礦用變頻器諧波測試系統設計

蘇珂嘉

(煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

近年來電力電子技術快速發展，變頻器的性能得到了極大的提升，其節能效果明顯、調節方便、維護簡單等特性保證了在工礦企業的應用日益廣泛，取代了很多舊式傳動控制方式。煤礦中，變頻器主要應用于提升機[1]、通風系統、排水系統、采煤機、刮板輸送機、皮帶機、架空人車等處，用于設備的軟起動、軟停車及運行過程控制等。額定電壓AC380～1140 V的BPJ(B)、ZJ(B)T、ZLJ(B)、NJ(B)、NKJ型，額定電壓AC3300 V的BPJ(B)V、BPJ(B)A型等礦用變頻器、變頻調速裝置目前已大量在生產現場鋪開使用。隨著井下用電設備功率密度增大、電壓等級上升，額定電壓6 kV、10 kV的更高壓變頻器也在研發與推廣當中。由于變頻器的主要組成部分整流電路和逆變電路由半導體器件工作在非線性的開關狀態，運行中引起正弦波的畸變，結果導致大量的諧波產生于其供電回路和電機驅動端，對負載及臨近設備產生干擾，帶來了諧波干擾問題[2]。在變頻器得到廣泛應用的同時，這一干擾對井下電網、人員定位、監控系統、電機等周圍設備的影響正受到礦企、安標準入機構、設備廠家等的高度重視。

由于工礦井下電網容量小，用電設備集中、電磁環境復雜，諧波對于井下電網的危害要大于地面電網[3]，這些危害主要有：

1)諧波損耗，諧波會降低井下電氣設備的使用效率，增加井下變壓器的磁滯損耗、渦流損耗，諧波電流增加銅損、諧波電壓增加鐵損，諧波流經電纜線路時增加發熱，嚴重時甚至引發電氣火災；

2)電氣故障，諧波會造成機電設備故障頻發，諧波對機電設備的影響主要有過電流、機械振動偏大、機電設備元件過熱、電力電纜絕緣老化等[4]；

3)引起串并聯諧振，造成諧波放大，增加諧波對機電設備的危害程度；造成繼電保護設備、自動控制設備誤動作、拒動，令回路中饋電開關、電磁啟動器等保護裝置的短路保護、過載保護、斷相保護等誤動，使井下電氣保護失效[5]；

4)對通訊系統產生干擾，諧波會對監控系統分站、傳感器的數據通信產生影響，造成數據失真、冒大數，影響煤礦井下人員定位系統，造成井下人員定位系統的人員數量以及人員定位的識別卡信息錯誤，干擾通訊信號質量等。

因此，需要對礦用變頻器的諧波產生情況進行檢驗評估，以掌握其諧波污染情況。同時，需要針對變頻器諧波開發一套檢測系統，能夠真實反映礦用變頻器工作時的對外干擾強度。

1 礦用變頻器的諧波產生機理

1.1 礦用變頻器結構

礦用變頻器或變頻調速裝置多數為交直交結構。與其他礦用電氣設備類似，由隔爆殼體及電氣回路兩大部分組成。電氣主回路原理如圖1所示。主回路由整流單元、中間直流環節和逆變單元及電抗器等單元模塊構成；控制回路則由單片機、DSP(或可編程控制器)、驅動模塊以及光電隔離電路等構成。整流單元由電力二極管或IGBT模塊構成；逆變單元可由不同器件做成，如高頻變頻器用大功率MOS晶體管，大容量變頻器用GTO晶體管，中小型變頻器用IGBT模塊等。

圖1 礦用變頻器主回路組成圖

礦用變頻器的核心變頻方式為PWM(pulse width modulation，脈沖寬度調制)方式。在逆變環節中，通過控制晶體管器件的通斷時間，在輸出波形的一個周期中產生多個可變占空比的脈沖波，其單位時間內的沖量等值電壓為正弦波，通過改變這一脈沖波的占空比，改變對應等效波形的電壓和頻率。使用自關斷器件的IGBT、GTO等逆變器，因其開關頻率高，一般采用PWM方式，載波頻率可達數kHz。二象限變頻器其整流單元用二極管橋式整流即可，簡化了一個功率級可控環節[6]。四象限變頻器一般采用IGBT作為整流單元的晶體管，一般有六脈波[7]、十二脈波、單元級聯等結構。

