礦井提升機用高壓變頻器的多重化技術的研究

王鵬，耿洋

(中機十院國際工程有限公司，河南 洛陽 471000)

礦井提升機用高壓變頻器的多重化技術的研究

王鵬，耿洋

(中機十院國際工程有限公司，河南 洛陽 471000)

高壓變頻器在礦井提升機等高壓電動機上廣泛應用。由于其功率大、電壓等級高，應用場合重要，所以對其輸入、輸出的諧波含量、功率因數等要求很高。在高壓變頻器的輸入端采用移相變壓器實現多重化技術。通過對其輸入、輸出諧波的理論分析、仿真分析以及實際的應用分析，共同表明多重化技術的應用可使高壓變頻器達到諧波含量小，功率因數高的目的。

高壓變頻器；多重化技術；移相變壓器；礦井提升機；諧波

1 引言

礦井提升機擔負著礦山從井下到井上的所有運輸任務，設備和材料的下放以及升降人員等重任，在整個工業生產中占有重要的地位。在礦井提升領域,礦井提升機、傳送機械、通風機、挖掘機等高壓電動機廣泛應用。它們大多數工作在低效率、高能耗的工作狀態[1]。通過高壓變頻器對它們進行變頻調速，可以得到顯著的節能效果。由于高壓變頻器產生的諧波含量過高會對國家電網污染嚴重，因此高壓變頻器的諧波問題是制約其發展的關鍵因素。本文研究的高壓變頻器是采用多重化技術，利用移相變壓器的延邊移相原理從而實現電壓、電流輸入多重化達到使高壓變頻器減小輸入、輸出諧波的目的。

2 移相變壓器多重化技術在高壓變頻器中的作用

本文以6kV高壓變頻器為例，來著重研究移相變壓器的多重化技術在高壓變頻器中的作用。高壓變頻器結構圖如圖1所示。采用功率單元串聯結構的高壓變頻器，它是由高壓輸入后，經過移相變壓器的降壓移相，再經低壓功率單元串聯輸出高壓。在這個電路中，移相變壓器起到了兩個重要功能:一是降壓功能。移相變壓器使6kV的高壓輸入降為低壓，保證后串聯的各個低壓功率單元能正常的工作;二是移相功能[2]。電壓經過移相變壓器移相后輸入到低壓功率單元，使經過低壓功率單元輸出的電壓依次錯開一個電角度。這樣可使功率單元串聯輸出后得到的階梯波電壓非常接近正弦波。移相變壓器的移相功能就是實現高壓變頻器多重化技術的關鍵。下面分析一下移相變壓器的移相原理。

圖1 高壓變頻器結構圖

3 移相變壓器的移相原理分析

根據繞組的不同連接方式，移相變壓器可以分為順延和逆延兩種變壓器[3]。即變壓器二次側繞組線電壓的相位領先或滯后其一次側繞組線電壓一個角度。

3.1 順延移相變壓器

圖2、圖3分別為順延移相變壓器的繞組連接圖和相量圖。其一次側繞組為星形聯結，每組匝數為N1；二次側每組繞組由兩部分線圈組成，匝數分別為N2和N3。根據相量圖分析，順延移相變壓器的移相角α有如下關系：

(1)

(2)

式中，0°≤α≤30°；VQ為N3線圈的電壓有效值；Vby為b、y兩點間的電壓有效值。

圖2 順延移相變壓器繞組連接圖

圖3 順延移相變壓器相量圖

對于一個三相對稱系統來說，電壓Vby與Vax的值相同，式(2)可改寫為

(3)

由上式可得到二次側的繞組系數k,

(4)

同理，由相量圖可推導得到

(5)

(6)

變壓器的匝數比為

(7)

將式(6)代入式(7)可

(8)

可以驗證一下兩種極端的情況。假設N2=0，則圖2中的二次側繞組變成星形聯結，這樣電壓與的相位一致，即α等于0°；如果N3=0，則二次側繞組變成三角形聯結，這時α等于30°。因此順延移相變壓器的移相角α在0°～30°的范圍內。

3.2 逆延移相變壓器

圖4 逆延移相變壓器繞組連接圖

圖5 逆延移相變壓器相量圖

與順延移相變壓器分析同理，可得二次側繞組系數k和匝數比n，

式中，30°≤α≤0°。

由前面給出的移相變壓器二次側繞組系數k和匝數比n可設計出36脈波移相變壓器的相關參數，見下表1：

表1 36脈波移相變壓器相關參數計算

上表是將3個功率單元作為一組，組內相位相同，組間相差10度，從而形成6組移相的36脈波多重化整流方式。若繼續減小組間相差度數，則能形成更多脈波多重化整流方式，可使輸入諧波更小，但在實際應用中移相變壓器的加工更為復雜，因此在生產實踐過程中應綜合考慮。

