煤礦電氣系統(tǒng)中EMC問(wèn)題研究與解決方案

1EMC問(wèn)題的產(chǎn)生機(jī)理和耦合途徑

1.1產(chǎn)生機(jī)理

電磁兼容性(ElectroMagneticCompatibility,EMC)是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中按照要求運(yùn)行且不會(huì)對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾的能力。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,一方面提高了工業(yè)技術(shù)水平和自動(dòng)化程度,方便了人們的生活,另一方面電磁波譜帶來(lái)了很多困擾,甚至對(duì)設(shè)備造成了一定損傷。

1.2干擾源與耦合途徑

在電力電子電路系統(tǒng)中,電磁兼容的主要特點(diǎn)有:(1）存在強(qiáng)干擾源,產(chǎn)生差模和共模干擾;(2）噪聲傳播途徑難以切斷;(3）敏感元件易受干擾;(4）電力電子電路開(kāi)關(guān)方式產(chǎn)生的脈沖導(dǎo)致干擾頻譜寬;(5）功率等級(jí)高;(6）開(kāi)關(guān)頻率高,電路拓?fù)洳粚?duì)稱(chēng)等。干擾源把噪聲能量耦合到被干擾對(duì)象的路徑包括傳導(dǎo)和輻射。

在多個(gè)電路中存在一個(gè)共用電路時(shí)將產(chǎn)生傳導(dǎo)耦合。由電子線(xiàn)路板1產(chǎn)生的電流I1將在共用電路阻抗Z上產(chǎn)生壓降A(chǔ)v1,將會(huì)影響到電子線(xiàn)路板2的端子處電壓。

1.2.1電容耦合

在彼此隔離且在不同電位間的導(dǎo)體之間存在電容耦合。由于電位差,在兩個(gè)導(dǎo)體之間將形成電場(chǎng),電場(chǎng)量被描述為電容CC。電容CC的大小由導(dǎo)體的幾何形狀以及導(dǎo)體之間在一定電位差下的距離決定。

1.2.2電感耦合

電感耦合發(fā)生在不同電流電路或不同的閉合電路中。在閉環(huán)中流動(dòng)的交流電將產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。該交變磁場(chǎng)將影響其他閉合電路并產(chǎn)生電壓。電感耦合量用互感系數(shù)w描述,互感系數(shù)w由閉環(huán)的一般形狀和電路之間的距離決定。

2EMC問(wèn)題對(duì)設(shè)備的危害和處理措施

2.1變壓器

危害:增加銅損;增加漏磁損;增加鐵損;增加噪聲;增加溫升。處理措施:以實(shí)心、扁平導(dǎo)體連接機(jī)柜的所有技術(shù)構(gòu)件。需要注意的是,安裝接地是機(jī)械的主要保護(hù)措施。然而對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng),接地將影響噪聲發(fā)射和抗擾度。一個(gè)系統(tǒng)可采用星形方式接地或?qū)⒚總€(gè)元件單獨(dú)接地。對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),優(yōu)先選擇將所有安裝的部件都通過(guò)其表面電氣連接或網(wǎng)狀接地。信號(hào)電纜和動(dòng)力電纜必須相互分開(kāi)輻射（避免耦合干擾),最小間距為20cm。動(dòng)力電纜和信號(hào)電纜用隔板隔開(kāi),隔板必須多點(diǎn)接地。

2.2電纜

危害:產(chǎn)生集膚效應(yīng)及鄰近效應(yīng);降低載流量;破壞導(dǎo)體絕緣;燒損電纜。處理措施:機(jī)柜內(nèi)的接觸器、繼電器、電磁閥、電磁計(jì)時(shí)器加裝RI抑制元件;為防止形成環(huán)形天線(xiàn),同一電路中的非屏蔽電纜必須絞接,或保持它們之間的距離最短,盡可能縮短電纜長(zhǎng)度,這有助于降低耦合電容和電感;備用導(dǎo)線(xiàn)兩端接地,以獲得附加的屏蔽效果。

2.3電機(jī)

危害:產(chǎn)生額外的鐵損;產(chǎn)生額外的銅損;影響機(jī)械效率;影響轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定。處理措施:盡可能靠近接地金屬板布線(xiàn),能減少耦合噪聲;編碼器應(yīng)使用屏蔽電纜,電纜屏蔽層必須與編碼器和傳感器模塊3609連接,屏蔽層不得中斷;數(shù)字量信號(hào)電纜的屏蔽雙端接地（發(fā)送器和接受器),確保最大接地面和良好的導(dǎo)電性。如果屏蔽層之間的電勢(shì)差較大,需增加一個(gè)至少10mm2的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)與屏蔽層并行敷設(shè),以減少屏蔽電流。通常屏蔽層可多點(diǎn)連接到電位體,也可在外部多點(diǎn)接地。