1.2 礦用變頻器的諧波產生機理

圖1所示典型的礦用交-直-交型變頻器或變頻調速裝置，以三相橋式整流電路為例，交流電網輸入電壓為正弦波，交流輸出電壓波形為前文所述占空比可調的脈沖波，其本質并不是正弦波；對于這個波形，按傅氏級數可分解為基波和各次基波頻率的整數倍分量，通常為n=6k±1(k=1，2，…) 次諧波，通過共模和差模傳導至電網。在礦用變頻器逆變輸出回路中，IGBT開關元件的PWM載波頻率從數k赫茲最高可達20 kHz，當逆變電路以此工作狀態向負載提供脈沖波時，開關器件的導通瞬間，輸出電壓具有很陡峭的du/dt，屬于明顯的非線性負荷。同樣, 輸入回路電流信號為不規則的矩形波，也可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波，而脈沖電流也有很高的di/dt，直接污染井下電網。此外，高次諧波還通過電纜、隔爆間隙、觀察窗等向空間輻射發射騷擾，對鄰近電氣設備產生EMI干擾[8]。

2 測試系統設計

本礦用變頻器諧波測試系統的硬件部分主要由待測被試樣品、陪試四象限變頻電源、電能質量分析儀、陪試對拖機組及配套控制元件等構成，如圖2所示。待測被試樣品是指待測的變頻器樣品(EUT)，陪試四象限變頻電源用于控制負載電機，使用一組電壓型變頻器，同時利用四象限工作特性回饋加載電能。電能質量分析儀用來實時采集并通過通信鏈路實時上傳被試樣品輸入及輸出的電壓、電流參數。陪試對拖機組包括通過膜片聯軸器同軸反向連接的一臺加載三相異步電動機和另一臺相同轉速、功率的負載電機，用于為待測樣品提供測試所需的可調負載。

圖2 變頻器諧波測試系統拓撲圖

系統可為待測樣品提供諧波測試時所需的測試電源、測試負載、陪試電源及參數采集儀表。通過上述構成部件的有機結合，組成一套礦用變頻器諧波測試系統，用于檢測采集礦用變頻器樣品對外發射諧波的情況，同時可以調節被試樣品負載的大小，考察不同工況下發射諧波的不同強度，以達到符合不同測試標準的目的。并通過電-機-電回路形成閉環，將測試所需功率進行有效回收，達到精準控制、節能環保的目的。

2.1 陪試變頻電源

陪試變頻電源用于為測試系統提供主回路陪試電源，控制對拖機組中的負載電機，產生出適合待測樣品產生特定電流所需的電機扭矩。ACS-880低壓變頻電源是采用具有精確轉矩控制DTC功能的閉環矢量控制變頻器，整流部分利用AFE有源前端，具備四象限工作特性。電源由試驗電網獲得三相電壓電流，頻率改變后輸出給負載電機，DTC控制模式直接給定負載電機的轉矩值，完全可以滿足需求。

負載電機工作在正轉速負扭矩狀態，通過陪試變頻電源將機械能轉換為電能，通過四象限功能將電能回饋回試驗電網，經過實際測算，加載至1.1 MW時，功耗為400 kW左右，可見其具有60%以上的節能效果，測試被試樣品時的電能損耗僅為機械磨損、風機散熱等功耗，不到總被試功率的40%。

2.2 對拖機組

對拖機組由多個同軸連接的電機組成。由于在測試中，需要對被試樣品進行加載，變頻器最直接的加載設備即為電機，為獲得將被試樣品工作在滿載的工作狀態所需的工作電流，最好根據樣品配置同電壓、同功率的電機作為加載電機。同時，加載電機也需要工作在對應的滿載工作狀態，因此需要為加載電機的機械功率找到消耗途徑。故為加載電機同軸連接一臺同規格、提供反向扭矩的負載電機，作為電能—機械能—電能循環的路徑。兩臺電機對拖，同轉速、扭矩互為反向，通過調節負載電機的扭矩將被試變頻器樣品輸出電流拉至所需的大小，如圖3所示。

圖3 對拖機組示意圖

因此，被試樣品拖動加載電機形成被試電氣傳動系統(PDS，power drives systems)，陪試變頻電源拖動負載電機形成陪試PDS，兩套PDS在同一試驗電網下、通過聯軸器進行機械連接，被試PDS工作于用電狀態，陪試PDS工作于發電狀態，構成了一條封閉功率循環路徑，形成交流回流系統，達到前文所述之節能目的，實現測試所需的工作狀態。

聯軸器使用膜片聯軸器，具有一定的偏移量承載能力，傳遞扭矩能力強，尤其不需要潤滑維護。聯軸器間設置轉矩轉速傳感器，通過光纖總線連接至服務器和上位機，用于實時上傳電機組的轉矩轉速參數。

2.3 電能質量分析儀

電能質量分析儀作為本系統核心數據處理單元，通過電壓探頭、柔性羅氏線圈等寬頻帶采樣設備，將被試品的電流、電壓的基礎參數采集，通過表頭將一次原始電參數進行傅里葉變換，以頻域型式將高次諧波從基波信號中分離出來，并通過鏈路將數據實時傳輸至上位機中。

