煤礦提升機子模塊MMC電壓分析及電路控制設計

田飛云

（山西陽城陽泰集團竹林山煤業有限公司，山西 陽城 048105）

礦井提升機的運輸、啟停主要是電力拖動里面的控制器在進行著控制，控制器里面的子模塊又是其組成結構，一個小小的電壓子模塊能夠影響電路控制以及提升機運輸情況[1]。竹林山煤礦提升機在運料等過程中，會頻繁啟動、停止，子模塊中的電容電壓就會有顯著的波動，電壓不穩定會影響變流器甚至提升機本身的使用功能、壽命。為了解決電壓波動、延長提升機壽命、提高竹林山煤礦提升量，通過對提升機子模塊MMC控制器分析，設計相適應的控制電路，達到增強提升機的電壓、電流穩定效果。

1 子模塊MMC輸出功率及電壓波動規律

1.1 提升機子模塊輸出功率

根據電力拖動、電學知識，提升機子模塊輸出相電壓、相電流分別定義為：

式中：

u0-輸出相電壓，V；

Um-相電壓幅值，V；

Ud-母線電壓，V；

m-調制比，其中，m=2Um/Ud，0≤m≤1；

w-電壓角頻率，Hz；

t-時間，s。

式中：

i0-輸出相電流，A；

Im-相電流幅值，A；

φ-功率因素弧度角，rad。

則子模塊輸出瞬時功率為：

式中：

P0-提升機子模塊輸出的瞬時功率，W。

假設電容電壓是一個恒定不變值，在分析輸出功率時不考慮二倍頻分量只考慮橋臂環流的平均值[2]。提升機變流器上的子模塊MMC輸出的瞬時功率與上下橋臂輸出功率形成互補，隨著時間類同為基頻波動規律變化，但整個變流器上電容儲存的能量卻是較為穩定的。雖然提升機在運行過程中懸浮電容是一個周期性充放電過程，但在一個周期循環內，子模塊MMC輸入輸出功率均值能夠達到平衡狀態[3]。

1.2 MMC電壓波動規律分析

子模塊MMC電容電壓[4]的最大值振幅、波動頻率與半橋臂功率波動有關。幅值一定，增大子模塊MMC波動頻率，電容電壓波動幅值變小。對于母線中點控制的電壓，重復累加的零序電壓反而不會對輸出的線電壓產生影響，主要是因為三相負載是對稱的。若零序電壓為高頻量，相見循環流動的電流較為集中，出現的就是橋臂輸出電壓分量較為集中，輸出的電流為高頻分量，進而促使子模塊中的MMC輸出功率波動頻率由低頻迅速轉變為高頻率的波動功率。子模塊MMC中下橋臂的電壓、電流、輸出功率、能量隨時間變化規律見圖1。

圖1 子模塊電容電壓各參量波動曲線

2 子模塊MMC對不同負載下電壓作用

通過電壓數值仿真模擬來進一步研究子模塊MMC電壓的變化規律，為下一步提升機的電路控制設計奠定基礎。利用仿真軟件建立子模塊MMC模型，電壓三相上的每一相的橋臂均設置子模塊，分別仿真純電阻下電壓變化和異步電機驅動的電壓變化情況。子模塊MMC仿真進行設置的相關參數如表1所示。

表1 子模塊MMC電壓仿真參數

（1）對純電阻下子模塊控制電壓仿真分析

電路負載只有純電阻的子模塊MMC控制的電壓變化仿真數值模擬的電壓波形變化曲線如圖2所示，從圖中看出子模塊MMC在電源輸出功率為25Hz運行時，濾波后子模塊輸出電壓以正弦函數變化，整個過程較為平穩。說明負載為純電阻的情況下，子模塊MMC可有效降低輸出電壓波動，有助于保護負載。

圖2 純電阻子模塊仿真輸出電壓曲線

（2）對異步電機驅動的子模塊MMC控制電壓仿真分析

從模擬仿真來看，電機啟動近似一條直線型，轉速增長過程較為平穩，未出現較大波動，從啟動到運轉過程一切平穩過渡。電機在啟動過程中，電容電壓波動最大的幅度值不超15V，電機平穩運行后，電容電壓波動幅值接近于8V，說明子模塊MMC能夠有效降低電壓波動，可以保護異步電機平穩啟動、運轉。在電機驅動下的整個運轉過程中，子模塊MMC輸出電壓和電流波動均在一個較為合理的范圍變化。

