变频电机启动干扰氧分析仪测量的起因及消除干扰方法探讨

兰亚志 曹皓 刘海涛

摘 要：褐煤干燥装置在对褐煤进行干燥、热解、钝化过程中，对主设备内的含氧量有极高的要求，采用YKTR-9200在线顺磁氧分析仪对主设备内环境的含氧量进行监测。但当有大型变频电机启动时，氧量分析仪的输出信号会出现大幅波动、跳变。本文试着对干扰产生的原因进行了分析，并对如何消除干扰提出了自己的看法和建议。

关键词：氧分析仪变频器信号干扰

一、工程情况简介

（一）褐煤干燥工艺简介

褐煤干燥工艺采用低阶煤转化提质技术将褐煤转化为物理化学性质相对稳定的固体燃料PMC和液体燃料PCT，将副产品煤粉压制成型。在煤干燥、热解、钝化过程中，均在无氧环境下进行，故控制及检测系统内的氧含量尤为重要。主装置内共安装有十套磁氧分析仪：干燥循环风机出口、干燥炉干燥气入口、热解炉热解气入口、电捕焦油器热解气入口。

（二）YKTR-9200在线顺磁氧分析仪表介绍

由于主装置内的气体成份复杂，含焦油、粉尘、低沸点有机物、H2S、水汽等，具有高粘度、易结晶、腐蚀性等特点，工程选用抗腐蚀、无堵塞、分析精度高的YKTR-9200在线顺磁氧分析仪。它利用氧气的体积磁化率比一般气体高，在磁场中具有极高的顺磁特性来测量气体中的含氧量。通常称为顺磁氧分析仪，原理见图1。

上图中2是限流器，能保证左右两个参比气路的对称和稳定，把流量控制在5ml/min，当参比气进入管道，如没有磁场，内部的△P=0;图中8是电磁体，通电后样品气中的氧气往电磁体处集中，电磁体附近氧浓度变大，两个气路产生压差△P，微流量传感器4测出压差，进而对应氧浓度。

二、产生干扰的原因分析

实际投运过程中发现若有大型变频电机启动，各氧分析仪同时出现无规律跳变。氧分析仪采用UPS单独供电，信号电缆、电源电缆为屏蔽电缆。变频器投入工作时，其他由UPS供电的仪表并未出现大幅度波动或者跳变，故氧分析仪电源本身的抗干扰能力较弱。通过分析，我认为是变频器启动时，其输入端的整流电路产生的谐波和射频辐射对分析仪表的电源产生干扰，导致测量值跳变。[1]

变频器工作时，其输入整流电路的阻抗随外加电压的变化而变化，导致整流所吸收的电流不是正弦波电流。单相整流器由整流桥和滑动电容器组成。一般来说，负载的电流是由一个光滑的电容器提供的。只有当正弦波的电压高于光滑电容的电压时，才会有电流流入电容和负载，因此在电压峰值时产生脉冲，这种脉冲电流含有丰富的谐波成分。

（一）整流电路产生谐波电流

整流器是典型的非线性负载，其运行过程中发出的谐波电流对供电系统的阻抗产生电压降，导致电压波类型失真，这种畸变的电压对于许多电子设备形成干扰，常见的电压畸变是正弦波的顶部变平。谐波电流一定时，电压畸变在弱电源的情况下更加严重，这种干扰的特征会对其他同源用电设备形成干扰，而与设备与变频器间的距离无关。[2]

（二）逆变电路在电源输入端产生射频干扰电流

逆变器电路是一种高速开关电路，它以脉冲方式从直流母线吸取电流，虽然这种脉冲电流大部分是由光滑电容提供的，但在输入时交流总线上仍会反射其中的一部分，即射频干扰电流。此外，逆变器电路本身也会产生电磁辐射，也会与逆变器的输入耦合。电力输入时的射频干扰电流导致电网上的射频电压，对同源用电设备形成干扰。另射频电流还会产生电磁辐射，对邻近的电子设备形成干扰，即使这些设备与变频器不同源。

