礦用變頻器對監(jiān)控系統(tǒng)影響的解決方案

1、礦用變頻器對監(jiān)控系統(tǒng)影響的解決方案摘 要：簡單介紹了KJ95N監(jiān)控系統(tǒng)的原理及礦用變頻器的工作原理。詳細介紹了變頻器系統(tǒng)運行時安全監(jiān)控系統(tǒng)的影響及干擾源產生的原因，提出了解決干擾源的方案，并在實際運行中得到了驗證。目前國內煤礦所用安全監(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臵，大型機電設備頻繁運行、啟動和關閉會產生強大的電磁干擾，因此，采用頻帶傳輸(如FSK、PSK、：PFSK、MSK等)。理論分析表明，比采用時分基帶傳輸(如RS-232、RS-485、20mA電源環(huán)型、叉分移相等)有明顯的優(yōu)點。在頻帶傳輸中，F(xiàn)SK在信息傳輸中其碼元

2、轉換無相位突變，最適合煤礦井下應用，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。同時隨著變頻調速技術的日益成熟與能源節(jié)約要求的必然趨勢，煤礦企業(yè)越來越多采用了礦用變頻器件。其中基于煤礦應用的變頻調速電控系統(tǒng)具有控制性能優(yōu)良、操作簡便、運行效率高、維護工作量小等諸多優(yōu)點，更多的被采納。但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。1 問題的提出鄭煤集團XXXX礦在2011年就安裝了一套KJ95N型礦井安全生產綜合監(jiān)控系統(tǒng)。一直以來運行都很穩(wěn)定，發(fā)揮了良好作用。但自從在安裝了低壓礦用變頻絞車(變頻絞車所在位臵與監(jiān)控系統(tǒng)主信號傳輸電纜、監(jiān)控室；采用同一條供電線路；并且絞車房與

3、調度室相鄰)后。其初絞車沒有運行，沒有發(fā)現(xiàn)有影響現(xiàn)象。但在變頻器調試后運行時，由于變頻絞車頻繁停啟，監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)在絞車高頻運行時，監(jiān)控系統(tǒng)全部中斷，極大的影響了礦井正常生產。2 監(jiān)控系統(tǒng)簡介KJ95N礦井安全生產綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)通訊接口裝臵將地面中心站微機輸送來的傳輸速率為2400的RS-232C標準時分基帶串行通信信號調制成傳輸速率為1200bit/s正弦交流信號形式的FSK移頻鍵控信號(數(shù)字0調制成2030Hz，數(shù)字1調制成1730Hz)，向井下各分站發(fā)送；將井下各分站以正弦交流信號發(fā)送來的1200的FSK移頻鍵控信號數(shù)據(jù)，解調成符合IEEE標準的RS-232C信號，以2400bit/

4、s傳送給中心站微機。FSK即移頻鍵控是一種頻率調制，它是通過載波頻率的變化來傳輸數(shù)字信號的。用不同頻率的載波來傳遞數(shù)字消息的。傳“0”信號時，發(fā)送頻率為f1的載波；傳“1”信號時，發(fā)送頻率為f2的載波。抗噪聲與抗衰減的性能較好。其基本原理是：如果數(shù)字編碼信號為，載波信號分別為為 ，則FSK調制信號圖1所示。FSK的調制解調波形如下圖1 FSK調制與解調原理3 變頻器簡介目前國內應用于煤礦的礦用低壓變頻器變頻是通過控制IGBT(絕緣柵雙極型電力場效應管)的導通和關斷，輸出頻率連續(xù)可調，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)轉速同功率之間的比例關系最終可以實現(xiàn)調整電源輸入功率，達

5、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。低壓功率單元是標準低壓PWM(脈寬調制)電動機變頻器。圖2是變頻器原理框圖。圖2 變頻器原理圖三相交流電源經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，將支流電壓轉變成電壓幅值和頻率都可以調節(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，經過各種信號的反饋，由中央控制器實現(xiàn)變頻器內部的自動控制。并調節(jié)輸出電壓幅值和頻率。工頻電經過控制開關到達用戶側。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)切人工頻電網運行)。再一路進入變頻系統(tǒng)，通過整流變壓器

6、二次側輸出，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同時導通，那么將輸出正常支流電壓。如果Q2和Q3同時導通，則輸出相對負電壓。如果Q1和Q3又或者Q2和Q4同時導通那么輸出電壓則為0V。如圖3所示。圖3 變頻器單元圖4 干擾源分析4.1監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)本身是有模擬量傳感器，開關量傳感器，傳感器傳輸電纜，監(jiān)控分站，主傳輸電纜，

