矿用变频器在井下使用中的干扰问题及其解决对策

【摘 要】近年来，矿用变频器的应用日趋普及，其对井下机电设备的谐波干扰和电磁辐射干扰也越来越严重。本文介绍了矿用变频器谐波的产生，详细的介绍了矿用变频器在井下使用的干扰问题，最终提出相应的防治对策。

【关键词】煤矿机电；变频器；电磁干扰；防治对策

引言

随着我国煤炭生产自动化程度的不断提高，矿用变频器在煤矿井下采、掘、运等机械设备和井上通、压、排、提等四大件的调速应用中发挥了良好的调速性能和节能降耗的作用。近几年变频器的应用更是突飞猛进，在大型的皮带运输和斜巷绞车的应用也已很普遍。然而，变频器的大规模应用，使得井下电网污染问题日益突显，尤其在变频器集中应用的场合，如何解决变频器干扰问题几乎成了自动化系统能否正常工作的决定因素，同时对保证矿井供电和各种设备的正常运行都具有重要的意义。

1 变频器谐波的产生

从结构上来看，变频器有间接变频器和直接变频器之分。间接变频器将工频电流通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流。而直接变频器是将工频电流直接变换成可控频率的交流，没有中间的直流环节。目前应用较多的是间接变频器。间接变频器有三种不同的结构方式：（1）用可控整流器变压；（2）用可控整流器整流斩波器变压；（3）用可控整流器整流。无论哪一种变频器，都大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件，无论采用哪种整流方式，变频器从电网中吸取能量的方式都不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向电网索取电流，这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上，使电压发生畸变，经傅里叶级数分析可知，这种非同期正弦波电流是由于频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成。

谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。谐波频率是基波频率的整倍数，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。

2 矿用变频器在井下使用的干扰问题

2.1 变频器的干扰方式

（1）电磁辐射

在交-直-交变换过程中，通过逆变装置工作，将直流变成交流，其输出波形不是完美的正弦波，有高次谐波共扼，会在通信设备和无线电设备上产生电磁辐射干扰。变频器其辐射场强取决于干扰源的电流强度、装置的等效辐射阻抗以及干扰源的发射频率。变频器的整流桥对电网来说是非线性负载，它所产生的谐波对接入同一电网的其他电子、电气设备产生谐波干扰。由于变频器的逆变桥大多采用PWM技术，当给定频率和辐值产生预期的和重复的开关模式时，其输出的电压和电流的频谱是离散的，并且带有与开关频率相应的高次谐波群。对变频器来说，防爆外壳是一个屏蔽壳，但由于隔爆面有几十丝的间隙，观察窗是钢化玻璃，它们能隔火，但隔不了磁辐射信号。

（2）传导

主要体现在输入端，其整流部分用大功率二极管或二极管与可控硅或可控硅组成不可控或半控或全控的整流电路。由于电路在整流处理过程中将产生谐波，并传导到电子设备、通讯设备上。电磁干扰除了通过与其相连的导线向外部发射，也可以通过阻抗耦合或接地回路耦合将干扰带入其他电路。与辐射干扰相比，其传播的路程可以很远。

（3）感应耦合

感应耦合是介于辐射与传导之间的第三条传播途径，当干扰源的频率较低时，干扰的电磁波辐射能力也有限，而该干扰源又不直接与其他导体连接，但此时的电磁干扰能量可以通过变频器的输入、输出导线与其相邻的其他导线或导体内感应耦合，在邻近导线或导体内感应出干扰电流或电压。

2.2 变频器的干扰途径

变频器的干扰途径与一般电磁干扰途径是差不多的，也分电磁辐射、传导、感应耦合。具体为：（1）对周围的电子、电气设备产生电磁辐射。（2）对直接驱动的电动机产生电磁噪声，使得电动机铁损和铜损增加，进而发热，并传导到电源，通过配电网络传导给系统其他设备。（3）变频器对相邻的其他线路产生感应耦合，感应出干扰电压或电流。

3 变频器干扰的解决方法

3.1 滤波

设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电源及电动机。为减少对电源的干扰，可在变频器输入侧设置共模滤波器，输出侧加正弦波滤波器，以减少电磁噪声对电源的干扰，降低电机损耗发热。特别是输出侧加正弦波滤波器，还能改善输出波形，保护电机绝缘。由于目前煤矿井下采用的变频器大多是6脉动的电压型正弦波脉宽调制的变频器，其谐波主要是3次、5次谐波，特别是5次谐波比较厉害，3次谐波通过滤波器已大部分滤尽，但是5次谐波，若滤波器质量不好，则约有30%～50%谐波尚未滤掉；故若能采用正弦波滤波器，则效果将明显改善。如果线路中有敏感电子设备，可在电源线上设置电源噪声滤波器，以免传导干扰。为防止信号传输受干扰，还可在传输信号的输入端加磁环，也能滤掉干扰信号。

3.2 屏蔽

屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽，不让其电磁干扰泄漏。输出线最好用钢管屏蔽，特别是以外部信号控制变频器时，要求信号线尽可能短（一般为20m以内），且信号线采用双芯屏蔽，并与主电路及控制回路完全分离，不能放于同一配电管或线槽内，周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地。

3.3 隔离

所谓隔离是指从电路上把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。在变频调速传动系统中，通常是在电源和变频器之间采用隔离变压器以免传导干扰。电源隔离变压器可以采用噪声隔离变压器、自耦变压器、相位角相差30°的三绕组变压器或多绕组变压器。其作用有2个：（1）隔离作用，即将变频器工作内外环境隔离，既防止外来信号干扰本机工作，又不将本机产生的信号干扰其他设备工作；（2）抑制电流跳变，在回馈式四象限变频器上运用，是一个非常可靠的举措。

3.4 接地

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。在实际应用中，由于系统电源零线（中线）、地线（保护接地、系统接地）不分控制系统屏蔽接地（控制屏蔽接地和主电路导线屏蔽接地）的混合连接，大大降低了系统的稳定性和可靠性。因此，正确接地是提高变频器抑制噪声能力和减小变频器干扰的重要手段。实践证明，变频器接地导线的截面积一般应不小于2.5mm2，长度控制在20m以内，建议变频器的接地与其他动力设备接地点分开，不能共接。

3.5 从干扰途径来降低干扰影响

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