礦用井下驅動電機變頻器安全性技術的研究

王文杰

（寧武大運華盛莊旺煤業有限公司，山西 忻州 036700）

引言

變頻器在煤礦開采行業中被廣泛應用，由于其性能優良，同時具有較強的節電能力，順應煤礦開采行業的發展趨勢。隨著傳統煤礦生產中陳舊、效率低、能耗大的設備的淘汰，變頻器在行業內發展迅速。變頻技術的應用，客觀上滿足了行業節能降耗、保護環境的需要。礦用變頻器發展方向多樣，防爆技術及礦用防爆型變頻器的應用也日趨廣泛。

變頻器的安全問題一直以來都是研究人員關注的問題，變頻器干擾問題以及漏電常給操作人員帶來不安全因素。為了適應井下環境，變頻器在設計時就考慮到了抗抗爆、抗壓等問題，為了有效降低變頻器產生的漏電以及電磁輻射，提高設備運行時的安全可靠性。在基于前人研究基礎上針對諧波抑制等問題，進行了研究探討[1]。

1 變頻器安全性現狀

影響煤礦電能質量的主要干擾源是電力電子設備，其中尤以礦用變頻器為代表。礦用變頻器一般采用金屬隔爆外殼，因此可以起到一定的電磁屏蔽作用。礦用變頻器一般體積較小，在加裝濾波器并增加良好的接地保護措施后輻射水平可降低到較為安全的范圍內。變頻器作為一種非線性的電子設備，其內部主要包括電感、電容、功率開關器件以及內部邏輯控制電路如圖1 所示，為SG-2090型礦用驅動電機電氣結構示意圖。

圖1 電機驅動變頻器結構圖

如圖1 所示，變頻器的輸入與輸出端均會產生不規律的分散型電壓與電流信號，因此會在電氣設備周圍環境產生較強的高次諧波。諧波會致使電子電氣設備內部產生電氣損耗，影響電氣設備的效能，嚴重時將干擾相關設備的正常運作，增加電能損耗。煤礦巷道內井下定位系統同樣容易受到電磁干擾的影響，造成設備定位不準確，由此存在較為嚴重的安全隱患。鑒于此，變頻器諧波抑制是十分重要的，也是近年來主要的研究方向[2]。

2 諧波干擾模型分類

異步電機在工作時，其定子與轉子之間產生電磁感應作用，電磁感應就會產生電場，在其不斷旋轉的過程中，由于電機氣隙的存在，將電磁效應放大，影響電機運行中的功率因子。根據異步電機的工作可知，其定子在旋轉過程中，將在線圈繞組上形成感應電動勢，并由此產生感應磁場，該感應磁場隨時間變化，對其他電機設備有較大的干擾影響[3]。

根據前人的研究成果，研究顯示提高PWM脈沖的載波頻率，可有效減弱諧波強度，變頻器產生的諧波或者電波與系統所形成的感應電磁場形成較為廣泛的共模干擾，在共模干擾產生的同時，可能會同時形成差模干擾。如下頁圖2 中，列出了電路輸出端的差模干擾與共模干擾路徑[4]。

圖2 中分布電容符號用虛線表示，根據兩種干擾傳播路徑示意圖可知，針對PWM變頻器的諧波干擾的抑制，研究了其輸入側和輸出側的無源濾波器的參數設計方法。可通過變頻器電磁頻率，避開電氣設備之間的疊加效應，從而達到有效降低或消除次生諧波的危害。一般的礦用功率輸出開關邊沿會產生電流浪涌，浪涌將直接導致共模干擾的加重，因此也需要對功率輸出開關進行設計與控制。

圖2 干擾模型示意圖

3 輸出諧波的抑制

3.1 差模干擾的抑制

現有主流的研究中，常采用的差模抑制方法是在變頻器輸出端使用LC 濾波器，濾波器可以有效抑制住電磁疊加共振的產生。但LC 濾波器作為一種無源濾波設備，功率匹配一直以為都是一個重要的研究領域。因為，LC 濾波器裝入變頻器輸出端時，其功率的匹配常常是一個比較困難的問題，主流的辦法采用試湊的方式確定LC 過濾器的大小。但同時缺乏對輸出端植入LC 過濾器所引起的損耗問題，隨著目前礦用驅動電機的功率的增加，相應的LC 過濾調節控制則更難調節，如果LC 過濾器的設計不適當，反而會對系統輸出電容造成較大影響。

近年來，以二階LC 無源濾波器為諧波補償的技術得到了廣泛應用，其原理利用了礦用變頻器的輸出電壓的特性，達到對諧波的抑制效果。目前主流的二階LC 無源低通的內部連接方式主要包括兩種，分別為星連接與三角連接，如圖3 所示為兩種連接方式結構示意圖[5-6]。

圖3 二階LC 濾波器連接結構示意圖

在LC 過濾器的使用過程中，也可能出現短路等危險，因此在實際應用礦用變頻器應使用具有隔爆作用的產品，在設計與選型LC 過濾器時應遵循如下規則：

1）選擇與變頻器相匹配的過濾器。

2）電路設計中，應充分考慮電路中的其他電器設備有可能產生的電磁感應，特別是電感、電容等參數的設計，在滿足使用要求的基礎上應盡量考慮電器設備之間的電磁兼容性。

3）為有效避免諧振的發生，當諧波頻率大于十倍基準頻率時，在選擇濾波器的截止頻率時應避免選擇過大，應在最低諧波頻率的0.1～0.2 倍之間。

3.2 共模干擾的抑制

一般共模干擾是指變頻器的信號線上有的共同的干擾信息，但由于變頻器輸出端與被測信號的接入端存在較為明顯的電位差，這兩種信號頻率相近、幅值相近，會產生諧波共振。這種干擾具有較強的周期性，所以采用在變頻器前端加入LC 濾波器不能很好地抑制這種干擾。對于共模干擾的抑制可采用如下方法：

1）使用差分輸入，可以使兩種信號之間不至于產生諧振，在系統中設置雙差分輸入的差動放大器，可以對共模干擾形成很強的抑制效應。

2）將輸入端的線束進行絞合處理，可以將導線內的電磁感應磁場方向擾亂，且相互抵消，避免形成干擾。

3）可以在變頻器表面設置一個屏蔽層，屏蔽層可有效阻斷部分電氣設備之間的電磁干擾，防止干擾產生。

4 仿真分析

為了驗證對于諧波的抑制措施的有效性，且由于篇幅所限，在此基于MATLAB Simulink 軟件仿真計算三角形LC 低通濾波器對諧波抑制效果進行分析。基于Simulink 建立LC 濾波器三角形結構仿真模型，其中逆變器電容量設置為380 kW，變頻器功率因數為0.92，其輸出的額定電壓為380 V，據此可以計算得到變頻器每一向限的等效電阻值。設置LC濾波器的傳遞函數，以及各參數變量的值，分析LC濾波器對變頻器諧波的抑制。

仿真分析結果顯示，基波電壓頻率小于50 Hz左右，可以無損耗通過，而頻率較高的電壓波就可以被很好地抑制。根據軟件的仿真分析，計算LC 濾波器對差模電壓的濾波性能，根據分析結果可確定濾波器的功率參數的選擇，為LC 濾波器的設計提供參考。

5 結論

仿真分析表明二級低通濾波器對于差模干擾諧波具有很好的抑制效果，通知通過仿真可以確定LC濾波器的關鍵參數，對于變頻器諧波抑制可提供重要的理論參考，對礦用驅動電機變頻技術的應用具有重要參考意義。