變頻器的干擾與防治在鉆井中的應(yīng)用

【摘 要】隨著鉆井工程的工藝和設(shè)備的日益更新，基于變頻器的交流控制技術(shù)在鉆井施工也來(lái)越廣泛，但是變頻器的干擾也給了鉆井施工的穩(wěn)定性，也給鉆井隊(duì)的設(shè)備和人員帶來(lái)不安全因數(shù)，所以必須對(duì)變頻器的干擾進(jìn)行治理。

隨著交流電機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)在鉆井施工的應(yīng)用，通過(guò)變頻器的整流和逆變能很好的控制鉆機(jī)的鉆速和泵壓。變頻調(diào)速是一種全新的可編程和高精度的控制系統(tǒng)，它能完成復(fù)雜的調(diào)速工作，執(zhí)行可編程的控制指令，并對(duì)控制對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，和最優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)識(shí)別。由于控制系統(tǒng)采用的是大規(guī)模數(shù)字電路及微處理器的可編程技術(shù)，它的輸入給定和輸出控制與系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)定，在數(shù)字信號(hào)處理時(shí)可獲得很高的精度，隨之也帶來(lái)一些干擾問(wèn)題，有些干擾問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重到影響鉆機(jī)的電控系統(tǒng)的plc和儀器儀表的正常工作，如果其干擾問(wèn)題的不到很好的解決，不斷影響鉆井工程的正常施工，還給其他鉆井設(shè)備和員工帶來(lái)極大的安全隱患。

【關(guān)鍵詞】變頻器；諧波干擾；射頻干擾

1、變頻器干擾的基本類型

1）電源干擾

變頻調(diào)速是電氣工程發(fā)展最快的一種電機(jī)調(diào)速方式，變頻控制比調(diào)壓控制有其控制線形度好及節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，特別是通過(guò)微處理器處理弱電信號(hào)的變頻技術(shù)使得其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是弱電信號(hào)容易受到的干擾問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。變頻器工作時(shí)常常產(chǎn)生不同的高次諧波，這種諧波對(duì)電網(wǎng)造成危害，雖然現(xiàn)在的邊變頻器都在前端配置了電抗器，在一定范圍內(nèi)過(guò)濾了一部分的高次諧波，但是有些更高次的諧波它不了作用，也就是這些高次諧波污染了工作電源，必然引起plc及儀表的信號(hào)不穩(wěn)定，導(dǎo)致控制系統(tǒng)不能正常工作。

2）射頻干擾

為了防止干擾，在變頻器后端也配備了電抗器，但是由于變頻器自身的特點(diǎn)是通過(guò)改變頻率來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在變頻器運(yùn)行特別是調(diào)速過(guò)程中通過(guò)動(dòng)力電纜容易發(fā)出忽強(qiáng)忽弱的射頻信號(hào)，如果plc及儀表及其他弱電信號(hào)電纜的敷設(shè)路徑與變頻器的動(dòng)力電纜敷設(shè)路徑相同，就極容易受到射頻信號(hào)干擾，這種干擾特別不易消除。

3）變頻器的干擾

控制系統(tǒng)的plc是鉆井工程控制大腦，它的正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)鉆井施工的關(guān)鍵，在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)某些plc的輸出模塊會(huì)產(chǎn)生干擾，引起輸出模塊的輸出信號(hào)不是plc運(yùn)算處理的信號(hào)，而是無(wú)規(guī)律的雜亂信號(hào)。變頻器停止運(yùn)轉(zhuǎn)后輸出模塊又恢復(fù)了常態(tài)。通過(guò)此種情況可以判定是變頻器對(duì)電網(wǎng)的污染造成plc系統(tǒng)工作電源失常。

2、變頻器的防干擾措施

針對(duì)變頻器的干擾類型，采取相應(yīng)的措施，就可以將干擾降低，減小其造成的危害。

1）電源干擾的治理

一般在電源和放大器之間的 電源線上安置隔離變壓器，把干擾信號(hào)和易受干擾的部分隔離開(kāi)來(lái)，最大限度抑制高次諧波的入侵，減低高次諧波對(duì)控制電源的影響。

2）射頻干擾的治理

對(duì)于變頻器動(dòng)力電纜的射頻信號(hào)干擾，我們可以盡量采用帶有鎧甲的動(dòng)力電纜減低射頻信號(hào)的強(qiáng)度，不要將動(dòng)力電纜和控制信號(hào)線混裝一起，且盡量不要有交叉，實(shí)在不能避免，就做成十字交叉狀，這樣就降低射頻信號(hào)干擾。

3）plc系統(tǒng)干擾的治理

要是控制系統(tǒng)的電源抗干擾作的很好，可編程邏輯器件模塊沒(méi)有受到干擾，可以不用做此方面的措施。可編程器件輸出模塊由于廠家的不同在設(shè)計(jì)時(shí)的電氣參數(shù)不一樣，其抗干擾方法也不同。主要在輸出點(diǎn)兩端并聯(lián)一組阻容吸收回路，濾除變頻器對(duì)輸出點(diǎn)電源的干擾?；诓煌淖冾l器及相應(yīng)參數(shù)的區(qū)別，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整阻容的大小。可以有效排出此類干擾。。