（三）变频器输出电缆产生的电磁波辐射

在变频器输出电缆上传输的PWM电压含有丰富的高频元件。高频电压通过电缆的导线效应产生电磁辐射并形成放射性干扰。辐射的强度与逆变器的载波频率、脉冲的上升长度、电压的高度、电缆的长度等有关。载波频率越高，辐射越强;上升时间越短，辐射越强;电压越高，辐射越强;电缆越长，辐射越大。

区别干扰是如何从变频器耦合到受干扰设备的方法，是改变两者之间的位置，如果干扰与距离有关，说明是辐射性的干扰，否则为传导性。通过现场检验，氧分析仪测量值跳变的主要原因是由变频器整流电路产生谐波电流所致。

三、消除干扰的方法

根据以上分析，为解决此问题，只能对分析仪的电源再次进行滤波处理。滤波主要有模拟滤波、数字滤波。

（一）模拟滤波主要有三种滤波器：输入电抗器、无源滤波器、有源滤波器。

1.输入电抗器：变频器产生的谐波电流与电网的系统阻抗（以电阻表示）密切相关，电网阻抗越高，谐波电流越小。串联式反应器在逆变器的功率输入下等于电网阻抗的增加，可以降低逆变器的谐波电流。

2.无源滤波器：安装在变频器电源输入端，能够滤除变频器产生的特征谐波电流，通常能使THID<10%，甚至5%以内。无源谐波滤波器滤波效果好，成本低，可靠性高，是解决变频器谐波电流问题的理想设备。

3.有源滤波器：通过检测出变频器发出的谐波电流成份，然后向电网上注入幅度相同但是相位相反的谐波电流，使两者对消，达到消除谐波电流的目的，其THID可以小于5%，波形接近正弦波。有源滤波器效果虽好，但价格超过变频器本身，固在工程现场解决变频器谐波问题时极少采用。

（二）数字滤波

在微机控制系统的模拟输入信号中，常用数字滤波方法削弱或滤除干扰。通过计算或判断程序减少干扰信号在有用信号中的比重，实际上是一个程序滤波。为提高效果，可把两种或以上滤波功能的数字滤波器组合成复合滤波器，称多级数字滤波器。

1.数字滤波主要方法有：程序判断滤波、中值滤波、滑动算术平均值滤波、滑动加权平均值滤波、防脉冲干扰平均滤波、低通数据滤波。

2.数字滤波器优点

数字滤波器采用软件实现，不需要添加硬设备，可靠性高，稳定性好，不存在阻抗匹配问题;模拟滤波器通常用于每个信道，而数字滤波器可以在多个信道共享，降低成本;数字滤波器可以过滤非常低频率的信号（如0.01Hz），而模拟滤波器由于电容容量的限制不能太低;数字滤波器可以根据信号使用不同的过滤方法或滤波参数。[3]

四、解决方案

工程最后是采用模拟滤波，在氧分析仪的电源输入端加装一台有源滤波器解决了氧分析仪测量跳变的问题。但我们认为这并不是最理想的解决方法：如果采用模拟滤波，加装一台无源滤波器即可;若采用数字滤波，不仅节约成本，更便于维护。

五、结语

褐煤干燥装置运行时，如果不能很好的解决测量干扰的问题，将会直接影响设备、系统的正常运行，甚至造成危险，引发事故。YKTR-9200在线顺磁氧分析系统，可有效地对氧量进行检测，但实際运行中它的抗干扰能力弱，严重影响测量结果的真实性和有效性，这就需要我们在工作中采取措施加以解决。本文为解决此问题提供了一个思路，望能给大家以有益的借鉴。

参考文献

[1]郑君里，应启珩，杨为理.《信号与系统》[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2]杨艳丽，陈虹，高兴泉.《网络化时延补偿策略及其在三容系统中的应用》[J].吉林大学学报（信息科学版）.2005—23（6）.

[3]金孚安.《计算机控制系统中的数字滤波》[J].陕西经贸学院，2000—42（8）.