变频装置对煤矿安全监控系统电磁干扰的机理分析①

胡兴志 王纪坤

(华北科技学院机电工程学院，北京东燕郊 101601)

0 引言

受地质条件限制，目前我国的煤炭开采主要还是以井下开采为主，井下开采往往作业面距离监控中心远，生产环境恶劣。井下往往存在甲烷，巷道内时常弥漫着煤尘，同时还有淋水、潮湿、空间狭小，工作场所分散且相互距离较远等不利因素。一旦发生瓦斯爆炸、煤尘爆炸、火灾、水灾、顶板垮落等事故，煤矿的正常生产受到很大的影响，国家财产受到威胁，更为严重的是矿上的人身安全和健康受到威胁。煤矿安全监控系统能够将井下的情况传送到地面的监控中心，及时发现煤矿井下生产问题和生产故障，在煤矿安全领域引入这一技术，通过在煤炭企业集团公司内部以及省市县等一定范围内的实现计算机联网，可以对区域内煤矿安全生产情况，特别是井下甲烷浓度，实施实时监控、远程监控和集中监控，针对突发情况及时采取调整作业方式、停止井下生产、人员迅速撤离等措施。根据国家规定，目前大多数矿井都已经装备了安全监控系统。建立这样一个系统，为安全生产、调度指挥、科学决策提供了直观、可靠的手段，能够切实有效地控制煤矿甲烷灾害，遏制甲烷事故多发势头。

现在的煤矿安全监控系统是基于计算机网络的数字化监控系统，是信息产业和工业领域相结合的一门技术，是基于计算机网络和计算机软件的技术，是现代控制技术、数字通信技术、微电子技术的集成和发展。

目前国内煤矿所用安全监控系统的通讯方式为基带传输和频带传输。由于在煤矿现场，长距离的系统传输电缆普遍与井下动力电缆平行设置，大型机电设备频繁运行、启动和关闭会产生强大的电磁干扰，因此，往往采用频带传输(如FSK、PSK、PFSK，MSK等)。理论分析表明，频带传输比采用时分基带传输(如RS－232C、RS－485等)有明显的优点。在频带传输中，FSK在信息传输中其码元转换无相位突变，最适合煤矿井下应用，它不但可有效提高系统的通信距离，还具有明显的抗干扰能力。

1 变频器工作原理

变频技术具有控制性能优良、节能效果明显、调节方便、维护简单、启动平稳、安全等优点。随着变频调速技术的日益成熟与能源节约要求的必然趋势，现在基于变频技术的设备越来越多地被矿井生产所采用。

应用于我国煤矿的矿用低压变频器变频多数是通过控制IGBT(绝缘栅双极型电力场效应管)的导通和关断，输出频率连续可调，而且随着频率的变化，输出电流、电压变化及功率变化。在根据转速同功率之间的比例关系最终可以实现调整电源输入功率，达到节约电能的目的。矿上采用的变频器是通过将多个低压功率单元的输出电压叠加从而得到中高电压。图1是变频器原理框图。

图1 变频器原理图

三相交流电源经过整流器整流后变成方便控制的直流电压，然后通过中心控制器CPU，控制逆变器，将支流电压转变成电压幅值和频率都可以调节的交流电输出。而这其中频率、电流、电压检测的信号再送给CPU，经过各种信号的反馈，由中央控制器实现变频器内部的自动控制。并调节输出电压幅值和频率。工频电经过控制开关到达用户侧。同时通过一旁路电源直接供给(变频器出现故障时退出变频状态切入工频电网运行)。再一路进入变频系统，通过整流变压器二次侧输出，共提供15个副边分别供给15个功率单元。其中每相上有5个功率单元可以提供正负各5个电压等级，每个功率单元占有总功率的十五分之一。整流变压器次级供电的三相二极管整流器将支流电容器充电至比交流值稍高的直流，该直流电压提供给由IGBT管子组成的桥式逆变电路。并且在任意时刻，每个单元只有3种可能电压输出。如果Q1和Q4同时导通，那么将输出正常支流电压。如果Q2和Q3同时导通，则输出相对负电压。如果Q1和Q3又或者Q2和Q4同时导通那么输出电压则为0 V。如图2所示。

图2 变频器单元图

2 变频器对监控系统的影响

由于变频器本身就是一个干扰源，所以存在对监控系统的影响，给井下的通讯和安全监控系统带来了极大的危害。

变频器调试运行时，由于变频绞车频繁停启，此处监控系统出现非正常大数以及非正常大数导致的误断电动作等现象，极大的影响了矿井正常生产。直接表现为:

1)数据采集误差加大

干扰浸入微机系统测量单元的模拟信号输入通道并叠加在有用信号上，使数据采集误差加大，特别是当传感器输出微弱信号时干扰相对更加强烈。

2)监控状态失灵

一般微机输出的控制信号较大，不易受到外界的干扰，但微机输出的控制信号常依据此条件的状态输入信号和这此信号的逻辑处理结果，若这此输入的状态信号受到干扰引入虚假状态信号将导致输出控制误差加大甚至失常。

