煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)受變頻器電磁干擾的原因分析周敏

1、煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)受變頻器電磁干擾的原因分析周敏(淮北市安全生產(chǎn)教育培訓(xùn)中心，安徽淮北 235000)摘要：本文對(duì)變頻器工作原理及其對(duì)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的影響，以及變頻器產(chǎn)生干擾的原因進(jìn)行了分析論述。關(guān)鍵詞：煤礦監(jiān)控系統(tǒng)；變頻干擾；影響分析1 綜述煤炭井下開采因受地質(zhì)條件的限制，往往作業(yè)面距離監(jiān)控中心較遠(yuǎn)。同時(shí)還存在著甲烷，巷道內(nèi)還時(shí)常伴隨著彌漫的煤塵，有時(shí)還有淋水、潮濕等影響。這種空間狹小、工作場(chǎng)所分散，且相互距離較遠(yuǎn)等惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，一旦發(fā)生瓦斯爆炸、煤塵爆炸、火災(zāi)、水災(zāi)、頂板垮落等事故，都嚴(yán)重威脅著礦井的安全，使正常生產(chǎn)受到很大的影響。國家財(cái)產(chǎn)時(shí)刻受到威脅，而更為嚴(yán)重的是井下工作人員的自身安

2、全和健康為題受到威脅。煤礦井下安裝安全監(jiān)控系統(tǒng)后，就能夠?qū)⒕碌陌踩a(chǎn)狀態(tài)及時(shí)傳送到地面的監(jiān)控中心，隨時(shí)可以發(fā)現(xiàn)井下的生產(chǎn)問題和生產(chǎn)故障。煤礦安全領(lǐng)域引入這一技術(shù)，通過與企業(yè)集團(tuán)內(nèi)部的計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)時(shí)可以將區(qū)域內(nèi)煤礦安全生產(chǎn)情況（特別是井下甲烷濃度），實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控和集中監(jiān)控。這樣也可以針對(duì)突發(fā)情況及時(shí)采取調(diào)整作業(yè)方式、停止井下生產(chǎn)、人員迅速撤離等措施避險(xiǎn)。按照國家的規(guī)定，如今大多數(shù)礦井都已安裝了不同類型的安全監(jiān)控系統(tǒng)。此系統(tǒng)的建立，不但能為安全生產(chǎn)、調(diào)度指揮、科學(xué)決策提供直觀、可靠的手段，而且還能夠有效地控制井下甲烷災(zāi)害，遏制甲烷事故多發(fā)勢(shì)頭。然而，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)多是基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)

3、絡(luò)的數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，是信息產(chǎn)業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域相結(jié)合的一門技術(shù)，也是基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)軟件的技術(shù)，又是現(xiàn)代控制技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)、微電子技術(shù)的集成與發(fā)展。煤礦所用的安全監(jiān)控系統(tǒng)，其通訊方式為基帶傳輸和頻帶傳輸。由于在井下現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，需要長(zhǎng)距離的系統(tǒng)傳輸電纜，它要與動(dòng)力電纜平行設(shè)置。這樣大型的機(jī)電設(shè)備頻繁運(yùn)行、啟動(dòng)和關(guān)閉，都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁干擾。此電磁干擾，對(duì)采用頻帶傳輸(如FSK、PSK、PFSK，MSK等)的安全監(jiān)控系統(tǒng)顯然會(huì)帶來干擾。理論分析表明，頻帶傳輸比采用時(shí)分基帶傳輸(如RS-232C、RS-485等)就有明顯的優(yōu)點(diǎn)。在頻帶傳輸中，F(xiàn)SK在信息傳輸中其碼元轉(zhuǎn)換無相位突變，比較適合井下應(yīng)用

4、，它不但可有效提高系統(tǒng)的通信距離，而且還具有明顯的抗干擾能力。在此，就電磁干擾問題進(jìn)行分析與探討。2 變頻器工作原理及其對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的影響1）變頻器工作原理分析。由于變頻技術(shù)具有控制性能優(yōu)良、節(jié)能效果顯著、調(diào)節(jié)方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、啟動(dòng)平穩(wěn)、安全等特點(diǎn)，因此被廣泛的應(yīng)用。如今變頻調(diào)速技術(shù)已被煤礦井上下生產(chǎn)系統(tǒng)普遍采用。煤礦低壓變頻器變頻多數(shù)是通過控制IGBT(絕緣柵雙極型電力場(chǎng)效應(yīng)管)的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出頻率連續(xù)可調(diào)的，且隨著頻率的變化，輸出電流、電壓變化及功率變化。根據(jù)轉(zhuǎn)速同功率間的比例關(guān)系，最終可實(shí)現(xiàn)調(diào)整電源輸入功率，達(dá)到節(jié)電的目的。變頻器是通過將多個(gè)低壓功率單元的輸出電壓疊加，從而得到中高電壓（見