2.4通信

危害:產(chǎn)生尖峰波形;信號(hào)振蕩;誤動(dòng)作;設(shè)備故障被燒毀。

處理措施:模擬量信號(hào)電纜的屏蔽層在良好的等電位體時(shí)應(yīng)雙端接地。若模擬量信號(hào)電纜上存在低頻噪聲源,比如由于均衡電流（噪聲)而導(dǎo)致的速度測(cè)量值波動(dòng),需將模擬量電纜的屏蔽層在sINAMICs側(cè)接地,另一端應(yīng)通過(guò)電容（10nF/10VMKT型)接地。使用電容接地,對(duì)高頻信號(hào)來(lái)說(shuō)意味著屏蔽層雙端接地;如有可能,電纜僅在一側(cè)進(jìn)入柜中;若sINAMICs設(shè)備使用外部24V電源供電,則該電源不得給分別安裝在不同機(jī)柜中的設(shè)備供電（交流噪聲可能耦合)。不同機(jī)柜最好采用獨(dú)立的電源供電。

2.5電力電容器

危害:產(chǎn)生過(guò)電流;產(chǎn)生過(guò)電壓;產(chǎn)生串聯(lián)諧振;產(chǎn)生并聯(lián)諧振;電容器故障被燒毀。處理措施:防止通過(guò)電源耦合而產(chǎn)生噪聲。sINAMICs、PLC和控制電子設(shè)備應(yīng)由不同的電源供電。若只有一個(gè)公共電源,則必須使用隔離變壓器使設(shè)備去耦合。確保RFI濾波器置于干擾源附件,必須將濾波器與柜殼、安裝板等牢固連接。最好采用裸金屬安裝板,使整個(gè)接觸面相連接;必須清除涂漆金屬板,確保其良好的連接性。RFI濾波器進(jìn)出線(xiàn)電纜必須分別布置。必須將電源電纜與電機(jī)電纜隔離,例如使用接地隔板隔開(kāi)。電機(jī)和sINAMICs之間的屏蔽層不能因?yàn)檠b設(shè)了諸如輸出電抗器、正弦波濾波器、dv/dt濾波器、熔斷器、接觸器等而中斷,在任意處不得斷開(kāi)。

3典型案例分析

某煤礦電氣系統(tǒng)中離心風(fēng)機(jī)采用西門(mén)子1LE0系列電機(jī)（容量315kw）,變頻器采用G130(400kw）。風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)有異響,判斷為電機(jī)軸承損壞。在更換軸承2個(gè)月后,再次出現(xiàn)同樣的問(wèn)題。經(jīng)確認(rèn)軸承損壞的原因是軸電流引起放電損壞軸承造成電機(jī)軸承、負(fù)載側(cè)軸承損壞。

4解決方案

濾波是抑制干擾的主要方法之一。由于干擾源發(fā)射的電磁干擾頻譜比接收信號(hào)的頻譜寬得多,所以當(dāng)接收器接收到有用信號(hào)時(shí),也接收到了干擾信號(hào)。濾波器可以限制接收信號(hào)的頻帶,通過(guò)抑制不需要的干擾而不影響所需信號(hào),從而增加接收器的信噪比,并顯著降低傳導(dǎo)的干擾。采用濾波器的目的是分離信號(hào)、抑制干擾。濾波器對(duì)與有用信號(hào)頻率不同的成分具有良好的抑制作用,從而達(dá)到抑制干擾的目的。

根據(jù)方案中濾波器類(lèi)型,可以分為信號(hào)濾波、電源濾波、電磁干擾濾波、功率分離濾波和諧波濾波,具體取決于濾波電路是否包含有源器件,又可分為無(wú)源濾波、有源濾波。根據(jù)濾波器的頻率特性,可分為高頻濾波、低頻濾波、帶通濾波等。根據(jù)濾波器能量損失特性,又可分為反射濾波和損耗濾波等。

5結(jié)語(yǔ)

目前礦用變頻器的電磁兼容性問(wèn)題已成為煤礦產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。本文分析了地下煤礦電氣系統(tǒng)的電磁干擾問(wèn)題,結(jié)合地下工況對(duì)這一問(wèn)題提出了切實(shí)可行的解決方案。隨著新控制理論和技術(shù)的應(yīng)用,部分電磁兼容問(wèn)題有望通過(guò)運(yùn)用新的控制算法得到解決。