矿井变频器干扰问题的解决方案

侯彪

摘要：煤矿机电设备不同于普通的电器设备，它对设备的安全和质量等级要求很高，必须保证设备的质量问题。但是变频器干扰问题一直是困扰煤矿行业的常见问题，造成故障的原因很多，需要工程师结合理论知识和实际经验分析，最后解决问题。本文主要以某矿井变频器故障为实例，论述了如何解决变频器干扰的问题。

关键词：煤矿机电设备；变频器干扰；故障；理论知识

背景

变频调速技术以其优异的调速性能和显著的节能效果成为目前最流行的交流调速方式。逆变器系统的软启动可以减少设备和电机的机械冲击，延长设备和电机的使用寿命。变频器及其节电、高可靠性和高效率广泛应用于各行各样的等电气设备中，保证了使用的精度，降低了劳动强度，提高了经济效率，但也带来了一些干扰问题。严重的干扰会对其控制电路造成损害，对微处理器失去控制等，导致设备和生产事故。因此，工程技术人员应熟悉逆变器干扰的类型、原因及对策，以保证设备的正常运行。

具体案例说明：钻井一公司项目一部钻井队的设备是于2012年8月份投产使用的，设备在某石油机械厂验收期间就发现CAT发电机组存在突然停机问题。同时，由于发生停机的时间不确定，发生频率不高，停机后还能正常启动，没有任何异常显示，停机问题一直没能找到根本原因，后来经多次处理都没能彻底解决此项问题。

随着设备使用年限增加和电气元件老化，CAT发电机组停机评论随之增加。在正常生产时，井队由于此问题造成多次顿钻，溜钻事故，对设备造成损坏的同时影响钻井生产的顺利进行，加大了井下事故的发生频率，严重威胁人身、设备、井下安全。

1.钻井队变频器遇到具体的故障

钻井队在依深1井起井架前，变频器速度反馈使用编码器时，系统电流相对较小，就会出现CAT发电机组频繁停机情况；如果速度反馈不适用编码器，系统电流相对较大，停车频率会有所减少，但绞车同步问题就得不到保证。另外，CAT发电机组在运行时，发动机系统状态指示灯一直闪烁；停机前，仪表盘上指示进气阻力增大，转速下降停机。

2.干扰的原因分析

2.1变频器产生的干扰

变频器由主电路和控制电路两部分组成。变频器整流桥对于电网来说是一种非线性负载（开关作用），在工作的时候产生的高次谐波，这些高次谐波会对同一电网的其他电器设备产生谐波干扰。控制回路是一个小的能量和微弱的信号环，极易受到其他设备的干扰，导致逆变器本身和外围设备无法正常工作。逆变器逆变器主要采用PWM技术。在实际工作时需要高速的切换工作模式，这样就会产生大量的耦合噪声。这些噪声信号就会以各种方式进行能量的传播，形成逆变器本身和其他设备的干扰信号，这种干扰在实际的工程项目中经常出现。

2.2电网对变频器的干扰

电网的干扰主要是通过影响变频器的电源来干扰变频器。在实际工作中，电网中存在着很多谐波源，如各种整流设备、交流直流交换设备、电子调压设备、非线性负载、照明设备等。这些负载容易导致电网中的波形和电压失真，可能对电网中的其他设备造成有害干扰。在逆变器的电源被受污染的交流电网干扰后，如果未处理，电网噪声会通过电网供电线路干扰逆变器。电源对逆变器的干扰源主要表现为如下几种故障：过电压、欠压、瞬时功率损耗、大幅下降、峰值电压脉、无线电频率干扰等。其次，通过逆变器控制信号线的共模干扰也会干扰逆变器的正常工作。

在上面的式子中： f表示的是电源频率；p表示的是电机极对数；s为电机转差率；n表示的为电机转速，只要改变f，就可实现n的变化而达到无级调速的目的。当电源网络中有一个大容量的晶闸管在进行整流工作时，因为晶闸管在进行整流工作时，它的每一相位都会有一段时间处于打开状态，容易造成电压的缺口，这时候的波形会严重失真。逆变器输入端整流电路由于反向恢复电压较大而损坏，最终导致输入电路故障损坏。

3. 变频器故障分析

通过现场情况分析，造成CAT发电机组频繁停机的主要原因是变频器的电磁兼容性不好，加之多年使用后，变频器中的电气元件存在不同程度的老化，所以变频器在使用时产生大量高频有害解波，这些有害谐波对CAT发电机组上的DC24V電源产生影响，同时干扰CAT发电机组上的发动机调速信号。另外，动力电缆和控制电缆在敷设时都在同一个电缆槽内，电磁感应也会对控制系统产生一定干扰。

4. 变频调速系统的抗干扰对策

在工业领域，必须采取适当的措施减少干扰，并在允许的范围内抑制干扰。电磁干扰（EMI）的形成必须包含三个要素：电磁干扰源、电磁干扰路径和对电磁干扰敏感的系统。相应地，抗干扰有三种基本原则：一是从源头入手，抑制和消除干扰源；二是切断干扰对系统的传播路径；三是降低系统对干扰信号的灵敏度。

在工程中，屏蔽、隔离、滤波、接地等通常用于抑制干扰。

4.1屏蔽干扰源

屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效途径。通常情况下，逆变器本身由铁壳屏蔽，输出线由钢管屏蔽，以避免电磁干扰的泄漏。同时，信号线尽可能短（一般在20米），和信号线屏蔽的双核心，连接到主电路（AC380 V）和控制线（AC220 V）是完全分离的，和周围的敏感电子设备线路也必须保护，必须可靠的接地和屏蔽。

4.2进行滤波处理

滤波是通过电源线对电源和电机的传导干扰来抑制逆变器的干扰信号。滤波器是用于衰减高频谐波分量。在逆变器的输出端提供一个输出滤波器，以减少其他因素对于电源的干扰。同时也可以在逆变器的输入端可以设置一个输入滤波器，以减少来自电网的干扰。

图1 微机控制板的电源抗干扰措施

4.3设置公地线

接地线是工程上最常见的抑制干扰传播的方式。良好的接地能有效抑制外界干扰，同时也能够减少设备本身的干扰。但是电机等强电气控制系统的接地线必须进行的可靠接地，同时微机控制板的屏蔽接地应单独接地，他们不可以公用地线。对于某些严重的干扰情况，建议将传感器和I/O接口屏蔽连接到控制板的控制地面。

4.4采取隔离措施

隔离是指从电路中隔离干扰源和容易受到干扰的部分。通常，在电源和放大器电路之间的电源线上使用隔离变压器，最常用的变压器光耦隔离装置，这样可以将电信号隔离开来，可以最大程度地减少避免干扰。

5. 结语

通过此次设备改造，我们用较少的投入，有效解决了长期困扰钻井队的疑难问题，使设备可以正常运转，也避免了井下复杂事故的发生，更为人身安全、设备安全和技术安全提供了可靠保障。

参考文献：

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