礦用井下驅(qū)動電機變頻器安全性技術(shù)的研究

王文杰

（寧武大運華盛莊旺煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700）

引言

變頻器在煤礦開采行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，由于其性能優(yōu)良，同時具有較強的節(jié)電能力，順應(yīng)煤礦開采行業(yè)的發(fā)展趨勢。隨著傳統(tǒng)煤礦生產(chǎn)中陳舊、效率低、能耗大的設(shè)備的淘汰，變頻器在行業(yè)內(nèi)發(fā)展迅速。變頻技術(shù)的應(yīng)用，客觀上滿足了行業(yè)節(jié)能降耗、保護環(huán)境的需要。礦用變頻器發(fā)展方向多樣，防爆技術(shù)及礦用防爆型變頻器的應(yīng)用也日趨廣泛。

變頻器的安全問題一直以來都是研究人員關(guān)注的問題，變頻器干擾問題以及漏電常給操作人員帶來不安全因素。為了適應(yīng)井下環(huán)境，變頻器在設(shè)計時就考慮到了抗抗爆、抗壓等問題，為了有效降低變頻器產(chǎn)生的漏電以及電磁輻射，提高設(shè)備運行時的安全可靠性。在基于前人研究基礎(chǔ)上針對諧波抑制等問題，進行了研究探討[1]。

1 變頻器安全性現(xiàn)狀

影響煤礦電能質(zhì)量的主要干擾源是電力電子設(shè)備，其中尤以礦用變頻器為代表。礦用變頻器一般采用金屬隔爆外殼，因此可以起到一定的電磁屏蔽作用。礦用變頻器一般體積較小，在加裝濾波器并增加良好的接地保護措施后輻射水平可降低到較為安全的范圍內(nèi)。變頻器作為一種非線性的電子設(shè)備，其內(nèi)部主要包括電感、電容、功率開關(guān)器件以及內(nèi)部邏輯控制電路如圖1 所示，為SG-2090型礦用驅(qū)動電機電氣結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 電機驅(qū)動變頻器結(jié)構(gòu)圖

如圖1 所示，變頻器的輸入與輸出端均會產(chǎn)生不規(guī)律的分散型電壓與電流信號，因此會在電氣設(shè)備周圍環(huán)境產(chǎn)生較強的高次諧波。諧波會致使電子電氣設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生電氣損耗，影響電氣設(shè)備的效能，嚴重時將干擾相關(guān)設(shè)備的正常運作，增加電能損耗。煤礦巷道內(nèi)井下定位系統(tǒng)同樣容易受到電磁干擾的影響，造成設(shè)備定位不準確，由此存在較為嚴重的安全隱患。鑒于此，變頻器諧波抑制是十分重要的，也是近年來主要的研究方向[2]。

2 諧波干擾模型分類

異步電機在工作時，其定子與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生電磁感應(yīng)作用，電磁感應(yīng)就會產(chǎn)生電場，在其不斷旋轉(zhuǎn)的過程中，由于電機氣隙的存在，將電磁效應(yīng)放大，影響電機運行中的功率因子。根據(jù)異步電機的工作可知，其定子在旋轉(zhuǎn)過程中，將在線圈繞組上形成感應(yīng)電動勢，并由此產(chǎn)生感應(yīng)磁場，該感應(yīng)磁場隨時間變化，對其他電機設(shè)備有較大的干擾影響[3]。

根據(jù)前人的研究成果，研究顯示提高PWM脈沖的載波頻率，可有效減弱諧波強度，變頻器產(chǎn)生的諧波或者電波與系統(tǒng)所形成的感應(yīng)電磁場形成較為廣泛的共模干擾，在共模干擾產(chǎn)生的同時，可能會同時形成差模干擾。如下頁圖2 中，列出了電路輸出端的差模干擾與共模干擾路徑[4]。

圖2 中分布電容符號用虛線表示，根據(jù)兩種干擾傳播路徑示意圖可知，針對PWM變頻器的諧波干擾的抑制，研究了其輸入側(cè)和輸出側(cè)的無源濾波器的參數(shù)設(shè)計方法。可通過變頻器電磁頻率，避開電氣設(shè)備之間的疊加效應(yīng)，從而達到有效降低或消除次生諧波的危害。一般的礦用功率輸出開關(guān)邊沿會產(chǎn)生電流浪涌，浪涌將直接導致共模干擾的加重，因此也需要對功率輸出開關(guān)進行設(shè)計與控制。

