变频器运用对煤矿安全监控系统的影响及干扰

罗正时++郭凤岐++路鹏

摘 要：该文简单介绍了变频器的工作原理。详细介绍了变频器运行时对安全监控系统的影响及干扰源产生的原因，以及高次谐波的危害，并提出了消除和抑制干扰源的解决办法，并在实际运行中得到了验证。

关键词：变频器 监控系统 干扰源 谐波危害 抑制干扰

中图分类号：TD76 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）10（c）-0035-03

Effect and Interference of Frequency Converter Drive on the Safety Monitoring System of Coal Mine

Luo Zhengshi Guo Fengqi Lu Peng

（Tiefa energy limited liability company， Diaobingshan Liaoning， 112700， China）

Abstract：This article simply introduces the working principle of the inverter. Inverter running on the safety monitoring system is introduced and the influence of the causes of interference sources， As well as the harm of high harmonics， And proposed the elimination and suppress interference sources in the solution， And verified in the actual operation.

Key Words：Frequency converter； Monitor and control system； Interference sources； Harmonic wave； Barrage jamming

随着变频器件的日益成熟，变频开关的使用逐渐增多，井下的绞车和局部通风机、地面主通风机和瓦斯抽采泵都使用了变频装置，由于井下的空间狭小且供电系统集中，掘进工作面局部通风机变频器和安全监控系统分站都在一个配电点，变频器所在位置有监控系统分站及通讯电缆，当变频器运行时，会有一定的影响。

晓南矿使用的是KJ2000N安全监控系统，该矿掘进工作面使用了变频器，变频器变频时，该掘进工作面的甲烷传感器会偶尔会出现高值以及误断电等现象，影响了工作面的正常做业，得到了领导的重视。

1 影响安全监控系统不稳定原因分析

晓南矿井下南翼东1415运顺掘进工作面安装一台变频无极绳绞车，当绞车开动时，工作面甲烷传感器出现高值，造成掘进工作面断电，同时绞车電源也取至工作面动力电源，导致绞车断电，极易发生跑车及其他安全事故，对井下的安全管理造成了很大隐患（见图1）。

铁煤集团各矿井近年来安装了很多矿用变频设备，变频设备安装运行后，矿井安全监控系统出现瓦斯传感器频繁高值等异常现象，从地面监控中心站调取甲烷曲线观察，当井下变频设备开启电源时，原来比较纯净的甲烷曲线变成了毛刺型不规则曲线并且其甲烷浓度升高0.25%，可以断定安全监控系统传输异常是由井下变频设备运行所致。

在工业中所使用的大部分电机均为感应式交流电机，感应式交流电机的旋转速度取决于电机的极数和电源频率，电机的极数是固定不变的，极数为2的倍数，如2、4、6等，所以一般不适合通过改变该值来调整电机的转速。但是，频率能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的转速就可以被自由控制。因此，调整电动机供电电源的频率就可以控制交流电动机的转速，变频调速是交流电动机调速的优选技术。

n=60 （1）

式中，n为转数；f为电源频率，Hz；p为电动机的极数。

变频主要是通过控制IGBT导通和关断，输出频率连续可调，再根据转速和功率之间的比例关系最终可以实现调整电源输入功率，达到节约电能的目的，电路原理主要包括整流器、中间直流环节、逆变器，把三相交流电源整流，变成直流，然后通过CPU控制PWM逆变器，把直流电压转变成电压幅值、频率均可以调整的交流电，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之后输送到负荷侧。由于脉冲调制形式使得变频器运行时在电源侧产生高次谐波电流，并造成电压波形畸变，对附近的电源和通讯设备会产生干扰[1-3]，变频器示意图见图2。

2 干扰源分析

变频调速可以自由调整转速，节约电能，在各矿得到了广泛使用，但是也遇到了一些问题，变频系统对附近的安全监控系统存在着干扰现象，经常出现误报警，最明显的是：当井下变频绞车运行时，附近的甲烷传感器多次出现瞬间报警的现象，瓦检员检查该地点的瓦斯浓度却很低，当变频绞车停止运行甲烷传感器又恢复正常。经过查找原因，传感器瞬间误报警是因为交流变频器工作时产生的高次谐波干扰附近的监测系统，同时井下变频局部通风机的大量使用也干扰了安全监控系统的数据传输。

监控系统井下电缆传输部分大致分为两部分：一是传感器至分站，另一个是分站至光纤交换机，光纤传输部分不会受到干扰，传感器至分站是200～1 000 Hz频率信号，分站至交换机是CAN总线；晓南矿使用的是KJ2000N安全监控系统，该系统的工作面传感器至风机配电点的分站信号传输方式是200～1 000 Hz频率信号，而频率信号容易受到干扰，另外干扰源也会从安全监控系统的分站电源部分窜入[4-5]。

