矿用变频器对监控系统影响的解决方案

1、矿用变频器对监控系统影响的解决方案摘 要：简单介绍了KJ95N监控系统的原理及矿用变频器的工作原理。详细介绍了变频器系统运行时安全监控系统的影响及干扰源产生的原因，提出了解决干扰源的方案，并在实际运行中得到了验证。目前国内煤矿所用安全监控系统的通讯方式为基带传输和频带传输。由于在煤矿现场，长距离的系统传输电缆普遍与井下动力电缆平行设臵，大型机电设备频繁运行、启动和关闭会产生强大的电磁干扰，因此，采用频带传输(如FSK、PSK、：PFSK、MSK等)。理论分析表明，比采用时分基带传输(如RS-232、RS-485、20mA电源环型、叉分移相等)有明显的优点。在频带传输中，FSK在信息传输中其码元

2、转换无相位突变，最适合煤矿井下应用，它不但可有效提高系统的通信距离，还具有明显的抗干扰能力。同时随着变频调速技术的日益成熟与能源节约要求的必然趋势，煤矿企业越来越多采用了矿用变频器件。其中基于煤矿应用的变频调速电控系统具有控制性能优良、操作简便、运行效率高、维护工作量小等诸多优点，更多的被采纳。但由于变频器本身就是一个干扰源，所以存在对监控系统的影响。1 问题的提出郑煤集团XXXX矿在2011年就安装了一套KJ95N型矿井安全生产综合监控系统。一直以来运行都很稳定，发挥了良好作用。但自从在安装了低压矿用变频绞车(变频绞车所在位臵与监控系统主信号传输电缆、监控室；采用同一条供电线路；并且绞车房与

3、调度室相邻)后。其初绞车没有运行，没有发现有影响现象。但在变频器调试后运行时，由于变频绞车频繁停启，监控系统出现在绞车高频运行时，监控系统全部中断，极大的影响了矿井正常生产。2 监控系统简介KJ95N矿井安全生产综合监控系统通过数据通讯接口装臵将地面中心站微机输送来的传输速率为2400的RS-232C标准时分基带串行通信信号调制成传输速率为1200bit/s正弦交流信号形式的FSK移频键控信号(数字0调制成2030Hz，数字1调制成1730Hz)，向井下各分站发送；将井下各分站以正弦交流信号发送来的1200的FSK移频键控信号数据，解调成符合IEEE标准的RS-232C信号，以2400bit/

4、s传送给中心站微机。FSK即移频键控是一种频率调制，它是通过载波频率的变化来传输数字信号的。用不同频率的载波来传递数字消息的。传“0”信号时，发送频率为f1的载波；传“1”信号时，发送频率为f2的载波。抗噪声与抗衰减的性能较好。其基本原理是：如果数字编码信号为，载波信号分别为为 ，则FSK调制信号图1所示。FSK的调制解调波形如下图1 FSK调制与解调原理3 变频器简介目前国内应用于煤矿的矿用低压变频器变频是通过控制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，而且随着频率的变化，输出电流、电压变化及功率变化。在根据转速同功率之间的比例关系最终可以实现调整电源输入功率，达

5、到节约电能的目的。矿上采用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。低压功率单元是标准低压PWM(脉宽调制)电动机变频器。图2是变频器原理框图。图2 变频器原理图三相交流电源经过整流器整流后变成方便控制的直流电压，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以调节的交流电输出。而这其中频率、电流、电压检测的信号再送给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。工频电经过控制开关到达用户侧。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

6、二次侧输出，共提供15个副边分别供给15个功率单元。其中每相上有5个功率单元可以提供正负各5个电压等级，每个功率单元占有总功率的十五分之一。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。并且在任意时刻，每个单元只有3种可能电压输出。如果Q1和Q4同时导通，那么将输出正常支流电压。如果Q2和Q3同时导通，则输出相对负电压。如果Q1和Q3又或者Q2和Q4同时导通那么输出电压则为0V。如图3所示。图3 变频器单元图4 干扰源分析4.1监控系统监控系统本身是有模拟量传感器，开关量传感器，传感器传输电缆，监控分站，主传输电缆，

