煤礦副井提升機整流器網側諧波分析與治理

王瀚哲

(中國礦業大學信息與電氣工程學院,江蘇省徐州市,221008)

煤礦副井提升機整流器網側諧波分析與治理

王瀚哲

(中國礦業大學信息與電氣工程學院,江蘇省徐州市,221008)

傳統副井提升機電控部分中的整流裝置在運行過程中會產生大量諧波,影響廠礦用電設備的正常運行,嚴重的諧波污染將給礦區電網穩定運行構成威脅。分析了整流器網側諧波的存在情況,同時結合濾波原理提出了有效的解決方案。經仿真證實,該方案在減少網側諧波方面具有可行性。

副井提升機 整流器 諧波 濾波

1 引言

淮南礦業集團潘一東礦引進西班牙C30型全數字直流調速系統應用于副井提升機,該系統控制精度良好,調速范圍寬廣,同時低速下轉矩較為平穩。但現場監測發現,系統向電網注入了大量低次諧波。諧波的存在造成電網功率因數下降和功率損耗增大,使設備過熱、電容損壞并加速絕緣老化,還會影響接地和保護裝置的正常工作和通訊質量。此外,還會造成輸電損耗增大,影響周邊用電設備,甚至導致礦井提升機無法正常運行,造成安全隱患。因此,對副井提升機整流器存在的網側諧波進行分析,并提出治理方法。

2 全數字直流調速系統介紹

2.1 調速系統的工況

副井提升機的工況包括正向電動狀態、正向制動狀態、反向電動狀態和反向制動狀態4種。電控系統需要根據實際工況對電機的運行狀態進行實時控制,同時確保轉速的控制精度和轉矩的平穩。鑒于V－M調速系統的缺點,現行直流調速系統通常采用全數字調速系統拓撲結構,網側采用三相橋式不控整流結構,電機側采用單相全橋結構,即H橋式電路結構。網側與機側通過大電容相連,通過準確控制電路中4個開關管的占空比,將直流母線電壓斬控成高頻脈沖電壓(PWM)實現對電機直流電壓和電流的精確控制,大大提高了系統的調速精度和轉矩平穩性。全數字調速系統拓撲結構如圖1所示。

圖1 全數字調速系統拓撲結構

2.2 C30型全數字化直流調速系統介紹

C30型全數字化調速系統是模塊化多處理器系統,其擁有數字化集成度高、信號實時處理能力強、且抗干擾能力強的特點。它由主框架AC0531、主處理器AC0320、電流調節板AC0330和AC0370高速計數模塊組成。AC0531主框架可以插入6塊控制板,其中控制板間可通過尋址方式進行通信;AC0320主處理器含有主處理模塊和從處理模塊,主處理模塊負責總線上模塊間的數據傳輸和執行程序,從處理模塊主要負責觸發信號的產生;電流調節板AC0330實時控制電流瞬時值; AC0370高速計數板記錄兩路可逆脈沖數,進行速度的測試觀察。

3 諧波分析及治理方法

3.1 網側諧波分析

調速系統整流部分采用二極管整流加大電容穩壓,由于負載的非線性特性,網側電流畸變嚴重且包含大量諧波。為了防止這些諧波注入電網,整流器前端需要加裝濾波裝置。對網側電流進行傅里葉變換,并簡化為:

式中:t——時間,s;

ian——各次諧波電流幅值,A;

n——諧波電流次數;

ω——基波電流頻率,rad/s。

一般來說,二極管整流橋的網側各次諧波含量典型分布如表1所示。

表1 典型諧波分析列表

3.2 諧波治理手段

治理諧波的手段有主動型和被動型,主動型為改造電力電子裝置本身,如將不控整流改為PWM整流從而減少低次諧波;被動式的主要手段為增加濾波裝置。傳統的濾波手段是在整流器前端接入濾波電感,但由于提升機動作頻繁,接入電感會增加電磁慣性,從而降低系統的動態響應并影響提升機的實時控制性能?，F在主要使用LC濾波器來進行濾波,如調諧濾波器和高通濾波器。調諧濾波器能濾掉固定次諧波,但體積大;高通濾波器中常用的是二階濾波器,盡管有一定基波損耗,但濾波性能較好。除此之外還可使用有源濾波器(APF),能達到動態抑制諧波和無功補償的目的。

3.2.1 濾波原理

根據以上分析并結合現場實際情況,擬采用二階高通濾波器對網側電流諧波進行濾除,其電路結構如圖2所示。

圖2 二階高通濾波器結構

二階高通濾波器阻抗表達形式如下:

式中:Z(ni)——ni次諧波阻抗,Ω;

j——虛數,

ni——第ni次諧波,i為自然數;

ωs——基波角頻率,rad/s;

C——高通濾波器電容,F;

R——高通濾波器電阻值,Ω;

L——高通濾波器電感,H。

二階高通濾波器的阻抗頻率特性如圖3所示。

從圖3中可以看出,該曲線在某一頻帶范圍內呈現出較小的阻抗特性,形成對該頻率帶諧波電流的低阻抗通路,使得這些諧波電流大部分流入高通濾波器。

圖3 二階高通濾波器阻抗頻率特性

3.2.2 濾波器的設計

設計高通濾波器時,首先要確定需要抑制的諧波次數,再根據所需濾除的諧波確定濾波器的參數。若需要濾除的諧波電流次數為k～n次,按照諧波電容器的最小安裝容量要求,可以確定電容量為:

