对矿用变频器在煤矿应用中的电磁干扰问题的探讨

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摘 要：随着矿用变频器的广泛应用，矿用变频器的电磁干扰对周边其他电子、电气设备正常工作的影响越来越严重。文章从变频器产生干扰的源头、危害、干扰途径等方面进行了分析与总结，为矿用变频器的干扰抑制设计提供了一定的理论基础。

关键词：变频器 电磁 干扰

前言

所谓电磁干扰，指的是当不希望的电压或电流信号出现在敏感设备上并影响其工作性能的一种现象。煤矿井下环境恶劣且空间有限，机电设备相对集中，变频设备的大量使用，加剧了这种电磁干扰，严重影响其周边其他电子、电气设备的正常工作。

一、矿用变频器电路构成

矿用变频器除了通用变频器所具有的基本结构即主电路、中间电路、逆变电路，还应有隔爆壳体、散热系统及控制电路。整流电路主要由半导体器件构成，将工频输入交流电整流成直流，为逆变电路和控制电路提供所需的直流电源。中间直流环节又称中间直流储能环节，主要用来缓冲在中间直流环节和电动机之间存在的无功功率；当整流电路是电流源时，平滑电路则主要由大容量的电感组成。控制电路主要由运算电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路以及保护电路等构成，其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等，即将检测电路得到的各种信号送至运算电路，使运算电路能够根据要求为主电路提供必要的门极驱动信号，并对变频器和异步电动机提供必要的保护。

二、矿用变频器产生电磁干扰的源头及危害

根据矿用变频器的主电路功能及构成，其整流电路、逆变电路是矿用变频器产生电磁干扰的主要源头。

1.整流电路

大多数矿用变频器均采用二极管不可控桥式整流电路的方案，具有产生谐波和不可控制性两个缺点。高频整流回路中的整流二极管正向导通时，有较大的正向电流流过，在其受反偏电压而转向截止时，由于PN结中有较多的载流子积累，因而在载流子消失之前，电流会反向流动，导致载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化率di/dt。采用将反向电流迅速恢复到零的硬恢复特性的二极管，在变压器漏感和其他分布参数的影响下，将产生较强的高频干扰，其频率可达几十兆赫的谐波。

谐波通过输入输出电源线对井下电力系统和负载产生影响。一般，矿用变频器对容量较大的电力系统影响不明显而，而井下电力系统容量相对较小，谐波产生的干扰和危害则不可忽视，主要表现在以下几方面：

1.1 供电线路产生附加损耗

由于集肤效应和邻近效应，线路电阻随频率增加而提高，造成电能浪费。正常时，中性线流过电流很小，故其导线较细，当大量的高次谐波流过时，致使导线过热、绝缘老化、寿命缩短甚至损坏。

1.2影响电气设备正常工作

当电流波形过零点时，由于谐波的存在可能造成高的di/dt，将使上级快点开关开断困难，并且延长故障电流切断时间。

2.逆变电路

逆变电路中的脉冲电压由功率开关管产生，其幅值是直流母线电压，脉冲宽度由每个开关周期输出电压的幅值决定。对脉冲电压进行傅立叶分析可知，输出电压脉冲除了含有基波外，还含有开关频率谐波及其倍频成份。逆变器的开关频率从几kHz到几百kHz，即使在输出侧采用无源（LC）滤波器后，仍会有部分高次谐波叠加到负载上。半导体开关产生的高频脉冲信号产生很大的dv/dt，由于电路中存在电感和电容、开关等器件，布线存在杂散电感和电容，dv/dt会通过电容产生脉冲电流，而di/dt则通过电感的作用产生脉冲电压。因此，逆变电路中具有很大di/dt的电流环路是一个干扰源，它将对空间辐射电磁场，形成很强的电磁干扰，而且大多严重超出了电磁兼容标准的极限值要求。逆变电路产生的电磁干扰不但影响设备负载正常工作，缩短其使用寿命，而且危害逆变器本身，尤其是控制电路含有很多控制芯片，容易接受电磁干扰，使得逆变器产生误动作等。

且逆变电路的输出电压包含正序分量、负序分量和零序分量。正、负序分量称为差模电压，它将产生有效的输出电压和输出电流；零序分量称为共模电压，它是负载中性点对参考地的电压，由一系列高频谐波组成。高频共模电压作用在井下电机上，由于电机存在寄生耦合电容，而产生轴承电流，从而加重轴承机械磨损，降低电机运行寿命。显然，共模电压严重影响到系统的长期可靠运行。

其对其它设备的主要有如下方面影响。

影响设备运行或损坏设备

2.1逆变器产生的谐波会导致继电保护装置的误动作，使变频器输出附近的控制信号、检测信号等弱电信号受到干扰，严重时使系统无法得到正确的信号。同时会使使开关设备在启动瞬间产生很高的电流变化率di/dt，导致增加暂态恢复电压的峰值，以致破坏绝缘。它的反复重启动，会使仪表计量降低精度，甚至无法正常工作，特别是瓦斯监测仪表的不准确，常常造成瓦斯超限报警误报警或漏报警，带来巨大的安全隐患。

2.2影响节能效果

由于谐波的影响，电动机往往要降额使用，电动机的功率因数将较小、效率将降低。

三、干扰的传播途径

从变频器干扰的源头可知，矿用变频器电磁干扰的传播方式有以下几种方式。

1.传导干扰

矿用变频器传导干扰主要通过电源网络传播，通过阻抗耦合或接地回路耦合将干扰带入其它电路，对直接驱动的电动机产生电磁噪声，增加电动机铜耗和铁耗，并传导干扰到电源，通过配电网络传导给系统其他设备。与辐射干扰相比，其传播的距离可以很远，是变频器输入电流干扰信号的主要传播方式。

2.空中辐射方式

控制电缆相当于天线，干扰电磁波在电缆中产生电势，干扰以电磁波方式向空中辐射，这是变频器在频率很高时的谐波分量的主要传播方式。

四、小结

文章在分析了变频器工作原理的基础上，指出矿用变频器产生电磁干扰的源头主要是整流电路和逆变电路。并对整流电路和逆变电路产生电磁干扰的机理、电磁干扰传播方式等进行了分析，对矿用变频器在设计阶段进行谐波的抑制提供了一定的基础。