煤矿电气系统中EMC问题研究与解决方案

1EMC问题的产生机理和耦合途径

1.1产生机理

电磁兼容性(ElectroMagneticCompatibility,EMC)是指设备或系统在其电磁环境中按照要求运行且不会对其环境中的任何设备产生电磁干扰的能力。随着电子技术的飞速发展,一方面提高了工业技术水平和自动化程度,方便了人们的生活,另一方面电磁波谱带来了很多困扰,甚至对设备造成了一定损伤。

1.2干扰源与耦合途径

在电力电子电路系统中,电磁兼容的主要特点有:(1）存在强干扰源,产生差模和共模干扰;(2）噪声传播途径难以切断;(3）敏感元件易受干扰;(4）电力电子电路开关方式产生的脉冲导致干扰频谱宽;(5）功率等级高;(6）开关频率高,电路拓扑不对称等。干扰源把噪声能量耦合到被干扰对象的路径包括传导和辐射。

在多个电路中存在一个共用电路时将产生传导耦合。由电子线路板1产生的电流I1将在共用电路阻抗Z上产生压降Av1,将会影响到电子线路板2的端子处电压。

1.2.1电容耦合

在彼此隔离且在不同电位间的导体之间存在电容耦合。由于电位差,在两个导体之间将形成电场,电场量被描述为电容CC。电容CC的大小由导体的几何形状以及导体之间在一定电位差下的距离决定。

1.2.2电感耦合

电感耦合发生在不同电流电路或不同的闭合电路中。在闭环中流动的交流电将产生交变磁场。该交变磁场将影响其他闭合电路并产生电压。电感耦合量用互感系数w描述,互感系数w由闭环的一般形状和电路之间的距离决定。

2EMC问题对设备的危害和处理措施

2.1变压器

危害:增加铜损;增加漏磁损;增加铁损;增加噪声;增加温升。处理措施:以实心、扁平导体连接机柜的所有技术构件。需要注意的是,安装接地是机械的主要保护措施。然而对于传动系统,接地将影响噪声发射和抗扰度。一个系统可采用星形方式接地或将每个元件单独接地。对于传动系统来说,优先选择将所有安装的部件都通过其表面电气连接或网状接地。信号电缆和动力电缆必须相互分开辐射（避免耦合干扰),最小间距为20cm。动力电缆和信号电缆用隔板隔开,隔板必须多点接地。

2.2电缆

危害:产生集肤效应及邻近效应;降低载流量;破坏导体绝缘;烧损电缆。处理措施:机柜内的接触器、继电器、电磁阀、电磁计时器加装RI抑制元件;为防止形成环形天线,同一电路中的非屏蔽电缆必须绞接,或保持它们之间的距离最短,尽可能缩短电缆长度,这有助于降低耦合电容和电感;备用导线两端接地,以获得附加的屏蔽效果。

2.3电机

危害:产生额外的铁损;产生额外的铜损;影响机械效率;影响转矩的稳定。处理措施:尽可能靠近接地金属板布线,能减少耦合噪声;编码器应使用屏蔽电缆,电缆屏蔽层必须与编码器和传感器模块3609连接,屏蔽层不得中断;数字量信号电缆的屏蔽双端接地（发送器和接受器),确保最大接地面和良好的导电性。如果屏蔽层之间的电势差较大,需增加一个至少10mm2的补偿导线与屏蔽层并行敷设,以减少屏蔽电流。通常屏蔽层可多点连接到电位体,也可在外部多点接地。

2.4通信

危害:产生尖峰波形;信号振荡;误动作;设备故障被烧毁。

处理措施:模拟量信号电缆的屏蔽层在良好的等电位体时应双端接地。若模拟量信号电缆上存在低频噪声源,比如由于均衡电流（噪声)而导致的速度测量值波动,需将模拟量电缆的屏蔽层在sINAMICs侧接地,另一端应通过电容（10nF/10VMKT型)接地。使用电容接地,对高频信号来说意味着屏蔽层双端接地;如有可能,电缆仅在一侧进入柜中;若sINAMICs设备使用外部24V电源供电,则该电源不得给分别安装在不同机柜中的设备供电（交流噪声可能耦合)。不同机柜最好采用独立的电源供电。

2.5电力电容器

危害:产生过电流;产生过电压;产生串联谐振;产生并联谐振;电容器故障被烧毁。处理措施:防止通过电源耦合而产生噪声。sINAMICs、PLC和控制电子设备应由不同的电源供电。若只有一个公共电源,则必须使用隔离变压器使设备去耦合。确保RFI滤波器置于干扰源附件,必须将滤波器与柜壳、安装板等牢固连接。最好采用裸金属安装板,使整个接触面相连接;必须清除涂漆金属板,确保其良好的连接性。RFI滤波器进出线电缆必须分别布置。必须将电源电缆与电机电缆隔离,例如使用接地隔板隔开。电机和sINAMICs之间的屏蔽层不能因为装设了诸如输出电抗器、正弦波滤波器、dv/dt滤波器、熔断器、接触器等而中断,在任意处不得断开。

3典型案例分析

某煤矿电气系统中离心风机采用西门子1LE0系列电机（容量315kw）,变频器采用G130(400kw）。风机运行时有异响,判断为电机轴承损坏。在更换轴承2个月后,再次出现同样的问题。经确认轴承损坏的原因是轴电流引起放电损坏轴承造成电机轴承、负载侧轴承损坏。

4解决方案

滤波是抑制干扰的主要方法之一。由于干扰源发射的电磁干扰频谱比接收信号的频谱宽得多,所以当接收器接收到有用信号时,也接收到了干扰信号。滤波器可以限制接收信号的频带,通过抑制不需要的干扰而不影响所需信号,从而增加接收器的信噪比,并显著降低传导的干扰。采用滤波器的目的是分离信号、抑制干扰。滤波器对与有用信号频率不同的成分具有良好的抑制作用,从而达到抑制干扰的目的。

根据方案中滤波器类型,可以分为信号滤波、电源滤波、电磁干扰滤波、功率分离滤波和谐波滤波,具体取决于滤波电路是否包含有源器件,又可分为无源滤波、有源滤波。根据滤波器的频率特性,可分为高频滤波、低频滤波、带通滤波等。根据滤波器能量损失特性,又可分为反射滤波和损耗滤波等。

5结语

目前矿用变频器的电磁兼容性问题已成为煤矿产业重点关注的问题。本文分析了地下煤矿电气系统的电磁干扰问题,结合地下工况对这一问题提出了切实可行的解决方案。随着新控制理论和技术的应用,部分电磁兼容问题有望通过运用新的控制算法得到解决。