煤礦電機中高壓變頻器的設計及應用研究

張興國

（晉能控股煤業集團草垛溝煤業有限公司， 山西 大同 037102）

引言

礦用驅動電機變頻器的應用，極大地提高了設備工作效率以及使用壽命，改善了電力系統的電能質量。實際上我國煤炭開采行業電量消耗巨大，而電能所占其生產成本的比例也比較大，因此迫切需要提高相關設備的效能。為了提高設備的運行效率以及可靠性，逐漸發展出來的驅動電機高壓變頻器，既可以減小啟動電流，也可以增大啟動轉矩。

隨著技術的進步，高壓變頻器控制系統發展出了矢量控制、直接扭矩控制等控制特性的變頻器。變頻器具有較好的穩態特性，解決了帶式輸送機、提升機等大型煤礦用電機驅動設備啟動與停車沖擊大等問題。高壓變頻器的應用具有以下優點：系統可靠性提高、噪聲低、操作人員工作環境改善；減小沖擊，機器運行平穩；對電流載荷要求降低，啟動電流沖擊小，不對電網造成較大影響；無極調速控制，方便操作，同時提高設備運行效率[1]。

1 礦用變頻器研究現狀

為了提高煤礦設備的工作效率，常采用提高設備運行速率的方法，但速度的增加使得設備對速度的控制更難。隨著變頻器技術的不斷發展與應用，使得帶式輸送機、礦用提升機等設備的效率得到了極大提高，尤其是中高壓超大容量變頻器的出現，使礦用設備逐步向高速、重載、精準控制等方向發展。一般礦用變頻器主要是指礦井、礦山所使用的變頻器，常見的設備包括提升機、帶式輸送機、大型絞車等。

由于煤炭行業設備工作環境惡劣，粉塵污染嚴重，同時存在可燃性氣體，因此對設備的防爆能力提出了更高的要求。變頻器控制簡單，易于維護，因此非常適用于煤礦開采環境?；诂F有帶式輸送機上的異步驅動電機，設計一套變頻控制器，以提高設備運行的效能，對于保障設備使用壽命具有重要意義[2]。

2 三相異步電機驅動模型

該帶式輸送機采用三相異步電動機驅動，首先需建立其數學模型，以研究提高帶式輸送機的調速性能。主要應用矢量控制技術，將驅動電機的轉子、定子繞組中的電流等信息與電機電磁通量等驅動電機參數進行矢量變換。在異步電機變頻控制的數學模型中，將其視為理想模型，需假定定子與轉子結構均勻且對稱，同時電機的氣隙變化規律呈三角函變化分布、忽略電磁泄漏等。

如圖1 所示，為三相異步電機的結構示意圖，目前繞組式電機可一般包括兩種，即繞組式和籠型式，根據其物理模型可構建電機參數之間的數學關系。其中A、B、C 分別表示電機三相靜止電極；a、b、c 分別表示旋轉的轉子三個相；轉子轉速可以用ω 表示；θ 表示定子與轉子各相之間的夾角，夾角的微小分量用dt表示，則有關系θ=∫ωdt；異步電機在A、B、C 三個定子電極坐標上的數學模型可表示為ui=Rsin+pψt，其中矩陣ui表示電機各項定子間的電壓，in表示定子間的電流，矩陣ψt表示每相繞組的全磁鏈[3]。

圖1 三相異步電機物理模型

3 三相異步電機矢量控制原理

3.1 驅動電機數學模型

異步電動機變頻調速實際上是通過對電機轉矩的調控，從而達到對電動機輸出功率的控制。根據三相電機驅動模型，建立反映電機轉矩的方程，從而建立起電機驅動運行系統方程。

式中：Tl為電動機負載端轉矩；Te為電機電磁轉矩，Te=CTIaIf，其中Ia為電動機定子各相繞組電流；If為電動機動子各相三繞組電流。n 為電動機的轉速，r/min；GD2/375 為電機轉動慣量系數。