2.1 干扰原理

电磁干扰的路径分电源干扰（干扰电流通过电源窜入）、感应耦合（通过信号通道窜入）、电磁辐射（通过电磁波辐射窜入），变频也就是通过这3种路径干扰了安全监控系统的信号传输。

对于任意一复合周期振动函数按傅氏级数分解：第一项称均值或直流分量，第二项为基波或基本振动，第三项称二次谐波，依次类推把二次谐波以后的统称为高次谐波，如图3所示。

2.2 高次谐波的危害

变频器能产生功率较大的谐波，由于功率较大，对其他设备干扰性较强，其干扰路径与一般电磁干扰路径是一致的。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他设备；最后，变频器对相邻的其他线路产生感应，感应出干扰电压或电流。

谐波对公用电网和其他电子设备的危害大致有以下几个方面。（1）使同母线电网中的电气设备产生附加的谐波损耗，降低设备的效率，使变压器等设备局部过热，绝缘老化、寿命缩短。（2）引起公共电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，甚至引起严重事故。（3）导致继电保护和自动装置的误动作，会使测量仪表不准确。（4）对附近的通信系统产生干扰，降低通信质量，严重时导致数据丢失，使通信系统无法正常工作[6]。

3 解决方案

为防止干扰，可从安全监控系统和变频器两个方面入手。安全监控系统防止干扰的原则就是要消除或抑制干扰源，切断干扰的耦合通道或降低系统干扰信号的敏感性。变频器也可以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。

3.1 监控系统解决方法

（1）主通訊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，主通讯电缆远离变频器电缆，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。

（2）监控分站供电电源与变频器电源分开不在同一供电回路内，分站尽可能远离变频器，分站严格接地。

（3）部分经过变频器的传感器电缆更换屏蔽电缆并单独占用走线槽，远离变频器供电电缆线路。

3.2 变频装置的解决方法

治理谐波的方法主要有两种方法：无源滤波装置和有源滤波装置。它们可以和无功补偿柜结合起来使用，也可以相互之间结合起来使用。所以治理谐波是按负载实际情况，考虑经济实惠，采取灵活的配置方法来治理谐波。

（1）无源滤波，由电容器、电抗器和电阻器配合组成，与谐波源并联，对某次特定频率的谐波起到吸收和滤除作用，还可以做无功补偿，属于被动型的谐波治理装置。

（2）有源滤波，用于动态抑制谐波，可以补偿无功的电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波及变化的无功进行补偿，克服了无源滤波抑制方法的缺点，是一种主动型的控制装置。

以上两种方法需要生产厂家研发生产，对于使用者而言是无法做到的，随着科技的发展各种变频器装置也越来越完善，所以我们做了以下几点工作，尽量降低变频器的影响。

（1）变频器与安全监控设备的接地分开。（2）更换变频器供电电缆，采用屏蔽电缆，同时采用线缆分开，变频器供电电缆尽量单独布置。（3）采用变压器隔离，采用单独隔离变压器作为变频器供电电源与其他设备隔离[7-8]。采取上述措施之后，该矿的井下变频器仍同以前一样频繁运行，但监控系统运行稳定基本没有出现非正常高值现象，也没有出现非正常高值导致的误断电动作，系统基本没有再出现过干扰，安全监控系统运行良好。

4 结语

通过对煤矿安全监控系统不稳定影响因素，阐述了变频器运行时对安全监控系统的影响及干扰源产生的原因，并论述了高次谐波的危害，提出了消除和抑制干扰源的相应解决办法。通过在实际矿井中运行表明：监控系统运行稳定，基本没有出现非正常高值现象，也没有出现非正常高值导致的误断电动作，系统也基本没有再出现过干扰，安全监控系统运行良好。

参考文献

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[3] 陈国呈.PWM变频调速技术[M].北京：机械工业出版社，1999.

[4] 李荣正，刘启中，陈学军.PIC单片机原理及应用[M].北京航空航天大学出版社，2006.

[5] 鄢涛，杜小丹，刘永红.基于RS485的数据通信协议的设计与实现[J].电子设计工程，2013（17）：19-22.

[6] 程杰.解决ZJT系列变频绞车对安全监控系统干扰的几点做法[J].矿业安全与环保，2006，33（3）：43-44.

[7] 肖长亮，刘有哲，李承东，等.矿用变频器对监控系统影响的解决方案[J].煤矿安全，2008（4）：89-91.

[8] MT/T1008–2006，煤矿安全生产监控系统软件通用技术要求[S].