式中:C——高通濾波器中電容值,F;

I?f——應濾除的諧波電流,A;

ni——應濾除的諧波電流次數。

C值確定后,可確定濾波器的R和L值為:

式中:R——高通濾波器中電阻值,Ω;

nk——需要濾除的諧波電流最小次數;

ωs——基波角頻率,rad/s;

C——高通濾波器中電容值,F。

式中:L——高通濾波器中電感值,H;

m——一個與濾波器損耗有關的常數,一般取0.5;

R——高通濾波器中電阻值,Ω;

ωk——需要濾除的諧波電流最小頻率, rad/s;

C——高通濾波器中電容值,F。

4 仿真

根據以上對二階高通濾波器的原理與設計分析,擬采用二階高通濾波器對提升機調速系統的網側諧波進行治理。提升機調速系統濾波方案圖如圖4所示。

圖4 提升機調速系統濾波方案圖

在MATLAB/Simulink仿真環境下建立上述仿真模型,使用直流電動機模型模擬副井提升機,對二階高通濾波器的網側諧波治理功能進行仿真研究。其中,仿真參數如下:電網電壓為220 V,頻率50 Hz,其等效阻抗為0.1Ω;直流電動機額定功率為50 k W,額定轉速為1750 r/min;輕載工況下負載為10 Nm,重載工況下負載為250 Nm。

仿真時,模擬一個完整的提升機工作周期:從靜止狀態下啟動,爬升至額定轉速后快速提升,到達目標位置附近時開始減速,使得提升機最終在目標位置處停止。

4.1 未加濾波器仿真

副井提升機輕載時一個工作周期的轉速和轉矩波形如圖5和圖6所示。

圖5 提升機輕載時轉速波形

圖6 提升機輕載時轉矩波形

從圖5和圖6中可以看出,輕載時,轉速精度較高,同時轉矩抖動較小,轉矩平穩,安全可靠。

副井提升機重載時轉速和轉矩的波形如圖7和圖8所示。

圖7 提升機重載時轉速波形

圖8 提升機重載時轉矩波形

從圖7和圖8中可以看出,副井提升機重載時轉速控制性能良好,轉矩抖動較小。

未加濾波器的提升機系統在輕載及重載時的網側電流波形如圖9和圖10所示。

圖9 提升機輕載時網側電流波形(未加濾波器)

圖10 提升機重載時網側電流波形(未加濾波器)

從圖9和圖10中可以看出,未加濾波器時,網側電流是典型的二極管整流和大電容濾波的電流波形,畸變很大,其輕載及重載時的網側電流各次諧波分布如圖11和圖12所示。

圖11 提升機輕載時網側電流各次諧波分布(未加濾波器)

圖12 提升機重載時網側電流各次諧波分布(未加濾波器)

4.2 加入濾波器后仿真

根據以上的分析,確定所要濾除的諧波主要為5次、7次、11次和13次后,根據式(4)～(6)確定高通濾波器的各個參數。經過計算得出高通濾波器的各個參數為:C＝1200μF,L＝0.16 m H,R＝0.53Ω,加入濾波器后的提升機系統在輕載及重載時的網側電流波形如圖13和圖14所示。

圖13 提升機輕載時網側電流波形(加入濾波器)

圖14 提升機重載時網側電流波形(加入濾波器)

從圖13和圖14中可以看出,無論是輕載還是重載,網側電流波形均有明顯的改善,其輕載及重載時的網側電流各次諧波分布情況如圖15和圖16所示。

圖15 提升機輕載時網側電流各次諧波分布(加入濾波器)

圖16 提升機重載時網側電流各次諧波分布(加入濾波器)

5 仿真結果分析

提升機輕載和重載時網側電流諧波分析見表2和表3。

表2 提升機輕載時網側電流諧波分析%

表3 提升機重載時網側電流諧波分析%

通過對比增加濾波器前后的網側電流諧波含量可以發現,在兩種工況下,增加濾波器后的網側電流低次諧波含量顯著減小,電網電流品質得到明顯改善。仿真結果表明,通過在電網側增加高通濾波器,可以減少注入電網的電流諧波,對于礦井提升機系統中大量采用的二極管不控整流橋拓撲產生的諧波污染有較強的治理能力。

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(責任編輯 路 強)

Lineside harmonic analysis and eliminationin the rectifier of the colliery auxiliary shaft hoist

Wang Hanzhe
(School of Information and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

The rectifying device of traditional auxiliary shaft hoist would generate large number of harmonics in the electric control part,which not only affected the normal running of electric equipment in factories and mines,but also threatened the stable operation of power grid in mining area.The existence condition of line side harmonics in the rectifier was analyzed,and the effective solution was put forward combining with the filtering theories.The simulation confirmed that the program was feasible in reducing line side harmonics.

auxiliary shaft hoist,rectifier,harmonic,filtering

TD633

A

王瀚哲(1995－),男,安徽淮南人,中國礦業大學信息與電氣工程學院學生,主要從事電氣工程和計算機控制學習和研究。