5、圖1(a)的變頻器原理框圖）。三相交流電源經(jīng)過整流器整流，變成可控制的直流電壓，然后通過中心控制器CPU，控制逆變器，將支流電壓轉(zhuǎn)變成電壓幅值和頻率都可調(diào)節(jié)的交流電輸出。這中間過程的頻率、電流、電壓檢測(cè)信號(hào)送給CPU，經(jīng)過各種信號(hào)的反饋，由中央控制器實(shí)現(xiàn)變頻器內(nèi)部的自動(dòng)控制，并調(diào)節(jié)輸出電壓幅值和頻率。同時(shí)通過一旁路電源直接供給(變頻器出現(xiàn)故障時(shí)退出變頻狀態(tài)切人工頻電網(wǎng)運(yùn)行)。再一路進(jìn)入變頻系統(tǒng)，通過整流變壓器二次側(cè)輸出，共提供l5個(gè)副邊分別供給15個(gè)功率單元。其中每相上有5個(gè)功率單元可提供正負(fù)各5個(gè)電壓等級(jí)，每個(gè)功率單元占有總功率的1/15。整流變壓器次級(jí)供電的三相二極管整流器將支流電容器充電

6、至比交流值稍高的直流，該直流電壓提供給由IGBT管子組成的橋式逆變電路。在任意時(shí)刻每個(gè)單元只有3種可能電壓輸出。若Q1和Q4同時(shí)導(dǎo)通，輸出正常支流電壓；若Q2和Q3同時(shí)導(dǎo)通，則輸出相對(duì)負(fù)電壓；若Q1和Q3或Q2和Q4同時(shí)導(dǎo)通，輸出電壓則為0V（見圖1(b)）。2）變頻器對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的影響分析。實(shí)際上變頻器就是一個(gè)干擾源，存在對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的影響，會(huì)對(duì)通訊和安全監(jiān)控系統(tǒng)帶來很大的危害。變頻器調(diào)試運(yùn)行時(shí)，因絞車頻繁停啟，此處的監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)非正常大狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致誤斷電動(dòng)作等現(xiàn)象，影響正常生產(chǎn)。主要表現(xiàn)：數(shù)據(jù)采集誤差加大；監(jiān)控狀態(tài)失靈；數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化；變頻器電磁干擾頻譜較寬。像絞車變頻器和水泵、鉆機(jī)啟動(dòng)時(shí)

7、產(chǎn)生較大的對(duì)外線路感應(yīng)浪涌信號(hào)，工作面風(fēng)巷探頭都受到影響，而其中鉆機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)探頭影響最大。有時(shí)兩項(xiàng)同時(shí)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)烈信號(hào)干擾，還會(huì)導(dǎo)致探頭出現(xiàn)誤報(bào)警。3 變頻器產(chǎn)生干擾的原因分析1）變頻器輸入側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理分析。變頻器在電源側(cè)有整流回路的，都會(huì)產(chǎn)生因非線性引起的諧波。而在三相橋式整流回路中，輸入電流的波形則為矩形波，其波形按傅立葉級(jí)數(shù)可分解為基波和各次諧波，通常含6n+1(n=1，2，3)次諧波，而其中的高次諧波會(huì)干擾輸入供電系統(tǒng)等。2）變頻器輸出側(cè)產(chǎn)生諧波機(jī)理分析。變頻器的逆變輸出回路中，其輸出電壓和電流均有諧波產(chǎn)生。它的輸出電壓波形為矩形波，可用傅立葉級(jí)數(shù)不難分析出電壓方波及電流正弦鋸齒

8、波各次諧波的含量。因此，輸出回路電流信號(hào)也可分解為含有正弦波的基波與其它各次諧波，而高次諧波電流則對(duì)負(fù)載直接造成干擾。高次諧波電流還通過電纜向空間輻射，干擾鄰近的電氣設(shè)備。原因是因?yàn)樽冾l器中普遍使用了晶閘管或整流二極管等非線性整流器件，產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)也產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，并影響到電網(wǎng)的供電質(zhì)量；變頻器輸出部分一般采用IGBT等開關(guān)器件，在輸出能量的同時(shí)，也在輸出線上產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射干擾，影響周邊電器的正常工作。另外，變頻器動(dòng)力電纜與信號(hào)電纜由于平行敷設(shè)，也非常容易產(chǎn)生耦合等。這不僅在變頻過程中產(chǎn)生大劑量的頻率輻射，而且會(huì)影響所使用的整個(gè)供電系統(tǒng)，使所處在該系統(tǒng)的電器設(shè)備的電源都受到污染。由于變頻