系統使用FLUKE 1760電能質量記錄分析儀作為核心器件，測量精度可達±0.1%。測量需要分別對輸入、輸出回路進行測試，測試需要電流、電壓各最少四通道，因此共需8通道進行檢測。由于被試樣品可能處于長期工作狀態，因此需要該設備還可工作于實時記錄狀態，通過SD卡存儲數據，以便后期復盤查看。

2.4 寬頻帶電流采樣設備

作為電信號的采樣采集設備，寬頻帶電流采樣設備負責實現待測樣品輸入輸出回路電流信號變換至電能質量分析儀的測量功能。根據待測樣品端子線徑不同，尤其礦用變頻器特有的引入裝置及絕緣套管，需要采用柔性采樣設備，以便連接。采用柔性Rogowski線圈，其本質是空心電流互感器即一種均勻纏繞在截面均勻細小的非磁性骨架上的空心線圈。通過被測導線所產生的磁通的變化，感應出電壓信號。進而將二次信號直接輸出至電能質量分析儀上。具有不含鐵芯、無磁飽和、頻帶寬的優點，并且基本不受外磁場的影響、與被測導線相對位置變化的影響較小。所以適合測量礦用非工頻的電氣設備。

3 軟件設計

測試系統的控制部分以工業控制計算機與服務器為核心，以及通過總線光纖連接的PLC與受控部分，構成分布-集中控制系統。受控部分包括PLC、EUT和交流回饋系統、電能質量分析儀以及其它設備等。控制系統的信號傳輸采用光纖傳輸，降低了EUT和陪試設備互相干擾的影響，其拓撲如圖4所示。工控機對采集到的一次電流、電壓等數據進行諧波記錄、分析，使用配套的PQanalyze軟件進行數據報表生成。總線采用光纖以太網通信方式，信號采集速率快，數據不易丟失、抗干擾能力強，尤其適合干擾較強的變頻器測試電磁環境，能滿足工控機對電能質量分析儀采集到的信號的實時讀取。

圖4 控制系統結構圖

圖5 軟件實現流程圖

系統測控軟件由主程序、監控程序構成，工業控制計算機上電后，首先開始系統自檢，包括系統總線掃描，各功能模塊初始化等流程，模塊成功上傳地址并初始化后，進行參數初始化配置，接受預設電壓等級、電壓電流傳感器變比等信息，并通過通訊總線寫各個從站模塊的保持寄存器，設置相應參數。完成以后系統進入運行主循環。反復采集電參數，通過PQanalyze進行參數分析，進行FFT計算并更新報表。工作流程如5所示。

4 實際測試結果分析

被試樣品選用一臺380 V、93 kW，額定頻率50 Hz通用變頻器，通過前文所述系統施加額定電壓、拖動電機加載至額定功率，待1 h內溫升變化不大于±1 K的熱穩定后，分別對其輸入、輸出側回路進行測試采樣。測試結果如圖6和圖7所示。

圖6 通用變頻器輸入電壓及電流波形

其中，圖6為輸入側電壓電流波形，圖7為輸出側電壓電流波形。測試在被試樣品滿載的條件下進行，可以看到，輸入側電流畸變較大。測試結果如表1所示。

波形的畸變程度以正弦波總諧波失真度THDu和THDi表示，見式(1)、(2)：

(1)

(2)

表1 380 V低壓變頻器諧波電流、電壓測試結果表

則，5次諧波電流含有率47.19%，7次諧波電流含有率20.8%，9次諧波電流含有率0.89%，11次諧波電流含有率7.23%，13次諧波電流含有率4.45%。5次諧波電壓含有率4.90%，7次諧波電壓含有率3.22%，9次諧波電壓含有率0.21%，11次諧波電壓含有率1.63%，13次諧波電壓含有率1.12%。9次諧波較小，符合前文所述之n=6k±1(k=1，2，…) 次諧波較大的原則。

并且，隨著諧波次數的升高，諧波含量整體呈減弱變化。該型號變頻器的諧波電流含量THDi達到51.88%之多，五次諧波電流含有率超過GB/T 14549-93規定的62A的限值。而THDu=1.66%，總畸變率未超過5%的限值，但五次諧波電壓含有率仍然超過4%的限值。

可見，前文所述測試系統能實現對被試樣品的供電、加載，且可實現在額定功率加載狀態下的電參數采集、諧波計算，并給出諧波測試結果，實驗結果合理。

5 結束語

本文分析了礦用變頻器的基本結構，闡述了其諧波發生的機理；設計一套可以對被試變頻器進行額定加載、內部電能回饋的電能質量測試系統，可對工作在額定狀態下的樣品進行諧波測試；經過試驗，被試低壓變頻器的五次、七次諧波畸變率較大。由于被試樣品為6脈波整流單元，這與文中諧波機理分析結果一致。