變頻裝置對煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)電磁干擾的機(jī)理分析①

胡興志 王紀(jì)坤

(華北科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

0 引言

受地質(zhì)條件限制，目前我國的煤炭開采主要還是以井下開采為主，井下開采往往作業(yè)面距離監(jiān)控中心遠(yuǎn)，生產(chǎn)環(huán)境惡劣。井下往往存在甲烷，巷道內(nèi)時常彌漫著煤塵，同時還有淋水、潮濕、空間狹小，工作場所分散且相互距離較遠(yuǎn)等不利因素。一旦發(fā)生瓦斯爆炸、煤塵爆炸、火災(zāi)、水災(zāi)、頂板垮落等事故，煤礦的正常生產(chǎn)受到很大的影響，國家財產(chǎn)受到威脅，更為嚴(yán)重的是礦上的人身安全和健康受到威脅。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)⒕碌那闆r傳送到地面的監(jiān)控中心，及時發(fā)現(xiàn)煤礦井下生產(chǎn)問題和生產(chǎn)故障，在煤礦安全領(lǐng)域引入這一技術(shù)，通過在煤炭企業(yè)集團(tuán)公司內(nèi)部以及省市縣等一定范圍內(nèi)的實現(xiàn)計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，可以對區(qū)域內(nèi)煤礦安全生產(chǎn)情況，特別是井下甲烷濃度，實施實時監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控和集中監(jiān)控，針對突發(fā)情況及時采取調(diào)整作業(yè)方式、停止井下生產(chǎn)、人員迅速撤離等措施。根據(jù)國家規(guī)定，目前大多數(shù)礦井都已經(jīng)裝備了安全監(jiān)控系統(tǒng)。建立這樣一個系統(tǒng)，為安全生產(chǎn)、調(diào)度指揮、科學(xué)決策提供了直觀、可靠的手段，能夠切實有效地控制煤礦甲烷災(zāi)害，遏制甲烷事故多發(fā)勢頭。

現(xiàn)在的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)是基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，是信息產(chǎn)業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域相結(jié)合的一門技術(shù)，是基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)軟件的技術(shù)，是現(xiàn)代控制技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)、微電子技術(shù)的集成和發(fā)展。

目前國內(nèi)煤礦所用安全監(jiān)控系統(tǒng)的通訊方式為基帶傳輸和頻帶傳輸。由于在煤礦現(xiàn)場，長距離的系統(tǒng)傳輸電纜普遍與井下動力電纜平行設(shè)置，大型機(jī)電設(shè)備頻繁運(yùn)行、啟動和關(guān)閉會產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁干擾，因此，往往采用頻帶傳輸(如FSK、PSK、PFSK，MSK等)。理論分析表明，頻帶傳輸比采用時分基帶傳輸(如RS－232C、RS－485等)有明顯的優(yōu)點(diǎn)。在頻帶傳輸中，F(xiàn)SK在信息傳輸中其碼元轉(zhuǎn)換無相位突變，最適合煤礦井下應(yīng)用，它不但可有效提高系統(tǒng)的通信距離，還具有明顯的抗干擾能力。

1 變頻器工作原理

變頻技術(shù)具有控制性能優(yōu)良、節(jié)能效果明顯、調(diào)節(jié)方便、維護(hù)簡單、啟動平穩(wěn)、安全等優(yōu)點(diǎn)。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟與能源節(jié)約要求的必然趨勢，現(xiàn)在基于變頻技術(shù)的設(shè)備越來越多地被礦井生產(chǎn)所采用。

應(yīng)用于我國煤礦的礦用低壓變頻器變頻多數(shù)是通過控制IGBT(絕緣柵雙極型電力場效應(yīng)管)的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出頻率連續(xù)可調(diào)，而且隨著頻率的變化，輸出電流、電壓變化及功率變化。在根據(jù)轉(zhuǎn)速同功率之間的比例關(guān)系最終可以實現(xiàn)調(diào)整電源輸入功率，達(dá)到節(jié)約電能的目的。礦上采用的變頻器是通過將多個低壓功率單元的輸出電壓疊加從而得到中高電壓。圖1是變頻器原理框圖。