9、器工作為050Hz交-交變頻，載波頻率為50016000Hz，低頻端正好與安全監(jiān)控系統(tǒng)所使用的2001000Hz的頻段部分疊加，這樣通過電話線、電纜等各種途徑就會(huì)竄入監(jiān)控系統(tǒng)中形成頻率疊加，從而變?yōu)槭д娴耐咚剐盘?hào)輸出，所產(chǎn)生的強(qiáng)磁干擾也直接導(dǎo)致了監(jiān)測(cè)信號(hào)的失準(zhǔn)。出現(xiàn)這種干擾時(shí)，安全監(jiān)控系統(tǒng)就會(huì)大面積的高值報(bào)警、斷電異?，F(xiàn)象，造成瓦斯頻繁超限斷電。總之，出現(xiàn)電磁干擾時(shí)，從地面監(jiān)控機(jī)房調(diào)取瓦斯曲線觀察也不難發(fā)現(xiàn)，功率較大的變頻設(shè)備開啟電源時(shí)，原純凈的瓦斯曲線立刻變成了密集毛刺形不規(guī)則曲線，會(huì)誤認(rèn)為瓦斯?jié)舛壬?，其?shí)是產(chǎn)生的強(qiáng)磁干擾直接導(dǎo)致了監(jiān)測(cè)信號(hào)的失準(zhǔn)，形成高報(bào)斷電。同時(shí)變頻器動(dòng)力電纜與信號(hào)電纜

10、平行敷設(shè)，也容易產(chǎn)生耦合等。傳導(dǎo)騷擾可以通過電源線、信號(hào)線、互連線、接地導(dǎo)體等進(jìn)行耦合。如今從分站到地面中心站大部分采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)光纖傳輸線傳輸信號(hào)，可有效地避免變頻設(shè)備的干擾。然而從傳感器到分站的信號(hào)傳輸方式，絕大多數(shù)都使用2001000頻率脈沖方式，分站單片機(jī)采用計(jì)數(shù)方式采集信號(hào)，該方式在原理上就存在缺陷。上千伏的瞬變脈沖信號(hào)疊加到信號(hào)線上，單片機(jī)也無法識(shí)別干擾與信號(hào)，立刻會(huì)出現(xiàn)數(shù)字錯(cuò)亂、誤報(bào)警等現(xiàn)象，使安全監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)的數(shù)據(jù)發(fā)生瞬態(tài)變化，增大誤差，出現(xiàn)假象，甚至使整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)異常信號(hào)而引起故障并使被控開關(guān)誤動(dòng)作。變頻器干擾安全監(jiān)控系統(tǒng)(如瓦斯信號(hào))時(shí)，突出表現(xiàn)是：瓦斯傳感器現(xiàn)場(chǎng)采集的實(shí)

11、際數(shù)值沒有超過安全警戒數(shù)值，因竄入干擾信號(hào)，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)在接收端接收到不確定的干擾信號(hào)，其數(shù)據(jù)就不全是實(shí)際監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信號(hào)(可能誤碼)，數(shù)據(jù)發(fā)生較大變化（大或?。?。若大，通過分站接受的數(shù)值可能超過安全警戒數(shù)值，并傳入安全監(jiān)控系統(tǒng)，分站對(duì)工作地點(diǎn)所控制的電器設(shè)備發(fā)出控制斷電指令，并進(jìn)行斷電，使系統(tǒng)判斷失靈，以至造成誤動(dòng)作，并影響到正常的安全生產(chǎn)工作。4 結(jié)束語分析變頻器的工作原理，可知產(chǎn)生電磁干擾的原因，進(jìn)而可知安全監(jiān)控系統(tǒng)受電磁干擾的原因所在，關(guān)鍵就是輸入側(cè)和輸出側(cè)產(chǎn)生的諧波信號(hào)。弄清影響的原因，做好針對(duì)性預(yù)防、控制監(jiān)控，即可消除此抗干擾，保證監(jiān)控系統(tǒng)的能夠安全可靠的運(yùn)行。參考文獻(xiàn)1楊慰民，畢光國.基于自適應(yīng)小波包變換的直接序列擴(kuò)頻通信窄帶干擾抑制技術(shù)J.通信學(xué)報(bào)，1999，20(7)：69-75.2張偉，姚天任.DSSS中的窄帶干擾抑制技術(shù)J.通信技術(shù)，2002，(9)：24-26.3沈