變頻電機啟動干擾氧分析儀測量的起因及消除干擾方法探討

蘭亞志 曹皓 劉海濤

摘 要：褐煤干燥裝置在對褐煤進行干燥、熱解、鈍化過程中，對主設(shè)備內(nèi)的含氧量有極高的要求，采用YKTR-9200在線順磁氧分析儀對主設(shè)備內(nèi)環(huán)境的含氧量進行監(jiān)測。但當有大型變頻電機啟動時，氧量分析儀的輸出信號會出現(xiàn)大幅波動、跳變。本文試著對干擾產(chǎn)生的原因進行了分析，并對如何消除干擾提出了自己的看法和建議。

關(guān)鍵詞：氧分析儀變頻器信號干擾

一、工程情況簡介

（一）褐煤干燥工藝簡介

褐煤干燥工藝采用低階煤轉(zhuǎn)化提質(zhì)技術(shù)將褐煤轉(zhuǎn)化為物理化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定的固體燃料PMC和液體燃料PCT，將副產(chǎn)品煤粉壓制成型。在煤干燥、熱解、鈍化過程中，均在無氧環(huán)境下進行，故控制及檢測系統(tǒng)內(nèi)的氧含量尤為重要。主裝置內(nèi)共安裝有十套磁氧分析儀：干燥循環(huán)風(fēng)機出口、干燥爐干燥氣入口、熱解爐熱解氣入口、電捕焦油器熱解氣入口。

（二）YKTR-9200在線順磁氧分析儀表介紹

由于主裝置內(nèi)的氣體成份復(fù)雜，含焦油、粉塵、低沸點有機物、H2S、水汽等，具有高粘度、易結(jié)晶、腐蝕性等特點，工程選用抗腐蝕、無堵塞、分析精度高的YKTR-9200在線順磁氧分析儀。它利用氧氣的體積磁化率比一般氣體高，在磁場中具有極高的順磁特性來測量氣體中的含氧量。通常稱為順磁氧分析儀，原理見圖1。

上圖中2是限流器，能保證左右兩個參比氣路的對稱和穩(wěn)定，把流量控制在5ml/min，當參比氣進入管道，如沒有磁場，內(nèi)部的△P=0;圖中8是電磁體，通電后樣品氣中的氧氣往電磁體處集中，電磁體附近氧濃度變大，兩個氣路產(chǎn)生壓差△P，微流量傳感器4測出壓差，進而對應(yīng)氧濃度。

二、產(chǎn)生干擾的原因分析

實際投運過程中發(fā)現(xiàn)若有大型變頻電機啟動，各氧分析儀同時出現(xiàn)無規(guī)律跳變。氧分析儀采用UPS單獨供電，信號電纜、電源電纜為屏蔽電纜。變頻器投入工作時，其他由UPS供電的儀表并未出現(xiàn)大幅度波動或者跳變，故氧分析儀電源本身的抗干擾能力較弱。通過分析，我認為是變頻器啟動時，其輸入端的整流電路產(chǎn)生的諧波和射頻輻射對分析儀表的電源產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致測量值跳變。[1]

變頻器工作時，其輸入整流電路的阻抗隨外加電壓的變化而變化，導(dǎo)致整流所吸收的電流不是正弦波電流。單相整流器由整流橋和滑動電容器組成。一般來說，負載的電流是由一個光滑的電容器提供的。只有當正弦波的電壓高于光滑電容的電壓時，才會有電流流入電容和負載，因此在電壓峰值時產(chǎn)生脈沖，這種脈沖電流含有豐富的諧波成分。

（一）整流電路產(chǎn)生諧波電流

整流器是典型的非線性負載，其運行過程中發(fā)出的諧波電流對供電系統(tǒng)的阻抗產(chǎn)生電壓降，導(dǎo)致電壓波類型失真，這種畸變的電壓對于許多電子設(shè)備形成干擾，常見的電壓畸變是正弦波的頂部變平。諧波電流一定時，電壓畸變在弱電源的情況下更加嚴重，這種干擾的特征會對其他同源用電設(shè)備形成干擾，而與設(shè)備與變頻器間的距離無關(guān)。[2]

（二）逆變電路在電源輸入端產(chǎn)生射頻干擾電流

逆變器電路是一種高速開關(guān)電路，它以脈沖方式從直流母線吸取電流，雖然這種脈沖電流大部分是由光滑電容提供的，但在輸入時交流總線上仍會反射其中的一部分，即射頻干擾電流。此外，逆變器電路本身也會產(chǎn)生電磁輻射，也會與逆變器的輸入耦合。電力輸入時的射頻干擾電流導(dǎo)致電網(wǎng)上的射頻電壓，對同源用電設(shè)備形成干擾。另射頻電流還會產(chǎn)生電磁輻射，對鄰近的電子設(shè)備形成干擾，即使這些設(shè)備與變頻器不同源。

