煤矿安全监控系统受变频器电磁干扰的原因分析(周敏).doc

煤矿安全监控系统受变频器电磁干扰的原因分析周敏(淮北市安全生产教育培训中心，安徽淮北 235000)摘要：本文对变频器工作原理及其对煤矿安全监控系统的影响，以及变频器产生干扰的原因进行了分析论述。关键词：煤矿监控系统；变频干扰；影响分析1 综述煤炭井下开采因受地质条件的限制，往往作业面距离监控中心较远。同时还存在着甲烷，巷道内还时常伴随着弥漫的煤尘，有时还有淋水、潮湿等影响。这种空间狭小、工作场所分散，且相互距离较远等恶劣的生产环境，一旦发生瓦斯爆炸、煤尘爆炸、火灾、水灾、顶板垮落等事故，都严重威胁着矿井的安全，使正常生产受到很大的影响。国家财产时刻受到威胁，而更为严重的是井下工作人员的自身安全和健康为题受到威胁。煤矿井下安装安全监控系统后，就能够将井下的安全生产状态及时传送到地面的监控中心，随时可以发现井下的生产问题和生产故障。煤矿安全领域引入这一技术，通过与企业集团内部的计算机联网，实时可以将区域内煤矿安全生产情况（特别是井下甲烷浓度），实现实时监控、远程监控和集中监控。这样也可以针对突发情况及时采取调整作业方式、停止井下生产、人员迅速撤离等措施避险。按照国家的规定，如今大多数矿井都已安装了不同类型的安全监控系统。此系统的建立，不但能为安全生产、调度指挥、科学决策提供直观、可靠的手段，而且还能够有效地控制井下甲烷灾害，遏制甲烷事故多发势头。然而，煤矿安全监控系统多是基于计算机网络的数字化监控系统，是信息产业和工业领域相结合的一门技术，也是基于计算机网络和计算机软件的技术，又是现代控制技术、数字通信技术、微电子技术的集成与发展。煤矿所用的安全监控系统，其通讯方式为基带传输和频带传输。由于在井下现场监控，需要长距离的系统传输电缆，它要与动力电缆平行设置。这样大型的机电设备频繁运行、启动和关闭，都会产生强大的电磁干扰。此电磁干扰，对采用频带传输(如FSK、PSK、PFSK，MSK等)的安全监控系统显然会带来干扰。理论分析表明，频带传输比采用时分基带传输(如RS-232C、RS-485等)就有明显的优点。在频带传输中，FSK在信息传输中其码元转换无相位突变，比较适合井下应用，它不但可有效提高系统的通信距离，而且还具有明显的抗干扰能力。在此，就电磁干扰问题进行分析与探讨。2 变频器工作原理及其对监控系统的影响1）变频器工作原理分析。由于变频技术具有控制性能优良、节能效果显著、调节方便、维护简单、启动平稳、安全等特点，因此被广泛的应用。如今变频调速技术已被煤矿井上下生产系统普遍采用。煤矿低压变频器变频多数是通过控制IGBT(绝缘栅双极型电力场效应管)的导通和关断，输出频率连续可调的，且随着频率的变化，输出电流、电压变化及功率变化。根据转速同功率间的比例关系，最终可实现调整电源输入功率，达到节电的目的。变频器是通过将多个低压功率单元的输出电压叠加，从而得到中高电压（见图1(a)的变频器原理框图）。三相交流电源经过整流器整流，变成可控制的直流电压，然后通过中心控制器CPU，控制逆变器，将支流电压转变成电压幅值和频率都可调节的交流电输出。这中间过程的频率、电流、电压检测信号送给CPU，经过各种信号的反馈，由中央控制器实现变频器内部的自动控制，并调节输出电压幅值和频率。同时通过一旁路电源直接供给(变频器出现故障时退出变频状态切人工频电网运行)。再一路进入变频系统，通过整流变压器二次侧输出，共提供l5个副边分别供给15个功率单元。其中每相上有5个功率单元可提供正负各5个电压等级，每个功率单元占有总功率的1/15。整流变压器次级供电的三相二极管整流器将支流电容器充电至比交流值稍高的直流，该直流电压提供给由IGBT管子组成的桥式逆变电路。在任意时刻每个单元只有3种可能电压输出。若Q1和Q4同时导通，输出正常支流电压；若Q2和Q3同时导通，则输出相对负电压；若Q1和Q3或Q2和Q4同时导通，输出电压则为0V（见图1(b)）。2）变频器对监控系统的影响分析。实际上变频器就是一个干扰源，存在对监控系统的影响，会对通讯和安全监控系统带来很大的危害。