圖2 干擾模型示意圖

3 輸出諧波的抑制

3.1 差模干擾的抑制

現(xiàn)有主流的研究中，常采用的差模抑制方法是在變頻器輸出端使用LC 濾波器，濾波器可以有效抑制住電磁疊加共振的產(chǎn)生。但LC 濾波器作為一種無源濾波設(shè)備，功率匹配一直以為都是一個重要的研究領(lǐng)域。因為，LC 濾波器裝入變頻器輸出端時，其功率的匹配常常是一個比較困難的問題，主流的辦法采用試湊的方式確定LC 過濾器的大小。但同時缺乏對輸出端植入LC 過濾器所引起的損耗問題，隨著目前礦用驅(qū)動電機的功率的增加，相應(yīng)的LC 過濾調(diào)節(jié)控制則更難調(diào)節(jié)，如果LC 過濾器的設(shè)計不適當，反而會對系統(tǒng)輸出電容造成較大影響。

近年來，以二階LC 無源濾波器為諧波補償?shù)募夹g(shù)得到了廣泛應(yīng)用，其原理利用了礦用變頻器的輸出電壓的特性，達到對諧波的抑制效果。目前主流的二階LC 無源低通的內(nèi)部連接方式主要包括兩種，分別為星連接與三角連接，如圖3 所示為兩種連接方式結(jié)構(gòu)示意圖[5-6]。

圖3 二階LC 濾波器連接結(jié)構(gòu)示意圖

在LC 過濾器的使用過程中，也可能出現(xiàn)短路等危險，因此在實際應(yīng)用礦用變頻器應(yīng)使用具有隔爆作用的產(chǎn)品，在設(shè)計與選型LC 過濾器時應(yīng)遵循如下規(guī)則：

1）選擇與變頻器相匹配的過濾器。

2）電路設(shè)計中，應(yīng)充分考慮電路中的其他電器設(shè)備有可能產(chǎn)生的電磁感應(yīng)，特別是電感、電容等參數(shù)的設(shè)計，在滿足使用要求的基礎(chǔ)上應(yīng)盡量考慮電器設(shè)備之間的電磁兼容性。

3）為有效避免諧振的發(fā)生，當諧波頻率大于十倍基準頻率時，在選擇濾波器的截止頻率時應(yīng)避免選擇過大，應(yīng)在最低諧波頻率的0.1～0.2 倍之間。

3.2 共模干擾的抑制

一般共模干擾是指變頻器的信號線上有的共同的干擾信息，但由于變頻器輸出端與被測信號的接入端存在較為明顯的電位差，這兩種信號頻率相近、幅值相近，會產(chǎn)生諧波共振。這種干擾具有較強的周期性，所以采用在變頻器前端加入LC 濾波器不能很好地抑制這種干擾。對于共模干擾的抑制可采用如下方法：

1）使用差分輸入，可以使兩種信號之間不至于產(chǎn)生諧振，在系統(tǒng)中設(shè)置雙差分輸入的差動放大器，可以對共模干擾形成很強的抑制效應(yīng)。

2）將輸入端的線束進行絞合處理，可以將導線內(nèi)的電磁感應(yīng)磁場方向擾亂，且相互抵消，避免形成干擾。

3）可以在變頻器表面設(shè)置一個屏蔽層，屏蔽層可有效阻斷部分電氣設(shè)備之間的電磁干擾，防止干擾產(chǎn)生。

4 仿真分析

為了驗證對于諧波的抑制措施的有效性，且由于篇幅所限，在此基于MATLAB Simulink 軟件仿真計算三角形LC 低通濾波器對諧波抑制效果進行分析。基于Simulink 建立LC 濾波器三角形結(jié)構(gòu)仿真模型，其中逆變器電容量設(shè)置為380 kW，變頻器功率因數(shù)為0.92，其輸出的額定電壓為380 V，據(jù)此可以計算得到變頻器每一向限的等效電阻值。設(shè)置LC濾波器的傳遞函數(shù)，以及各參數(shù)變量的值，分析LC濾波器對變頻器諧波的抑制。

仿真分析結(jié)果顯示，基波電壓頻率小于50 Hz左右，可以無損耗通過，而頻率較高的電壓波就可以被很好地抑制。根據(jù)軟件的仿真分析，計算LC 濾波器對差模電壓的濾波性能，根據(jù)分析結(jié)果可確定濾波器的功率參數(shù)的選擇，為LC 濾波器的設(shè)計提供參考。

5 結(jié)論

仿真分析表明二級低通濾波器對于差模干擾諧波具有很好的抑制效果，通知通過仿真可以確定LC濾波器的關(guān)鍵參數(shù)，對于變頻器諧波抑制可提供重要的理論參考，對礦用驅(qū)動電機變頻技術(shù)的應(yīng)用具有重要參考意義。