4 高壓變頻器多重化技術的諧波分析

本文研究的36脈波移相變壓器的聯結方式如表1所示。第一組和第六組分別順延和逆延25°；第二組和第五組分別順延和逆延15°；第三組和第四組分別順延和逆延5°。設上述六組二次側的a相電流ia折合到一次側的A相電流為iA，則iA中的各次電流的正序分量可以表示為

同理其負序分量可以表示為

則iA的表達式為

分析可得如下結論：

(1)當k=0時，六組電流分量中的基波分量相位相同，故一次電流中的基波同相位相疊加，其幅值為：

(2)當k=1時，六組電流分量中的5次和7次諧波分量分別相加后均為0，即不存在5次和7次諧波。同理，當k=2、3、4、5時，與k=1時類似，不存在11、13、17、19、23、25、29、31次諧波。

(3)當k=6時，六組電流分量中的35次和37次諧波分量分別相加后不為0，其幅值為

(4)依此類推，當k=6N，N=0、1、2、3、…時，各一次電流分量中的相應的36N±1次諧波不會抵消；當k≠6N，N=0、1、2、3、…時，各一次電流分量中的6kN±1次諧波可以抵消。

當采用六重化36脈波移相變壓器整流時，一次電流中將只有基波以及36N±1，N=0、1、2、3、…次諧波電流存在，其最低次諧波為35次。

5 多重化技術應用于高壓變頻器的仿真分析

通過建立仿真模型，構造36脈波多重化整流變壓器模型，對應的功率單元串聯的36脈波多重化整流輸入電壓如圖6所示。其中，每個繞組移相10°。

圖6 36脈波多重化整流輸入電壓

選擇一組進行諧波分析，利用Powergui工具對仿真結果進行分析，如圖7所示。該組經多重化整流后電壓波形波動很小，諧波干擾小。THD=0.01%。

圖7 36脈波多重化整流電壓諧波分析

在實際的礦井提升機應用中，6kV高壓變頻器給一臺500kW/6kV三相異步電動機供電。電機參數為：額定功率是Pe=500kW，額定電壓是Ue=6000V，額定電流是Ie=54A，額定轉速是n=1450rpm，功率因數是，效率是=94.3%。

當高壓變頻器輸出電壓的頻率達到50Hz，輸出電壓波形及諧波分布圖如圖8所示。高壓變頻器輸出線電壓的波形接近正弦波，由諧波分析圖可以看出其低次諧波的含量很小，THD等于3.38%，完全能滿足目前礦井提升用高壓電動機的供電要求。

圖8 高壓變頻器輸出線電壓的波形和諧波分布圖

6 結束語

高壓變頻器在礦井提升領域的應用迎合了高壓電動機的發展，是目前交流調速的主要方式。本文通過對多重化技術的原理分析、多重化電路輸出諧波的理論分析和仿真分析可共同看出采用多重化技術，高壓變頻系統的輸入電壓諧波大幅減小，且在實際應用中其輸出電壓的諧波含量也很低。由此可以確定高壓變頻器采用移相變壓器實現多重化輸入的可行性。另外本文還對多重化技術詳細分析并給出了36脈波移相變壓器的部分設計數據。為高壓變頻器的設計與使用提供了參考。

[1] 張選正，顧紅兵.中高壓變頻器應用技術[M].北京：電子工業出版社，2007.6.

[2] 吳斌著.衛三民,蘇位峰,等譯.大功率變頻器及交流傳動[M].北京：機械工業出版社，2007.8.

[3] 張皓，續明進，楊梅.高壓大功率交流變頻調速技術[M].北京：機械工業出版社，2006.

[4] 李永東，肖曦，高躍.大容量多電平變換器：原理·控制·應用[M].北京：科學出版社，2005.

The Research of Multiple Technology with High Voltage Inverter of the Mine Hoist

WANGPeng,GENGYang

(China Machinery TDI International Engineering Co.,Ltd.,luoyang 471000，China)

High voltage inverters are widely used in high voltage motors.For example,the mine hoist and so on.Because its power is big,the voltage class is high,and the application situation is important,so it has a high demand to input harmonic,power factor,and so on.This paper we well use the phase shifting transformer in the high voltage inverter input to realizing multiple of technology.According to the theory,simulation,and actual application analysis of the input and output of harmonic wave,we can see by using multiple of technology we well reduce the harmonic and improving the power factor of the high voltage inverter.

high voltage VVVF；multiple technology；phase-shifting transformer；mine hoist；harmonic

1004-289X(2015)05-0026-04

TN77

B

2014-07-24

王鵬(1983-)，女，河南洛陽人，中機十院國際工程有限公司，工程師。主要從事電氣工程設計； 耿洋(1983-)，男，河南洛陽人，中機十院國際工程有限公司，工程師。主要從事電氣工程設計。