3 電路控制設計

3.1 子模塊MMC控制器電路設計

為了保障礦井提升機正常運行，提高運輸機提升量，在變流器里裝有子模塊MMC，子模塊可以控制提升機在工作中平穩運行。子模塊MMC為控制電壓平穩，需要對子模塊的各個控制電路進行合理的設計。子模塊MMC電路控制平臺實物見圖3所示。

（1）電源電路

電源電路采用一款專用的電源芯片，電源芯片輸出的首工作電壓為3.0V，該電壓能夠控制T1管電流導通，低電平1EN端口無法輸出2.0V的電壓，只有輸出1OUT才能夠輸出此電壓值。在電路設計中，完全考慮了芯片的上電順序，并且為了減少磁場的干擾，對接地與用電器之間，用電器與電源之間，均采用該專用芯片作為電源電路，保證子模塊MMC能夠較好地控制電壓穩定運行。

圖3 電路控制平臺實物圖

（2）復位電路

在子模塊MMC復位電路中，采用TPS3823芯片進行復位工作。在復位電路運行過程中，若自動復位芯片發生故障，就可以采用在控制器上S1為手動復位開關。復位信號連接線與控制板上的引腳相連，連接線是保證子模塊MMC芯片上電復位或者手動復位的橋梁。

（3）采樣電路

為了采集子模塊MMC的電壓、電流、頻率等參數，在電路中開發設計了采樣電路。采樣電路中有A/D轉換電流，將采集到的信號進行調理分析。比如電路中的霍爾傳感器電流信號，經過采樣電阻的轉換，可以轉換為電壓信號，在第一級放大器運算后把信號衰減、減弱，信號在第二級放大器運算后零電位反而被升高，最終輸出的采樣電路電壓在0～3V范圍。

（4）檢測電路

為了檢測子模塊MMC的運行狀態或者故障問題，設計了檢測電路。電路中三相電流輸出A相和C相信號被傳感器采集，在后處理器運算分析后，能夠得出三相電流的B相信號。經過三相整流和濾波，并通過分電阻分壓，最終輸出檢測信號電壓，根據檢測電壓判斷子模塊的運行狀態。

3.2 現場運用

在竹林山煤礦提升運輸機安裝子模塊MMC控制器，控制器中的控制電路均采用設計的電源電路、復位電路、采樣電路和檢測電路。現場通過6個多月的運行，竹林山煤礦運輸量大大提高，不僅提升機運輸穩定，而且故障率顯著降低了。以前，提升機未安裝控制電路的子模塊MMC，平均每個月就會發生1次較大故障、1～2次小故障，多數故障都是因電機電壓不穩定造成的，在提升機安裝控制電路的子模塊MMC后，6個月運行當中，只發生過1次故障。在子模塊MMC的保護下，電機在啟動、運行和停止過程中受電壓影響較小，能夠使得提升運輸平穩，載重量提高，有效增加了礦井運輸能力。而且，提升機在發生故障時，檢測電路通過信號傳感器作用，反饋給控制終端，維修人員快速找到故障處，進行維修處理，降低了礦井運輸停滯率。

通過子模塊MMC的各種電路設計，在子模塊MMC控制下，減小了輸出電壓波動幅值，保護電機在啟動過程中的過電流，避免損傷電機。子模塊MMC控制保障了竹林山煤礦提升機的電壓、電流穩定，增強了提升機運輸能力和使用性能，有效延長了提升機使用壽命。

4 結 論

從理論上分析了子模塊MMC電壓波動規律，利用仿真軟件分別對子模塊MMC的負載在純電阻下和異步電機驅動的電壓作了數值模擬研究，采用子模塊MMC控制器，電壓波動幅值顯著降低，電壓較為平穩，有利于控制提升機穩定運行。根據子模塊MMC控制電壓規律，設計了控制器的電源電路、復位電路、采樣電路、檢測電路。根據現場運用反饋，竹林山煤礦提升運輸機采用設計的控制電路子模塊MMC控制器，提升機的電壓、電流穩定效果良好，降低了提升機的運輸故障率，提高了竹林山煤礦的運輸能力。