矿用变频器的EMC解决方案

时间:2022-08-11 06:20:19

矿用变频器的EMC解决方案

摘要:为促进变频调速系统在煤矿领域的进一步发展,针对现在阶段我国煤矿变频器使用的电磁环境,分析了矿用变频器运行中产生和受到各种电磁干扰及传播途径,并结合实际使用情况提出变频抗干扰的实际解决方法,阐述了煤矿井下变频调速系统在设计和安装过程中具体的抑制干扰措施。实际结果表明,变频调速系统成功应用于井下采掘设备,工作面其它设备及传感器运转正常,取得了较好的经济效益及社会效益。

关键词:变频器 电磁兼容 煤矿 抗干扰

中图分类号:TN7 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2013)03-0107-02

0 引言

近年来随着微机控制技术和大功率电子元件的发展,交流电动机变频调速技术以其高效率、高性能、易维护等特点得以迅速发展,交流变频调速的各行业中应用越来越广泛。在各种调速方式中,交流变频调速技术已被国内外公认为是最理想、最有发展前途的一种调速方式了。我国煤矿井下特殊的工作环境和安全生产上的特殊要求,制约了变频器在煤矿井下的推广,随着我国煤炭生产自动化程度的不断提高,变频器以其能实现大功率电机软件启动、多机联动时功率平衡、节能等特点在煤矿井下,采、掘、运等设备采用变频器越来越多。作为电力电子设备,其内部由电子器件、计算机芯片都组成,其输入侧和输出侧的电压、电流含有高次谐波,运行即要防止外界干扰,又要防止它干扰外界,即所谓的电磁兼容性“EMC”。电磁兼容是变频器在煤矿应用和推广关键这一,也是矿用变频调速传动系统设计、应用必须面对的问题。

1 变频器及EMC

电磁兼容性EMC(Electro Magnetic Compatibility),是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此,EMC包括两个方面的要求:一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值;另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度。

一般来说,电气设备必须同时具有对高频和低频干扰的抑制能力。其中高频干扰主要包括静电放电、脉冲干扰和发射性频率的电磁场等;而低频干扰主要指电源电压波动、欠压和频率不稳定等。通常变频器能够运行在一个可能存在着较高电磁干扰的工业环境中,它既是噪声发射源,可能又是噪声接受器。

1.1 变频器所受的外部干扰

1.1.1 同网络非线性负载对变频器的干扰

同一移动变频站供电网络内存在容量较大采煤机、软启动等的晶闸管换流设备时,这些负荷工作时都可对电网中的电压、电流产生畸变,使电网电压出现凸凹,影响变频器整流模块正常工作。

1.1.2 变频器受到来自井下电网的干扰

井下电网对变频器干扰主要有过压、欠压、瞬时掉电、浪涌及尖峰电压脉冲等。

1.1.3 补偿电容器的投入和切出对变频器的干扰

当煤矿井下变电所的供电线路采用集中电容补偿的方法来提高功率因数时,在补偿电容投入和切出的暂态过程中,供电线路电压有可能出现很高的峰值。其过高的反向电压有可能击穿变频器的整流二极管。

1.2 变频器对外部的干扰

矿用变频器为电压源型,它的主电路如图1所示。主电路由整流、平波、逆变三部分构成,其中整流和逆变工作时都会产生干扰。

变频器的整流桥对电网来说是非线性负载,变频器工作时产生的谐波电流输入给电源电网,可导致输入电流畸变,对供电电网造成谐波污染。其输入电流中的5次和7次谐波的谐波分量达到20%和12%。

变频器产生干扰及其形成主要有:

(1)变频器的输入电流和输出电流中,都具有较强的高次谐波成分,它们将对其他控制设备形成干扰,影响其他设备的正常工作。

电压型变频器的输入侧整流和滤波两部分构成,当电源的线电压大于支持电容两端的电压时,整流桥中充电电流呈不连续的冲击波形式出现在电源电压的振幅值附近。它具有很高的奇次谐波成份,特别是5次和7次谐波。

(2)输出电压与电流的,变频器的逆变器大多采用PWM技术,当变频器根据给定的频率运行时,IGBT工作在高速切换的开关模式,其输出的电压离散的,并且带有与开关频率相应的高次谐波群,产生大量耦合性噪声。