4）其它類型的干擾與治理

變頻器的E端要與控制柜及電機(jī)的外殼相連，要接保安地，接地電阻應(yīng)小于100Ω，可吸收突波干擾。

變頻器的輸入或輸出端加裝電感式磁環(huán)濾波器。以康沃變頻器為例，平行并繞，有助于抑制高次諧波（此方法簡(jiǎn)單易行，價(jià)格低廉）。若需進(jìn)一步加強(qiáng)抗干擾效果，可選康沃變頻器專用的符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的濾波裝。

上述磁環(huán)濾波器還可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況加繞在變頻器控制信號(hào)端或模擬信號(hào)給定端的進(jìn)線上。裝有變頻器的電控柜中，動(dòng)力線和信號(hào)線應(yīng)分開(kāi)穿管走線，金屬軟管應(yīng)接地良好。模擬信號(hào)線要選用屏蔽線，單端在變頻器處接仿真地。還可通過(guò)調(diào)整變頻器的載頻來(lái)改善干擾。頻率越低，干擾越小，但電磁噪聲越大。RS485通訊口與上位機(jī)相連一定要采用光電隔離的傳輸方式，以提高通信系統(tǒng)的抗干擾性能。外配計(jì)算機(jī)或儀器、儀表的供電要和變頻器的動(dòng)力裝置供電分開(kāi)，盡量避免共享一個(gè)內(nèi)部變壓器。在受干擾的儀表設(shè)備方面也要進(jìn)行獨(dú)立屏蔽，市場(chǎng)上的溫控器、PID調(diào)節(jié)器、PLC、傳感器或變送器等儀表，都要加裝金屬屏蔽外殼并與保安地相連。必要時(shí)，可在此類儀表的電源進(jìn)線端加裝上述的電感式磁環(huán)濾波器。

由于主回路的非線性(進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作)，變頻器本身就是諧波干擾源，而其周邊控制回路卻是小能量、弱信號(hào)回路，極易遭受其它裝置產(chǎn)生的干擾，造成變頻器自身和周邊設(shè)備無(wú)法正常的工作。因此，變頻器在安裝使用時(shí)，必須對(duì)控制回路采取抗干擾措施。

1)變頻器的基本控制回路

同外部進(jìn)行信號(hào)交流的基本回路有模擬與數(shù)字兩種：

①4～20mA電流信號(hào)回路(模擬)；1～5V/0～5V電壓信號(hào)回路(模擬)。

②開(kāi)關(guān)信號(hào)回路，變頻器的開(kāi)停指令、正反轉(zhuǎn)指令等 (數(shù)字)。

外部控制指令信號(hào)通過(guò)上述基本回路導(dǎo)入變頻器，同時(shí)干擾源也在其回路上產(chǎn)生干擾電勢(shì)，以控制電纜為媒體入侵變頻器。

2)干擾的基本類型及抗干擾措施

①靜電耦合干擾：指控制電纜與周圍電氣回路的靜電容耦合，在電纜中產(chǎn)生的電勢(shì)。

措施：加大與干擾源電纜的距離，達(dá)到導(dǎo)體直徑 40倍以上時(shí)，干擾程度就不大明顯。

在兩電纜間設(shè)置屏蔽導(dǎo)體，再將屏蔽導(dǎo)體接地。

②靜電感應(yīng)干擾：指周圍電氣回路產(chǎn)生的磁通變化在電纜中感應(yīng)出的電勢(shì)。干擾的大小取決干擾源電纜產(chǎn)生的磁通大小，控制電纜形成的閉環(huán)面積和干擾源電纜與控制電纜間的相對(duì)角度。

措施：一般將控制電纜與主回路電纜或其它動(dòng)力電纜分離鋪設(shè)，分離距離通常在30cm以上(最低為10cm)，分離困難時(shí)，將控制電纜穿過(guò)鐵管鋪設(shè)。將控制導(dǎo)體絞合，絞合間距越小，鋪設(shè)的路線越短，抗干擾效果越好。

③電波干擾：指控制電纜成為天線，由外來(lái)電波在電纜中產(chǎn)生電勢(shì)。

措施：同1和2所述。必要時(shí)將變頻器放入鐵箱內(nèi)進(jìn)行電波屏蔽，屏蔽用的鐵箱要接地。

④接觸不良干擾：指變頻器控制電纜的電接點(diǎn)及繼電器觸點(diǎn)接觸不良，電阻發(fā)生變化在電纜中產(chǎn)生的干擾。

措施：對(duì)繼電器觸點(diǎn)接觸不良，采用并聯(lián)觸點(diǎn)或鍍金觸點(diǎn)繼電器或選用密封式繼電器。對(duì)電纜連接點(diǎn)應(yīng)定期做擰緊加固處理。

隨著變頻器的設(shè)計(jì)優(yōu)化和生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，其所受到的內(nèi)在干擾將會(huì)減弱，也由于在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累對(duì)變頻器所受到的外部干擾也會(huì)更好地降低。