中壓防爆變頻器設計與研究

田云泉 李艷玲 朱彥麗

(山西汾西機電有限公司，山西 太原030027)

0 引言

針對我國煤機裝備制造業發展現狀，根據《國家經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》和《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》精神，為了加快智能制造裝備的創新發展和產業化、推動煤機裝備制造業轉型升級、公司提出并組織中高壓變頻調速控制系統、智能監測與診斷的研究；公司多年從事變頻器的研究、開發與生產并具有開發大功率變頻器的實力，對此領導積極要求變頻器研發部和工程部針對刮板輸送機專用變頻器要求作出相應科學方案，力爭把這個項目做成精品，力爭達到國際先進水平。

1 產品組成

本解決方案提出了應用于刮板輸送機專用變頻器解決方案，整個變頻器包括負責整流部分、逆變部分、卸荷電路部分、輸出濾波部分、水冷系統及控制部分組成。主回路單元的核心部分是DFE整流單元和逆變單元，還包括隔離開關、預充電電路、輸入電抗器、支撐電容組、放電電路、輸出濾波器等。控制系統包括PLC控制器、操作面板及顯示屏、功率處理單元、光纖耦合單元以及輔助控制電路。變頻器系統構成如圖1所示：

圖1 變頻器系統構成

2 電氣設計方案

2.1 主電路方案

2.1.1 主電路拓撲

主電路方案如圖2所示，整流器單元采用的是DFE二極管12脈波拓撲結構，逆變單元采用的是三電平NPC拓撲結構。

圖2 主電路方案

2.1.2整流單元

整流單元主要包括輸入接線端子、12脈波二極管整流電路以及輸入電流傳感器。輸入電流傳感器用以保護整個輸入電路，控制系統根據輸入電流傳感器的采樣數據對上游電路的輸入斷路器進行分勵及合閘動作。

2.1.3 逆變單元

逆變單元主要由三相功率模塊組成，如圖3所示，每一相的功率模塊由四個IGBT模塊、兩個鉗位二極管以及相應的門級驅動電路和吸收電容組成，上述部件通過疊層母排互相連接。逆變單元利用脈寬調制模式（PWM）形成IGBT的觸發波形，具體調制模式采用了空間矢量調制模式（SVPWM）。除功率模塊之外，逆變單元還包括三相輸出電流傳感器。

圖3 功率模塊方案

2.1.4 直流母線

直流母線包括直流支撐電容、電壓傳感器以及放電電路，變頻器停止運行后在5分鐘內將直流母線的電壓泄放到安全范圍內。

2.1.5 卸荷電路

變頻器根據具體應用需要配置卸荷電路，卸荷電路可以在電機制動或者系統失電等工況下平抑直流母線的電壓波動。

2.1.6 輸出濾波單元

輸出濾波單元為LC濾波器加上相應的阻尼電路構成，輸出濾波單元將平抑變頻器輸出的dV/dt，以及由于dV/dt造成的電纜波反射過沖電壓。如果變頻器電纜到負載電機的距離超過1000米，為了抑制由于器件開關在電纜波反射過程中所造成的過沖電壓，輸出濾波單元將考慮采用正弦濾波器。

2.2 控制系統方案

2.2.1 控制系統軟件設計

變頻器控制軟件包括：主控制器軟件、PLC軟件、和OP面板軟件。

主控制器軟件主要任務是對來自遠程和現地的控制指令進行處理；更新系統控制參數設置；完成變頻器狀態量的采樣，完成變頻器整流單元和逆變單元的控制算法；完成PWM控制信號的輸出；完成變頻器內部的各種保護功能；

PLC軟件主要對變頻器的各種I/O信號進行邏輯控制，完成內部溫度等信號的采樣，完成與外部控制分站的通訊。

OP面板軟件主要是對變頻器的各種操作狀態、運行參數進行顯示。PLC軟件主流程圖如圖4所示。

2.2.3 控制系統拓撲及組成

變頻器的控制系統拓撲結構如圖5所示，整個控制系統包括PLC、電力接口電路、光電耦合單元、各類輸入輸出端子、Profibus端子以及顯示屏等用戶界面模塊。

電力接口電路產生驅動逆變器單元IGBT的脈寬調制PWM信號。光電耦合單元將逆變器功率單元的PWM脈沖信號轉換為光纖信號進行傳輸，以保證PWM信號的抗干擾能力。PLC同時利用Profibus端子與用戶系統進行通信，獲得并且反饋控制和應用參數。

2.2.4 控制算法

整個系統的算法基于矢量控制算法。如圖6所示，整個控制系統由兩個控制環組成，外環負責根據編碼器的速度反饋信號完成電機轉速的控制，并且輸出電機轉矩參考值；內環負責根據電機轉矩參考值和轉矩觀測器的輸出完成電機轉矩的控制，以達到調速的目的。電機控制算法可以根據用戶需求采用矢量控制方法或者簡單壓頻比控制。

圖6 控制算法結構

3 結構設計方案

變頻器外殼設計如圖7：

圖7 整體結構

4 結束語

隨著現代電力電子技術及計算機控制技術的迅速發展，促進了電氣傳動的技術革命。交流調速取代直流調速，計算機數字控制取代模擬控制已成為發展趨勢。交流電機 變頻調速是當今節約電能，改善生產工藝流程，提高產品質量，以及改善運行環境的一種主要手段。變頻調速以其高效率，高功率因數，以及優異的調速和啟制動性能等諸多優點而被公認為最有發展前途的調速方式。變頻器和交流電機組成的交流調速系統具有更寬的允許電壓波動范圍、更小的體積、更強的通訊能力，更優良的調速性能，在煤礦企業中得到了廣泛的應用變頻器并趨于大功率，大型化發展。所以本文主要介紹了中壓防爆變頻器的設計研究。

［1］周明寶.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社.

［2］陳堅.電力電子學-電力電子變換和控制技術[M].北京：高等教育出版社.

［3］王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社.

［4］孟朔.適用于變頻調速系統的異步電機設計與分析方法的研究[D].清華大學.

［5］呂汀，石紅梅，編.變頻技術原理與應用[M].北京：機械工業出版社.

［6］王廷才，主編.變頻器原理及應用[M].北京：機械工業出版社.

［7］何超，主編.交流變頻調速技術[M].北京：北京航空航天大學出版社.