(3)变频器到电机的供电电缆及电机内部存在寄生电容Cp,IGBT模块高速切换时,变频器的PWM输出电压波形的开关翼部通过寄生电容产生一个高频脉冲电流Is,这时变频器成为一个谐波干扰源。由于谐波电流Is的产生源是变频器,因此它一定要流回变频器。图2中Ze为大地阻抗,Zn为动力电缆与地之间的阻抗。谐波电流流过此二阻抗所造成的电压降,将影响到同一电网上的其他设备造成干扰。

2 干扰信号的传播方式

变频器工作时输入和输出电流中,都能产生功率较大的高次谐波成份,对系统内其它设备产生干扰,影响其它设备正常运行,主要分谐波干扰、电磁辐射干扰、感应耦合。主要表现为:对周围的电子、电气设备产生电磁辐射;对其驱动的电动机产生电磁噪声;通过供电线路对电网内其它设备产生干扰;对变频器相邻的其它线路产生感应耦合干扰。

3 变频器的抗干扰措施

3.1 安装输入电抗器

输入电抗器串联在电源与变频器输入侧之间,可有效降低5-11次等谐波含量,减少其可能干扰其他设备的正常运行之外,还可降低大量的无功功率,提高线路的功率因数。在变频器输入侧安装电抗器是抑制较低谐波电流的有效方法。输入电抗器的主要作用如下:(1)降低变频器产生的谐波,同时增加电源阻抗。(2)抑制浪涌电压和浪涌电流,保护变频器。(3)消弱电源电压不平衡对变频器的影响。

3.2 安装滤波器

在变频器的输入输出侧电路中,除上述较低次的谐波成份外,还有许多频率较高的谐波电流,输入滤波器可以抑制干扰信号从变频器通过电源线把干扰引导到移动变频站,而使临近或同一电网电气设备不受干扰,能够正常工作,输入滤波器主要由电感和电容构成,如图3所示。

变频器输出端电源滤波器采用电感滤波,可以有效地削弱输出电流中的高次谐波成分,其原理图如图4所示。

3.3 变频器模块及电缆的合理布局

布局是变频器设计防干扰中重要环节,合理的布局可以抑制干扰,布局原则是:功率模块与控制模块分开,并且要有相应的屏蔽材料进行屏蔽处理,变频器与动力电缆应尽可能地远离,信号电缆和动力电缆分开走线,尽量操持距离。

(1)隔离,采用电光隔离把电路的干扰源和易受干扰的部分隔离开来,使它们不发生电的联系,在变频调速系统中,变频器控制板及PLC等控制单元要通过隔离变频器单独供电,避免因为传导干扰而引起故障,电源隔离变压器可应用噪声隔离变压器,电抗器及IGBT采用物理隔离。

(2)使用屏蔽电机电缆,变频器到电机之间的动力电缆使用MCP矿用屏蔽电缆,电缆屏蔽层连接变频器外壳和电机外壳,使变频器高次谐波干扰电流经过屏蔽层构成的通道回到变频器,从而降低对其它设备的干扰。

(3)良好的接地及合理的布线。正确的接地既可以使系统有效地抑制外来干扰,又能降低设备本身对外界的干扰,确保变频器箱体中的所有设备接地良好,使用短和粗的接地线连接到公共接地点或接地母排上,设备的电源线和信号线应量远离变频器的输入、输出线;电源线和信号线应避免和变频器的输入、输出线平行。

4 结语

本文通过变频器在煤矿井下使用过程中出现的电磁干扰问题进行分析,并结合井下工作条件提出了切实可行的解决问题的方法和对策,随着新控制理论及技术在变频器上的应用,变频应用中产生的部分电磁兼容问题有望通过变频器新的控制算法来解决,但目前来讲,重视矿用变频器电磁兼容性已成为变频在煤矿推广及设计开发过程中必须面对的关键问题。

参考文献

[1]杨克俊.电磁兼容原理与设计技术[J].北京:人民邮电出版社,2004.

[2]张宗桐.变频器及其装置的EMC要求[J].变频器世界,2010(9).

[3]郭俊.矿用低压防爆变频器的应用研究[J].煤矿机电,2005(5).

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