圖1 變頻器原理圖

三相交流電源經(jīng)過整流器整流后變成方便控制的直流電壓，然后通過中心控制器CPU，控制逆變器，將支流電壓轉(zhuǎn)變成電壓幅值和頻率都可以調(diào)節(jié)的交流電輸出。而這其中頻率、電流、電壓檢測的信號再送給CPU，經(jīng)過各種信號的反饋，由中央控制器實現(xiàn)變頻器內(nèi)部的自動控制。并調(diào)節(jié)輸出電壓幅值和頻率。工頻電經(jīng)過控制開關(guān)到達(dá)用戶側(cè)。同時通過一旁路電源直接供給(變頻器出現(xiàn)故障時退出變頻狀態(tài)切入工頻電網(wǎng)運(yùn)行)。再一路進(jìn)入變頻系統(tǒng)，通過整流變壓器二次側(cè)輸出，共提供15個副邊分別供給15個功率單元。其中每相上有5個功率單元可以提供正負(fù)各5個電壓等級，每個功率單元占有總功率的十五分之一。整流變壓器次級供電的三相二極管整流器將支流電容器充電至比交流值稍高的直流，該直流電壓提供給由IGBT管子組成的橋式逆變電路。并且在任意時刻，每個單元只有3種可能電壓輸出。如果Q1和Q4同時導(dǎo)通，那么將輸出正常支流電壓。如果Q2和Q3同時導(dǎo)通，則輸出相對負(fù)電壓。如果Q1和Q3又或者Q2和Q4同時導(dǎo)通那么輸出電壓則為0 V。如圖2所示。

圖2 變頻器單元圖

2 變頻器對監(jiān)控系統(tǒng)的影響

由于變頻器本身就是一個干擾源，所以存在對監(jiān)控系統(tǒng)的影響，給井下的通訊和安全監(jiān)控系統(tǒng)帶來了極大的危害。

變頻器調(diào)試運(yùn)行時，由于變頻絞車頻繁停啟，此處監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)非正常大數(shù)以及非正常大數(shù)導(dǎo)致的誤斷電動作等現(xiàn)象，極大的影響了礦井正常生產(chǎn)。直接表現(xiàn)為:

1)數(shù)據(jù)采集誤差加大

干擾浸入微機(jī)系統(tǒng)測量單元的模擬信號輸入通道并疊加在有用信號上，使數(shù)據(jù)采集誤差加大，特別是當(dāng)傳感器輸出微弱信號時干擾相對更加強(qiáng)烈。

2)監(jiān)控狀態(tài)失靈

一般微機(jī)輸出的控制信號較大，不易受到外界的干擾，但微機(jī)輸出的控制信號常依據(jù)此條件的狀態(tài)輸入信號和這此信號的邏輯處理結(jié)果，若這此輸入的狀態(tài)信號受到干擾引入虛假狀態(tài)信號將導(dǎo)致輸出控制誤差加大甚至失常。

3)數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化

微機(jī)系統(tǒng)中由于RAM存儲器是可以讀/寫的，因此，在干擾的侵害下RAM中的數(shù)據(jù)有可能被篡改，在單片機(jī)系統(tǒng)中程序及表格常存于程序存儲器EPROM中避免了這此數(shù)據(jù)受干擾破壞，但是對于片內(nèi)RAM，片外外掛RAM中的數(shù)據(jù)都有可能受外界干擾而變化。

4)變頻器電磁干擾頻譜較寬

在1200 MHz以下都有電磁干擾，在500 MHz以上電磁干擾具有周期性，500 MHz以下頻段內(nèi)都有電磁干擾，最大值出現(xiàn)的頻率為119 MHz，其值為－31.5 dBmV/m，在500 MHz以上電磁干擾小于－60 dBmV/m。

變頻器到電動機(jī)段對外線路感應(yīng)脈沖信號的干擾較強(qiáng)。在絞車運(yùn)行過程中，對該線路的電磁干擾進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖3所示。從圖3可看出，變頻器到電動機(jī)段對外線路感應(yīng)脈沖信號的干擾強(qiáng)度峰峰值為15 V左右，屬于正常干擾水平，這是因為在實際情況下，該段電纜較短，所以影響不會太大。濾波器到上級饋電開關(guān)段電纜較長，干擾較強(qiáng)。

圖3 變頻器到電動機(jī)段對外線路電磁干擾測試結(jié)果

根據(jù)實際測試結(jié)果，絞車變頻器和水泵、鉆機(jī)啟動時產(chǎn)生較大的對外線路感應(yīng)浪涌信號，工作面風(fēng)巷探頭受到絞車變頻器和鉆機(jī)動力電纜的影響，腰巷探頭受到水泵啟動的影響。其中，鉆機(jī)啟動時對探頭影響最大。當(dāng)變頻器和鉆機(jī)同時啟動時產(chǎn)生了強(qiáng)烈信號干擾，導(dǎo)致探頭出現(xiàn)誤報警現(xiàn)象。

3 產(chǎn)生干擾的機(jī)理分析

3.1 輸入側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理

凡是在電源側(cè)有整流回路的，都將產(chǎn)生因非線性引起的諧波。在三相橋式整流回路中，輸入電流的波形為矩形波，波形按傅立葉級數(shù)可分解為基波和各次諧波，通常含6n+1(n=1，2，3...)次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。

