻止高次谐波流入电网。无源滤波器优点主要有结构简单、投资少、频率高、运行可靠及维护方便，而它的缺点是滤波易受系统参数的影响，对某些次谐波进行放大，而且耗费多、体积大。
（3） 除以上解决方法以外还可以从电磁干扰的三要素出发来研究抗干扰措施。
① 干扰源的抗干扰
对于干扰源，一般采用的主要措施是：屏蔽、接地等将干扰源的电磁干扰向外传播的可能性给切除。
② 传播过程的抗干扰
隔离干扰源是在传到过程中抗干扰有效的措施之一。当供电电源受污染后，使得它的谐波成分比较高，对于这种情况，可以采用电抗器及滤波器能够有效地抑制干扰信号，良好的接地是提高抗干扰能力的重要措施。
使用无源滤波器其主要是改变在特殊频率下电源的阻抗，它主要适用于稳定、不改变的系统。
对于辐射干扰，采用屏蔽线或穿管走线也可以很好地降低辐射干扰，远离辐射源也是抗干扰的一种有效办法。耦合通过合理布线、有效屏蔽以及可靠接地等，可以大大提高抗干扰能力。
③ 对电磁干扰敏感系统的抗干扰
瓦斯监控系统对电磁干扰的系统较为敏感，采用屏蔽及洁净无污染的电源供电能够提高其抗干扰性能。
6 结语
实践证明，选用上述抗干扰措施简单、经济、可行，很好地解决了井下使用变频设备对安全监控系统的干扰影响，为矿井生产和安全提供了有力的保障，同时也避免了采用设备间全屏蔽所带来的昂贵代价，比较经济合理的解决了这一现场问题。
参考文献
【1】王衍生等，监测监控系统在矿井瓦斯管理中的应用，2000
【2】刘广顺 变频器干扰煤矿瓦斯监控系统的解决方法 2007
【3】张隆科等，浅谈如何管好用好矿井瓦斯监测监控系统，2007
【4】董新国 瓦斯监控系统在煤矿安全生产中的作用 2008
作者简介：白小军（1986、12、29），男，汉、陕西省榆林市神木县人，2008年6月毕业于山东大学，电气工程及其自动化专业，现供职于神华神东石圪台煤矿机电车间。