抗干扰技术在煤矿安全生产中的应用:步进电机的运行性能

　　摘 要:电网中存在大量谐波源,如各种整流设备、交直流互换设备以及各种非线性大功率负载的频繁启动等,这些负荷使电网中的电压、电流产生波形畸变从而对电网中的其他设备产生干扰。针对煤矿干扰的主要来源、传播途径和危害,介绍了抑制干扰的几种常用方法,提出利用电磁杂波过滤器来消除变频器高次谐波及其它电磁杂波对井下煤矿安全监控系统的影响。对电磁杂波过滤器的工作原理、结构以及应用进行了具体的阐述。完全摆脱了电磁杂波对安全监控系统干扰的被动防范,为井下安全监控系统的正常运转提供了可靠保障;从而完成了煤矿安全监控系统在井下复杂的电网中抗各种电磁杂波干扰技术质的飞跃。随着它的推广使用,将会产生巨大的经济效益和社会效益。
　　关键词:抗干扰技术 煤矿安全生产 应用
　　中图分类号:TP316 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)05(b)-0084-021 问题的提出
　　电网中存在着大量谐波源,如各种整流设备、交直流互换设备、电压调整设备和各种非线性大功率负载的频繁启动等。这些负荷都使电网中的电压、电流产生波形畸变,从而对电网中其它设备产生危害的干扰。电网的干扰若不加处理,电网噪声就会通过电网电源电路干扰其他电器设备。供电电源的干扰对其它电器设备主要有(1)过压、欠压、瞬时掉电。(2)浪涌、跌落。(3)尖峰电压脉冲。(4)射频干扰。目前,电磁干扰日趋严重,相应的抗干扰设计技术已经显得越来越重要。因此,如何提高系统的抗干扰能力和可靠性是自动化装置研制和应用中不可忽视的重要内容,也是控制技术和测量技术应用和推广的关键之一。
　　2 干扰的主要来源、传播途径和危害
　　在煤矿井下电网中主要干扰来源大都为变频器所致。它虽然有着节电、启动平稳安全等优点,但变频器在工作过程中产生了大量的高次谐波,使所处在该系统的电器设备和电源网络都受到了污染。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。变频器的主电路一般为交-直-交组成,外部输入380V～660V/50Hz的工频电源经三相桥路,进行大功率可控硅整流后,经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。在整流回路中,输入电流的波形为不规则的矩形波,波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波,其中7～13次高次谐波将严重干扰供电系统。在逆变输出回路中,输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形,对于GTR大功率逆变元件,其PWM的载波频率为2kHz～3kHz,而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHz～16kHz。变频器的输入和输出电流中,都含有很多高次谐波成分。它们将以各种方式把自己的能量传播出去。
　　变频器产生功率较大的谐波,主要通过电磁辐射、传导、感应耦合等途径干扰其它电器设备的正常工作,特别是对采集、测量和执行动作的小型电子设备危害最大,容易造成误动作和测量结果失准的严重后果,给井下的安全监控和通讯带来了威胁,它会导致安全监控系统数据采集的严重失真,产生瓦斯高值报警、断电,直接影响矿井的安全生产。
　　3 抑制干扰常用方法
　　为防止干扰,可采用硬件和软件的抗干扰措施。其中,硬件抗干扰是最基本和最重要的抗干扰措施,一般从抗和防两方面入手来抑制干扰,其总原则是抑制和消除干扰源、切断干扰对系统的耦合通道、降低系统对干扰信号的敏感性。具体措施在工程上可采用隔离、滤波、屏蔽、接地等方法。谐波的传播途径是传导和辐射,解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离;解决辐射干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽。
　　3.1?隔离
　　所谓干扰的隔离是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来,使它们不发生电的联系。变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立,或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器,切断谐波电流,以免传导干扰。
　　3.2?滤波
　　设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电源及其它电器设备。在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器,或安装谐波滤波器,滤波器的组成必须是LC型,吸收谐波和增大电源负载的阻抗,达到抑制谐波的目的,减少对电源的干扰。若线路中有敏感电子设备,可在电源线上设置电源噪声滤波器,以免传导干扰。
　　3.3?屏蔽
　　屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽,不让其电磁干扰泄漏。变频器的输出、输入之间电缆应使用屏蔽电缆敷设或用铠装电缆,并与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设,避免辐射干扰。信号线采用屏蔽线,且布线时与变频器主回路控制线错开一定距离(至少20cm以上),避开辐射干扰。
　　3.4?接地
　　实践证明,接地往往是抑制噪声和防止干扰的重要手段。良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合,防止外部干扰的侵入,提高系统的抗干扰能力。变频器使用粗短接地线,变频器的接地方式有多点接地、一点接地及经母线接地等几种形式,要根据具体情况采用。
　　对现场出现的各种变频器高次谐波干扰,按照以上介绍的方法基本上都能顺利抑制,但对谐波成分及幅度要求很严的设备,彻底抑制高次谐波干扰非常困难。
　　4 解决变频器干扰的新技术
　　以上介绍了几种对变频器高次谐波干扰抑制的方法,虽然能在很大程度上满足一般电器设备运行的要求,但对谐波成分及幅度要求很严的测量仪器设备和以频率型制式传输信号为主的井下安全监控系统还是远远不够的。因此,要想彻底解决电网中的高次谐波和其它杂波干扰,以确保煤矿安全监控的正常运行,就必须利用新技术对电网中的高次谐波和其它干扰信号进行有效的识别,然后进行处理,从根本上消除危害。下面介绍的电磁杂波过滤器,能很好地解决了这一难题。
　　电磁杂波过滤器其原理是:利用煤矿瓦斯涌出和电磁干扰杂波产生的规律,进行取样分析,经过信号识别处理系统,将瞬间的异常干扰信号过滤掉,从根本上解决了井下电磁杂波对安全监控系统的干扰。