7、数据通信接口装臵，外接电源等设备组成。其自身不存在这种现象的干扰，加之以前运行良好，又更换了同样的其他同类设备，但问题依然存在，所以工作人员排除了系统自身干扰问题。4.2 变频绞车众所周知，变频绞车主要组成部分就是变频器，而变频器本身就是一个干扰源。变频器由主回路和控制回路两大部分组成，变频器主回路主要由整流电路，逆变电路，控制电路组成，其中整流电路和逆变电路由电力电子器件组成，电力、电子器件具有非线性特性，当变频器运行时，变频器的逆变器采用PWM技术它要进行快速开关动作，因而产生高次谐波，当工作于开关模式且作高速切换时，产生大量耦合性噪声，这样变频器输出波形除基波外还含有大量高次谐波。另外，

8、变频器的整流桥对电网来说是非线性负载，它所产生的谐波对同一电网的其它电子、电气设备产生谐波干扰。因此变频器的输入和输出电流中，都含有很多高次谐波成分。除了能构成电源无功损耗的较低次谐波外，还有许多频率很高的谐波成分。它们将以各种方式把自己的能量传播出去，形成对其它电子、电气设备的干扰信号。4.3 干扰信号的传播方式变频器能产生功率较大的谐波，由于功率较大，对系统其它设备干扰性较强，其干扰途径与一般电磁干扰途径是一致的，主要分传导(即电路耦合)、电磁辐射、感应耦合。具体为：首先对周围的电子、电气设备产生电磁辐射；其次产生电磁噪声；并传导干扰到电源，通过配电网络传导给系统其它设备；最后变频器对相邻

9、的其它线路产生感应耦合，感应出干扰电压或电流。(1)电路耦合方式。由于输入电流为非正弦波，当变频器的容量较大时，将使网络电压产生畸变，影响其他设备工作，这是变频器输入电流干扰信号的主要传播方式。(2)感应耦合方式。当变频器的输入电路或输出电路与其他设备的电路挨得很近时，变频器的高次谐波信号将通过感应的方式耦合到其他设备中去。特别信号线靠近有干扰源电流的导线时，干扰会被诱导到信号线上，使信号线上的信号受到干扰。综上分析，基本认定为变频器工作干扰监控系统正常工作。干扰主要从传感器电缆到达监控分站；同时也有可能从分站电源处进入干扰；以及主通信电缆通讯，监控室，监控室电源被强磁干扰。从而产生系统在绞车

10、高频运行时中断。5 解决方案为防止干扰，可从监控系统和变频器绞车两个方面入手，监控系统可分为硬件和软件两种途径。硬件抗干扰的原则就是要抑制和消除干扰源，切断干扰的耦合通道和降低系统干扰信号的敏感性。软件抗干扰的原则是滤掉非正常中断。变频器绞车也通过上述方法进行减少和削弱干扰源的发出。因此，可以采取隔离、滤波、屏蔽、接地等措施，将干扰抑制在系统可以承受或相关标准允许的范围内。5.1 监控系统解决方案(1)监控系统软件采用更合理的系统敏感性，但要符合国家标准AQ62012007(2)主通讯电缆更换采用屏蔽双绞线电缆，干扰源附近两端严格接地；同时采用动力电缆、控制电缆以及信号电缆分开走线，主通讯电缆

11、远离变频器及其电缆吊挂；在有限的空间内保持一定间隔，尽量增大干扰源与受扰电路间的距离。最后受条件限制不能分开的尽可能采用垂直于变频器电缆的方式走线。(3)监控中心站供电电源与变频器电源分开不在同一供电回路内，且尽可能远离变频器。中心站内另外增加屏蔽，同内接地相连；中心站内外接地严格接地。(4)部分经过变频器的监控电缆更换屏蔽电缆并单独占用走线槽。远离变频器及其供电电缆线路。5.2 变频绞车解决方案(1)接地分开。接地线共用是干扰信号传播的最普遍的方式。将动力线的接地与控制线的接地线分开是切断这一途径的根本方法，即将动力装臵的接地端子接到地线上，将控制装臵的接地端子接到该装臵的金属外壳上。(2)更换变频器供电电缆。采用屏蔽电缆，两端严格接地；同时