煤礦井下變頻器濾波裝置的優化研究

連文軍

（晉能控股煤業集團長治仙泉煤業， 山西 長治 047100）

引言

隨著煤礦綜采裝備技術水平的提高，井下多類型驅動電機均采用變頻驅動，對供電系統的供電穩定性提出了更高的要求，高壓變壓器在對電壓進行變壓的過程中會產生不穩定電壓，而且由于供電距離不同，導致實際傳輸到變頻電機處的電流存在一定波動，導致變頻驅動電機在運行過程中由于電流存在雜波信號而產生異常運行噪聲。目前多數生產企業均在變頻器的輸出端增加了濾波裝置，用于降低變頻器輸出變頻電流內的雜波，但這些濾波裝置主要采用RL 濾波器，普遍存在工作效率低、濾波性能差、可靠性不足的缺陷，無法滿足井下變頻驅動電機平穩運行的工作需求。

本文提出了一種新的變頻器濾波裝置，對該變頻器濾波裝置的濾波原理、整體結構等進行了分析，并利用仿真分析和實踐驗證的方式對該變頻器的實際運行效果進行了分析，結果表明，新的變頻器濾波裝置工作穩定性高，能夠有效地消除供電電壓內的電壓尖峰，解決驅動電機運行時的異常噪聲，提高變頻驅動電機的運行穩定性。

1 異常現象分析

對變頻驅動電機的運行異常情況進行分析發現，其典型的運行異常表現為驅動電機在運行過程中變頻器的功率元件故障報警率高，而且電機在運行過程中出現顯著的“尖叫”和運行抖動情況，現場對驅動電機的布置情況進行調查，驅動電機的額定電壓為1 140 kV，運行時的額定功率為400 kW，控制電機運行的變頻器距離電機的長度為0.5 km。通過對其運行異常現象的分析，異常原因主要包括以下幾個方面[1]：

1）變頻器自身結構影響：變頻器的逆變器采用了二極管鉗位式三電平拓撲結構，而變頻器的功率元件運行時的開關頻率明顯超過了系統的基波頻率，因此導致了變頻器輸出的變頻電流中含有幅值和頻率尖銳的諧波，這些諧波進入變頻電機后，造成電機轉子運行時的電動勢能增加，使得電機內的磁場產生渦流，進一步產生了大量的附加轉矩，使電機運行時產生振動和噪聲，影響運行穩定性。

2）供電距離影響：電流在電纜內傳輸時會產生諧波電流，而且傳輸的距離越遠，諧波電流在電纜內的疊加就越嚴重，導致到達變頻電機處的電流為多次疊加后的紊亂電流，影響電機的運行穩定性。

2 變頻器濾波裝置設計

結合對供電系統異常現象的分析，為了實現對系統不穩定電流和諧波的有效過濾，提出了一種新的變頻器濾波裝置，重點對變頻器濾波裝置內的功率器件進行優化。由于功率器件內的電壓變化率極大，該峰值電壓若不進行處理直接加載到電機上，將極易引起電機絕緣系統的損壞，因此在其輸出端增加了低通濾波器[2]，其整體結構如圖1 所示，圖1 中IGBT 表示功率器件。

圖1 低通濾波器結構示意圖

由圖1 可知，當兩個功率器件打開后，電流會進入電容Cf內，電容開始充電，同時系統內所有的電壓均加載到系統電感Lf上，在此情況下系統內變頻電機Lload的驅動電壓就是由系統內的Lf、Cf共同決定的，具有更好的穩定性和更強的調節能力。

為了解決不同電纜長度對供電穩定性的影響，系統采用了按電纜長度精確設置變頻器濾波裝置參數的原則[3]，一機一匹配，滿足精確控制的需求。結合井下供電系統的實際情況，其主要采用了中性點接地的控制方式，因此為了滿足精確調控的需求，所提出的濾波裝置的布置結構如圖2 所示。

圖2 濾波裝置布置結構示意圖

由于作用下變頻電機上的驅動電壓是由系統內的Lf、Cf共同決定的，因此在設置濾波器的工作參數時就是對Lf、Cf參數進行確定。對電抗器參數的選擇主要采用了系統電壓降法，以電抗器的工作電流滿足驅動電機的最大工作要求為基準設置即可。對濾波裝置電容工作參數的選擇主要是依靠變頻器逆變單元截止頻率計算公式來確定，其設定值一般選擇電容總值的30%即可。

3 仿真分析驗證

為了對該變頻器濾波裝置的實際應用效果進行分析，利用仿真分析軟件搭建井下變頻供電濾波裝置仿真電路，對其輸入井下驅動電機運行時的實際輸入電壓、電路參數，對其輸出的電壓波形進行研究，該濾波裝置的仿真分析電路如圖3-1 所示，輸出電壓波形如圖3-2 所示。

圖3 仿真分析結構示意圖

由仿真分析結果可知，采用新的濾波裝置后，輸出電壓的波形平穩，有效地消除了因諧波產生的電壓尖峰，提升了供電穩定性。

4 應用效果

為了進一步提升井下應用效果，對變頻器進行改進，增加濾波裝置。為了適應井下復雜、防爆的工作環境需求，對濾波裝置的外殼進行優化，在電抗器上側增加了排風裝置或采用內循環水冷散熱式電抗器，在防爆外殼后側增加了水冷散熱裝置，加快濾波裝置的熱量耗散，提高應用可靠性[4]。

設置變頻器和驅動電機的距離為0.6 km，變頻器的工作電壓為1 140 V，額定輸出功率為500 kW，驅動電機的額定電壓為1 140 V，額定運行功率為400 kW，在正常工作過程中，采用舊濾波裝置和新濾波裝置下，電壓和電流波形如圖4 所示。

圖4 不同濾波裝置工作效果對比

由實際驗證結果可知，采用傳統濾波裝置方案，輸出電壓和電流存在著較為明顯的諧波，而采用新的濾波裝置后，輸出電壓和電流上的諧波基本消失，消除了電機在運行過程中由于電流電壓波動導致的異常噪聲等，能夠顯著地提升變頻電機的運行穩定性和可靠性。

5 結論

1）變頻器的功率元件運行時的開關頻率超過系統的基波頻率及諧波電流在電纜內的疊加是導致變頻電機出現運行不穩定的主要原因。

2）新的變頻器濾波裝置，重點對變頻器濾波裝置內的功率器件進行優化，在輸出端增加低通濾波器，提升系統工作穩定性和可靠性。

3）為了解決不同電纜長度對供電穩定性的影響，采用了按電纜長度精確設置變頻器濾波裝置參數的原則，一機一匹配，滿足精確控制的需求。

4）采用新的濾波裝置后，輸出電壓和電流上的諧波基本消失，能夠顯著地提升變頻電機的運行穩定性和可靠性。