7、數(shù)據(jù)通信接口裝臵，外接電源等設備組成。其自身不存在這種現(xiàn)象的干擾，加之以前運行良好，又更換了同樣的其他同類設備，但問題依然存在，所以工作人員排除了系統(tǒng)自身干擾問題。4.2 變頻絞車眾所周知，變頻絞車主要組成部分就是變頻器，而變頻器本身就是一個干擾源。變頻器由主回路和控制回路兩大部分組成，變頻器主回路主要由整流電路，逆變電路，控制電路組成，其中整流電路和逆變電路由電力電子器件組成，電力、電子器件具有非線性特性，當變頻器運行時，變頻器的逆變器采用PWM技術它要進行快速開關動作，因而產生高次諧波，當工作于開關模式且作高速切換時，產生大量耦合性噪聲，這樣變頻器輸出波形除基波外還含有大量高次諧波。另外，

8、變頻器的整流橋對電網來說是非線性負載，它所產生的諧波對同一電網的其它電子、電氣設備產生諧波干擾。因此變頻器的輸入和輸出電流中，都含有很多高次諧波成分。除了能構成電源無功損耗的較低次諧波外，還有許多頻率很高的諧波成分。它們將以各種方式把自己的能量傳播出去，形成對其它電子、電氣設備的干擾信號。4.3 干擾信號的傳播方式變頻器能產生功率較大的諧波，由于功率較大，對系統(tǒng)其它設備干擾性較強，其干擾途徑與一般電磁干擾途徑是一致的，主要分傳導(即電路耦合)、電磁輻射、感應耦合。具體為：首先對周圍的電子、電氣設備產生電磁輻射；其次產生電磁噪聲；并傳導干擾到電源，通過配電網絡傳導給系統(tǒng)其它設備；最后變頻器對相鄰

9、的其它線路產生感應耦合，感應出干擾電壓或電流。(1)電路耦合方式。由于輸入電流為非正弦波，當變頻器的容量較大時，將使網絡電壓產生畸變，影響其他設備工作，這是變頻器輸入電流干擾信號的主要傳播方式。(2)感應耦合方式。當變頻器的輸入電路或輸出電路與其他設備的電路挨得很近時，變頻器的高次諧波信號將通過感應的方式耦合到其他設備中去。特別信號線靠近有干擾源電流的導線時，干擾會被誘導到信號線上，使信號線上的信號受到干擾。綜上分析，基本認定為變頻器工作干擾監(jiān)控系統(tǒng)正常工作。干擾主要從傳感器電纜到達監(jiān)控分站；同時也有可能從分站電源處進入干擾；以及主通信電纜通訊，監(jiān)控室，監(jiān)控室電源被強磁干擾。從而產生系統(tǒng)在絞車

10、高頻運行時中斷。5 解決方案為防止干擾，可從監(jiān)控系統(tǒng)和變頻器絞車兩個方面入手，監(jiān)控系統(tǒng)可分為硬件和軟件兩種途徑。硬件抗干擾的原則就是要抑制和消除干擾源，切斷干擾的耦合通道和降低系統(tǒng)干擾信號的敏感性。軟件抗干擾的原則是濾掉非正常中斷。變頻器絞車也通過上述方法進行減少和削弱干擾源的發(fā)出。因此，可以采取隔離、濾波、屏蔽、接地等措施，將干擾抑制在系統(tǒng)可以承受或相關標準允許的范圍內。5.1 監(jiān)控系統(tǒng)解決方案(1)監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用更合理的系統(tǒng)敏感性，但要符合國家標準AQ62012007(2)主通訊電纜更換采用屏蔽雙絞線電纜，干擾源附近兩端嚴格接地；同時采用動力電纜、控制電纜以及信號電纜分開走線，主通訊電纜

11、遠離變頻器及其電纜吊掛；在有限的空間內保持一定間隔，盡量增大干擾源與受擾電路間的距離。最后受條件限制不能分開的盡可能采用垂直于變頻器電纜的方式走線。(3)監(jiān)控中心站供電電源與變頻器電源分開不在同一供電回路內，且盡可能遠離變頻器。中心站內另外增加屏蔽，同內接地相連；中心站內外接地嚴格接地。(4)部分經過變頻器的監(jiān)控電纜更換屏蔽電纜并單獨占用走線槽。遠離變頻器及其供電電纜線路。5.2 變頻絞車解決方案(1)接地分開。接地線共用是干擾信號傳播的最普遍的方式。將動力線的接地與控制線的接地線分開是切斷這一途徑的根本方法，即將動力裝臵的接地端子接到地線上，將控制裝臵的接地端子接到該裝臵的金屬外殼上。(2)更換變頻器供電電纜。采用屏蔽電纜，兩端嚴格接地；同時