3)数据受干扰发生变化

微机系统中由于RAM存储器是可以读/写的，因此，在干扰的侵害下RAM中的数据有可能被篡改，在单片机系统中程序及表格常存于程序存储器EPROM中避免了这此数据受干扰破坏，但是对于片内RAM，片外外挂RAM中的数据都有可能受外界干扰而变化。

4)变频器电磁干扰频谱较宽

在1200 MHz以下都有电磁干扰，在500 MHz以上电磁干扰具有周期性，500 MHz以下频段内都有电磁干扰，最大值出现的频率为119 MHz，其值为－31.5 dBmV/m，在500 MHz以上电磁干扰小于－60 dBmV/m。

变频器到电动机段对外线路感应脉冲信号的干扰较强。在绞车运行过程中，对该线路的电磁干扰进行了测试，结果如图3所示。从图3可看出，变频器到电动机段对外线路感应脉冲信号的干扰强度峰峰值为15 V左右，属于正常干扰水平，这是因为在实际情况下，该段电缆较短，所以影响不会太大。滤波器到上级馈电开关段电缆较长，干扰较强。

图3 变频器到电动机段对外线路电磁干扰测试结果

根据实际测试结果，绞车变频器和水泵、钻机启动时产生较大的对外线路感应浪涌信号，工作面风巷探头受到绞车变频器和钻机动力电缆的影响，腰巷探头受到水泵启动的影响。其中，钻机启动时对探头影响最大。当变频器和钻机同时启动时产生了强烈信号干扰，导致探头出现误报警现象。

3 产生干扰的机理分析

3.1 输入侧产生谐波机理

凡是在电源侧有整流回路的，都将产生因非线性引起的谐波。在三相桥式整流回路中，输入电流的波形为矩形波，波形按傅立叶级数可分解为基波和各次谐波，通常含6n+1(n=1，2，3...)次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。

3.2 输出侧产生谐波机理

对于变频器来讲，逆变输出回路中，输出电压和电流均有谐波。其输出电压波形为矩形波。用傅立叶级数不难分析出电压方波及电流正弦锯齿波各次谐波的含量。所以，输出回路电流信号也可分解为含有正弦波的基波和其它各次谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。

造成这一现象的原因是变频器中普遍使用了晶闸管或者整流二极管等非线性整流器件，其产生谐波将对电网产生传导干扰，影响到电网的供电质量;变频器输出部分一般采用的IGBT等开关器件，在输出能量的同时将在输出线上产生较强的电磁辐射干扰，影响周边电器的正常工作，变频器动力电缆与信号电缆平行敷设，也容易产生耦合等。这样不仅在变频过程中产生大剂量的频率辐射，会影响其所使用的整个供电系统，使所处在该系统的电器设备的电源都受到了污染，而且变频器工作为0～50 Hz交—交变频，载波频率为500～16000 Hz，其低频端，正好与安全监控系统使用的200～1000 Hz的频率段部分叠加，并通过电话线、电缆等各种途径窜入监控系统形成频率叠加，变为失真的瓦斯信号输出，产生的强磁干扰直接导致了监测信号的失准，上述矿井的安全监控系统先后出现了大面积的高值报警、断电异常现象，造成瓦斯频繁超限断电。从地面监控机房调取瓦斯曲线观察，当功率较大的变频设备开启电源时，原来纯净的瓦斯曲线立刻变成了密集毛刺形不规则曲线，误认为瓦斯浓度升高，这样产生的强磁干扰会直接导致了监测信号的失准，形成高报断电。同时变频器动力电缆与信号电缆平行敷设，也容易产生耦合等。这种传导骚扰可以通过电源线、信号线、互连线、接地导体等进行耦合。

目前从分站到地面中心站大部分采用工业以太环网光纤传输线传输信号，有效地避免了变频设备的干扰。然而从传感器到分站的信号传输方式，国内绝大多数产品使用的200～1000频率脉冲方式，分站单片机采用计数方式采集信号，这种方式在原理上就存在着严重缺陷，上千伏的瞬变脉冲信号叠加到信号线上后，单片机无法识别干扰与信号，立刻会出现数字错乱、误报警等现象，使得安全监控系统信号的数据发生瞬态变化，增大误差，出现假象，甚至使整个系统出现异常信号而引起故障并使被控开关误动作。煤矿井下在用变频器干扰安全监控系统(如瓦斯信号)表现为:瓦斯传感器现场采集的实际数值没有超过安全警戒数值，由于窜入干扰信号，使监测数据信号在接收端接收到不确定的干扰信号的影响，所接收到的数据就不全是实际监测到的数据信号(可能误码)，数据发生较大变化，可能大，也可能小，如果大，通过分站接受的数值可能超过安全警戒数值，并传入安全监控系统，分站对工作地点所控制的电器设备发出控制断电指令，并进行断电，使系统判断失灵，造成误动作，影响安全生产。

4 结论

通过变频装置对煤矿安全监控系统电磁干扰的机理分析，清楚了煤矿安全监控系统受到变频器干扰的原因，在于其输入侧和输出侧产生的谐波信号。为进一步做好监控系统的抗干扰工作，保证监控系统的可靠安全运行，提供了理论支持与方向指导。

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