变频器调试运行时，因绞车频繁停启，此处的监控系统出现非正常大状态，会导致误断电动作等现象，影响正常生产。主要表现：数据采集误差加大；监控状态失灵；数据受干扰发生变化；变频器电磁干扰频谱较宽。像绞车变频器和水泵、钻机启动时产生较大的对外线路感应浪涌信号，工作面风巷探头都受到影响，而其中钻机启动时对探头影响最大。有时两项同时启动时产生的强烈信号干扰，还会导致探头出现误报警。3 变频器产生干扰的原因分析1）变频器输入侧产生谐波机理分析。变频器在电源侧有整流回路的，都会产生因非线性引起的谐波。而在三相桥式整流回路中，输入电流的波形则为矩形波，其波形按傅立叶级数可分解为基波和各次谐波，通常含6n+1(n=1，2，3)次谐波，而其中的高次谐波会干扰输入供电系统等。2）变频器输出侧产生谐波机理分析。变频器的逆变输出回路中，其输出电压和电流均有谐波产生。它的输出电压波形为矩形波，可用傅立叶级数不难分析出电压方波及电流正弦锯齿波各次谐波的含量。因此，输出回路电流信号也可分解为含有正弦波的基波与其它各次谐波，而高次谐波电流则对负载直接造成干扰。高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰邻近的电气设备。原因是因为变频器中普遍使用了晶闸管或整流二极管等非线性整流器件，产生的谐波对电网也产生传导干扰，并影响到电网的供电质量；变频器输出部分一般采用IGBT等开关器件，在输出能量的同时，也在输出线上产生较强的电磁辐射干扰，影响周边电器的正常工作。另外，变频器动力电缆与信号电缆由于平行敷设，也非常容易产生耦合等。这不仅在变频过程中产生大剂量的频率辐射，而且会影响所使用的整个供电系统，使所处在该系统的电器设备的电源都受到污染。由于变频器工作为050Hz交-交变频，载波频率为50016000Hz，低频端正好与安全监控系统所使用的2001000Hz的频段部分叠加，这样通过电话线、电缆等各种途径就会窜入监控系统中形成频率叠加，从而变为失真的瓦斯信号输出，所产生的强磁干扰也直接导致了监测信号的失准。出现这种干扰时，安全监控系统就会大面积的高值报警、断电异常现象，造成瓦斯频繁超限断电。总之，出现电磁干扰时，从地面监控机房调取瓦斯曲线观察也不难发现，功率较大的变频设备开启电源时，原纯净的瓦斯曲线立刻变成了密集毛刺形不规则曲线，会误认为瓦斯浓度升高，其实是产生的强磁干扰直接导致了监测信号的失准，形成高报断电。同时变频器动力电缆与信号电缆平行敷设，也容易产生耦合等。传导骚扰可以通过电源线、信号线、互连线、接地导体等进行耦合。如今从分站到地面中心站大部分采用工业以太环网光纤传输线传输信号，可有效地避免变频设备的干扰。然而从传感器到分站的信号传输方式，绝大多数都使用2001000频率脉冲方式，分站单片机采用计数方式采集信号，该方式在原理上就存在缺陷。上千伏的瞬变脉冲信号叠加到信号线上，单片机也无法识别干扰与信号，立刻会出现数字错乱、误报警等现象，使安全监控系统信号的数据发生瞬态变化，增大误差，出现假象，甚至使整个系统出现异常信号而引起故障并使被控开关误动作。变频器干扰安全监控系统(如瓦斯信号)时，突出表现是：瓦斯传感器现场采集的实际数值没有超过安全警戒数值，因窜入干扰信号，使监测数据信号在接收端接收到不确定的干扰信号，其数据就不全是实际监测到的数据信号(可能误码)，数据发生较大变化（大或小）。若大，通过分站接受的数值可能超过安全警戒数值，并传入安全监控系统，分站对工作地点所控制的电器设备发出控制断电指令，并进行断电，使系统判断失灵，以至造成误动作，并影响到正常的安全生产工作。4 结束语分析变频器的工作原理，可知产生电磁干扰的原因，进而可知安全监控系统受电磁干扰的原因所在，关键就是输入侧和输出侧产生的谐波信号。弄清影响的原因，做好针对性预防、控制监控，即可消除此抗干扰，保证监控系统的能够安全可靠的运行。参考文献1杨慰民，毕光国.基于自适应小波包变换的直接序列扩频通信窄带干扰抑制技术J.通信学报，1999，20(7)：69-75.2张伟，姚天任.DSSS中的窄带干扰抑制技术J.通信技术，2002，(9)：24-26.3沈