根據上述關系可以確定電動機電流特性，是矢量控制的基礎與前提[4]。

3.2 矢量坐標轉換

矢量控制的前提是需要先將電動機的電動特性信號轉換為數學矩陣的計算，矢量坐標系轉換是實現異步電動機轉矩等效轉化為直流電機轉矩矩陣的重要方法。本技術主要基于Clark 坐標變換，將電動機轉子的三相電流表示在（α、β）的兩相二維坐標系中，與之對應的可以將各相電流進行拆分，坐標轉換的原則是iαβ=CiABC，其轉換關系如圖2 所示。

圖2 三相坐標系轉換

3.3 矢量控制

將與M-T 垂直的方向設定為平面旋轉坐標系，首先將電動機的定子電流分解到M-T 方向，由于兩者之間相互垂直可實現安全解耦，因此可實現像控制直流電動機那樣控制異步電動機。與直流電機一樣，T垂直于M 軸，如圖3 所示，為定子磁場矢量控制原理[5]。

圖3 定子電磁矢量控制原理

4 三電平高壓變頻器的結構設計

4.1 變頻器的主電路結構

如圖4 所示為三電平高壓變頻器主電路圖，三電平變頻器輸出端可實現三種電壓狀態的輸出，實現了對異步電動機的驅動控制。根據變頻器電路圖可知，其輸入端是兩個相對獨立的三相流橋通過并聯而形成12 脈沖整流電路。

圖4 三電平高壓變頻器主電路

該三電平變頻器結構簡單，電路分布規整，可有效降低交流側輸入電流的諧波效應，變頻器直流端設計了兩個較大的電容，電路的逆變端則設置了逆變器，該逆變器基于三相二極管技術[6]。

變頻器主電流側的電壓值表示為Udc，變頻器可輸出三種電壓，變頻器每個橋臂由兩個IGBT 串聯和兩個續流二極管連接構成，變頻器的結構設計具有以下優勢：首先，串聯的兩個IGBT 可有效提升電路的抗沖擊能力、降低電動機的功耗；其次，輸出由兩電平變為三電平，由此可使電壓變化減小和電流脈動減小，極大縮短電機調控的響應速率。

4.2 變頻器的工作原理

變頻器電流方向規定為從逆變器流向驅動電機的方向為正方向，系統中電氣設備、開關視為理想型設備，不考慮設備對電機電磁通量的影響。三電平變頻器在實際工作中需要注意設備在狀態切換時可能存在一定的時間間隔，變頻器設計時應將該時間間隔納入考慮。如此結構設計可以有效防止一個開關還未完全閉合的情況下將另外的開關打開，而導致一些電路設備上電壓過高而產生的損壞。

如圖5 所示為變頻器內部A 相處于“I”狀態時開關的內部結構原理圖，當1、2 號開關處于接通狀態，同時3、4 號開關處于閉合狀態時，電路此時對電容C1 進行充電。同理當A 相處于“0”狀態時，2、3 號開關處于結合狀態，1、4 號開關斷開，根據電流方向的不同，實現對不同電容的充電，若電流是正向的，則C1 處于充電狀態；若電流為負的，則實現對電容C2的充電。

圖5 變頻器工作原理

5 實際應用效果分析

后期對該結構的高壓變頻器進行了仿真計算分析與實驗測試，得到的結果均顯示基于該矢量控制計算的三電平變頻器可有效降低設備開關頻率，降低電機輸出端電波畸變特性，因此有效降低了諧波的產生，提高了設備的抗干擾能力，提高了電動機的功率因數，提高了設備的抗過載能力。由此說明該結構的高壓變頻器達到設計目標，對實際變頻器結構設計具有重要參考與借鑒意義。

6 結語

研究提高礦用電機的啟動特性、抗干擾能力對保障煤礦的生產具有重要意義，以現有礦用多電機帶式輸送機驅動控制為研究對象。對高壓變頻器發展現狀與趨勢，三相異步電機驅動的數學模型與矢量控制技術，變頻器的結構設計，其中主要是高壓變頻器主電路的結構設計進行分析。設計并搭建高壓變頻器，經后期的仿真分析與實驗測試，結果均顯示高壓變頻器達到設計要求，可為后續高壓變頻器結構設計提供重要參考，對提高保障設備的使用壽命具有重要意義。