智驅未來
——智能三電平防爆變頻器

河南師范大學

李 哲，姚 興，馬梓恒

1 作品介紹

本項目采用先進的計算機控制技術和現代電力電子技術，研究開發科技含量高、具有自主知識產權的全數字三電平礦用驅動設備控制系統，用于礦井驅動系統的改造和建設。系統采用可編程控制器（PLC）自動完成提升系統全過程控制、安全保護和人機對話等控制功能，實現了驅動系統的位置控制，達到驅動設備全自動運行的目的；利用上位機實現系統監視、診斷功能，并通過局域網連接實現資源共享，從而提高礦井生產的現代化管理水平。驅動系統如圖1所示。

圖1 防爆變頻驅動系統

2 技術原理

本產品控制器采用“DSP+FPGA+CPLD”作為主控芯片，能夠實現電機的四象限驅動、重載零速懸停、故障保護及容錯控制等核心功能；采用“IGBT動態損耗控制算法+模型預測控制算法”在線計算功率器件損耗，實時控制系統內溫度，實現系統自身智能化能量控制；采用“超對稱鏡像互消”的超低雜散電感設計方法，將電感降低至100 nH以內；該系統驅動電機時能夠起到節能減排的作用，實驗室測得本產品相較傳統驅動方式至少節能21.26%。二極管箝位型三電平功率變換器（逆變器側）拓撲結構如圖2所示。系統控制效果如圖3所示。

圖2 二極管箝位型三電平功率變換器（逆變器側）拓撲結構

圖3 控制效果

3 作品創新點

與市場上現有的產品相比，本產品的優勢主要體現在以下三個方面：

（1）全知識產權。針對本產品已經申請了包括外觀、結構、控制算法、工藝流程等方面的專利，并申請了多項軟件著作權以保護核心技術代碼。

（2）應用了超低損耗控制算法、超低雜散電感疊層母線、超高安全性防爆設計，使設備結構緊湊、雜散電感低、散熱良好，系統整體節能約20%。

（3）可智慧組網互聯，構建智慧礦山。

4 應用前景

國家在《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030年）》中指出：“到2050年，全面建成安全綠色、高效智能礦山技術體系，實現煤炭安全綠色、高效智能生產。”雙三電平變頻調速系統實現了高性能、四象限運行、單位功率因數、低諧波、高可靠性的控制，改變國內一些傳統提升系統的調速方式，進而改變了礦用電力傳動系統諧波重、無功消耗大的形象。本產品現在已經在黑龍江省、內蒙古自治區獲得應用，為實現煤礦智能化建設奠定了應用基礎。