3.2 輸出側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理

對于變頻器來講，逆變輸出回路中，輸出電壓和電流均有諧波。其輸出電壓波形為矩形波。用傅立葉級數(shù)不難分析出電壓方波及電流正弦鋸齒波各次諧波的含量。所以，輸出回路電流信號也可分解為含有正弦波的基波和其它各次諧波，而高次諧波電流對負(fù)載直接干擾。高次諧波電流還通過電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設(shè)備。

造成這一現(xiàn)象的原因是變頻器中普遍使用了晶閘管或者整流二極管等非線性整流器件，其產(chǎn)生諧波將對電網(wǎng)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，影響到電網(wǎng)的供電質(zhì)量;變頻器輸出部分一般采用的IGBT等開關(guān)器件，在輸出能量的同時將在輸出線上產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射干擾，影響周邊電器的正常工作，變頻器動力電纜與信號電纜平行敷設(shè)，也容易產(chǎn)生耦合等。這樣不僅在變頻過程中產(chǎn)生大劑量的頻率輻射，會影響其所使用的整個供電系統(tǒng)，使所處在該系統(tǒng)的電器設(shè)備的電源都受到了污染，而且變頻器工作為0～50 Hz交—交變頻，載波頻率為500～16000 Hz，其低頻端，正好與安全監(jiān)控系統(tǒng)使用的200～1000 Hz的頻率段部分疊加，并通過電話線、電纜等各種途徑竄入監(jiān)控系統(tǒng)形成頻率疊加，變?yōu)槭д娴耐咚剐盘栞敵?，產(chǎn)生的強(qiáng)磁干擾直接導(dǎo)致了監(jiān)測信號的失準(zhǔn)，上述礦井的安全監(jiān)控系統(tǒng)先后出現(xiàn)了大面積的高值報警、斷電異?，F(xiàn)象，造成瓦斯頻繁超限斷電。從地面監(jiān)控機(jī)房調(diào)取瓦斯曲線觀察，當(dāng)功率較大的變頻設(shè)備開啟電源時，原來純凈的瓦斯曲線立刻變成了密集毛刺形不規(guī)則曲線，誤認(rèn)為瓦斯?jié)舛壬?，這樣產(chǎn)生的強(qiáng)磁干擾會直接導(dǎo)致了監(jiān)測信號的失準(zhǔn)，形成高報斷電。同時變頻器動力電纜與信號電纜平行敷設(shè)，也容易產(chǎn)生耦合等。這種傳導(dǎo)騷擾可以通過電源線、信號線、互連線、接地導(dǎo)體等進(jìn)行耦合。

目前從分站到地面中心站大部分采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)光纖傳輸線傳輸信號，有效地避免了變頻設(shè)備的干擾。然而從傳感器到分站的信號傳輸方式，國內(nèi)絕大多數(shù)產(chǎn)品使用的200～1000頻率脈沖方式，分站單片機(jī)采用計數(shù)方式采集信號，這種方式在原理上就存在著嚴(yán)重缺陷，上千伏的瞬變脈沖信號疊加到信號線上后，單片機(jī)無法識別干擾與信號，立刻會出現(xiàn)數(shù)字錯亂、誤報警等現(xiàn)象，使得安全監(jiān)控系統(tǒng)信號的數(shù)據(jù)發(fā)生瞬態(tài)變化，增大誤差，出現(xiàn)假象，甚至使整個系統(tǒng)出現(xiàn)異常信號而引起故障并使被控開關(guān)誤動作。煤礦井下在用變頻器干擾安全監(jiān)控系統(tǒng)(如瓦斯信號)表現(xiàn)為:瓦斯傳感器現(xiàn)場采集的實際數(shù)值沒有超過安全警戒數(shù)值，由于竄入干擾信號，使監(jiān)測數(shù)據(jù)信號在接收端接收到不確定的干擾信號的影響，所接收到的數(shù)據(jù)就不全是實際監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信號(可能誤碼)，數(shù)據(jù)發(fā)生較大變化，可能大，也可能小，如果大，通過分站接受的數(shù)值可能超過安全警戒數(shù)值，并傳入安全監(jiān)控系統(tǒng)，分站對工作地點(diǎn)所控制的電器設(shè)備發(fā)出控制斷電指令，并進(jìn)行斷電，使系統(tǒng)判斷失靈，造成誤動作，影響安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

通過變頻裝置對煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)電磁干擾的機(jī)理分析，清楚了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)受到變頻器干擾的原因，在于其輸入側(cè)和輸出側(cè)產(chǎn)生的諧波信號。為進(jìn)一步做好監(jiān)控系統(tǒng)的抗干擾工作，保證監(jiān)控系統(tǒng)的可靠安全運(yùn)行，提供了理論支持與方向指導(dǎo)。

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