（三）變頻器輸出電纜產(chǎn)生的電磁波輻射

在變頻器輸出電纜上傳輸?shù)腜WM電壓含有豐富的高頻元件。高頻電壓通過電纜的導(dǎo)線效應(yīng)產(chǎn)生電磁輻射并形成放射性干擾。輻射的強度與逆變器的載波頻率、脈沖的上升長度、電壓的高度、電纜的長度等有關(guān)。載波頻率越高，輻射越強;上升時間越短，輻射越強;電壓越高，輻射越強;電纜越長，輻射越大。

區(qū)別干擾是如何從變頻器耦合到受干擾設(shè)備的方法，是改變兩者之間的位置，如果干擾與距離有關(guān)，說明是輻射性的干擾，否則為傳導(dǎo)性。通過現(xiàn)場檢驗，氧分析儀測量值跳變的主要原因是由變頻器整流電路產(chǎn)生諧波電流所致。

三、消除干擾的方法

根據(jù)以上分析，為解決此問題，只能對分析儀的電源再次進行濾波處理。濾波主要有模擬濾波、數(shù)字濾波。

（一）模擬濾波主要有三種濾波器：輸入電抗器、無源濾波器、有源濾波器。

1.輸入電抗器：變頻器產(chǎn)生的諧波電流與電網(wǎng)的系統(tǒng)阻抗（以電阻表示）密切相關(guān)，電網(wǎng)阻抗越高，諧波電流越小。串聯(lián)式反應(yīng)器在逆變器的功率輸入下等于電網(wǎng)阻抗的增加，可以降低逆變器的諧波電流。

2.無源濾波器：安裝在變頻器電源輸入端，能夠濾除變頻器產(chǎn)生的特征諧波電流，通常能使THID<10%，甚至5%以內(nèi)。無源諧波濾波器濾波效果好，成本低，可靠性高，是解決變頻器諧波電流問題的理想設(shè)備。

3.有源濾波器：通過檢測出變頻器發(fā)出的諧波電流成份，然后向電網(wǎng)上注入幅度相同但是相位相反的諧波電流，使兩者對消，達到消除諧波電流的目的，其THID可以小于5%，波形接近正弦波。有源濾波器效果雖好，但價格超過變頻器本身，固在工程現(xiàn)場解決變頻器諧波問題時極少采用。

（二）數(shù)字濾波

在微機控制系統(tǒng)的模擬輸入信號中，常用數(shù)字濾波方法削弱或濾除干擾。通過計算或判斷程序減少干擾信號在有用信號中的比重，實際上是一個程序濾波。為提高效果，可把兩種或以上濾波功能的數(shù)字濾波器組合成復(fù)合濾波器，稱多級數(shù)字濾波器。

1.數(shù)字濾波主要方法有：程序判斷濾波、中值濾波、滑動算術(shù)平均值濾波、滑動加權(quán)平均值濾波、防脈沖干擾平均濾波、低通數(shù)據(jù)濾波。

2.數(shù)字濾波器優(yōu)點

數(shù)字濾波器采用軟件實現(xiàn)，不需要添加硬設(shè)備，可靠性高，穩(wěn)定性好，不存在阻抗匹配問題;模擬濾波器通常用于每個信道，而數(shù)字濾波器可以在多個信道共享，降低成本;數(shù)字濾波器可以過濾非常低頻率的信號（如0.01Hz），而模擬濾波器由于電容容量的限制不能太低;數(shù)字濾波器可以根據(jù)信號使用不同的過濾方法或濾波參數(shù)。[3]

四、解決方案

工程最后是采用模擬濾波，在氧分析儀的電源輸入端加裝一臺有源濾波器解決了氧分析儀測量跳變的問題。但我們認為這并不是最理想的解決方法：如果采用模擬濾波，加裝一臺無源濾波器即可;若采用數(shù)字濾波，不僅節(jié)約成本，更便于維護。

五、結(jié)語

褐煤干燥裝置運行時，如果不能很好的解決測量干擾的問題，將會直接影響設(shè)備、系統(tǒng)的正常運行，甚至造成危險，引發(fā)事故。YKTR-9200在線順磁氧分析系統(tǒng)，可有效地對氧量進行檢測，但實際運行中它的抗干擾能力弱，嚴重影響測量結(jié)果的真實性和有效性，這就需要我們在工作中采取措施加以解決。本文為解決此問題提供了一個思路，望能給大家以有益的借鑒。

參考文獻

[1]鄭君里，應(yīng)啟珩，楊為理.《信號與系統(tǒng)》[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2]楊艷麗，陳虹，高興泉.《網(wǎng)絡(luò)化時延補償策略及其在三容系統(tǒng)中的應(yīng)用》[J].吉林大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版）.2005—23（6）.

[3]金孚安.《計算機控制系統(tǒng)中的數(shù)字濾波》[J].陜西經(jīng)貿(mào)學(xué)院，2000—42（8）.