孫曉磊，張全柱，鄧永紅

(華北科技學院電子信息工程學院信息與控制技術(shù)研究所，北京東燕郊065200)

0 引言

隨著煤礦生產(chǎn)設備不斷向大型化、大功率化、新型化方向的發(fā)展，煤礦對電能質(zhì)量的要求越來越高。在我國，礦井提升機過去主要采用啟動和調(diào)速特性較好的直流電機驅(qū)動，但由于直流電機存在換向困難、結(jié)構(gòu)復雜，易損壞，造價昂貴等缺點，正逐步被價格較低，維修方便的交流電機所取代。

采用交流變頻技術(shù)可以使交流電機具有像直流電機一樣具有良好的運行性能，目前這種技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中已經(jīng)得到很廣泛的應用，這大大提高了煤礦的自動化水平和生產(chǎn)效率，改善了工作環(huán)境［1］。礦井提升機作為井下與地面連接的咽喉，使用頻繁，成本和耗電量都比較高，其電機驅(qū)動系統(tǒng)的運行性能直接決定著提升機的運行性能，因此對提升機電機驅(qū)動系統(tǒng)的改造顯得尤為重要。本文通過介紹了四象限PWM整流器在煤礦礦井提升機比較常用的“交－直－交”變頻驅(qū)動系統(tǒng)中的應用，分析了其結(jié)構(gòu)和功能特點，提出了在整流器直流側(cè)母線并聯(lián)超級電容器組進行平衡直流電壓和儲能的新設計思路。

1 傳統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點及其缺點

直流電機由于其低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的特點，目前在少數(shù)煤礦企業(yè)礦井提升機拖動系統(tǒng)中仍廣泛使用。但是由于傳統(tǒng)直流電機與交流電機相比具有能耗大，效率低，成本高等明顯的缺點，隨著交流變頻調(diào)速的不斷發(fā)展，逐漸被交流調(diào)速所取代。目前交流電機存在的調(diào)速方式主要有較簡單的轉(zhuǎn)子串電阻分級調(diào)速和較復雜的變頻調(diào)速兩種，串聯(lián)分級調(diào)速如圖1所示，它與變頻調(diào)速相比具有明顯的缺點［2］:第一，提升機位置定位精度差，需要在不同的運行階段不斷的調(diào)節(jié)電阻阻值來改變轉(zhuǎn)子電壓。第二，安全可靠性不高，接觸器在頻繁切換時容易損壞，而致無法切換。第三，采用電阻分壓調(diào)速時，電阻會浪費大量的電能，電能利用率低。第四，運行轉(zhuǎn)矩波動性大，穩(wěn)定性差，不符合《煤礦安全規(guī)程》等對礦機提升機安全性要求。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)規(guī)程規(guī)定，在提升絞車系統(tǒng)中，一般采用變頻調(diào)速技術(shù)。目前煤礦使用變頻器主要有兩種:基于不控二極管整流的變頻器(如圖2)，基于相控整流的中高壓變頻器和基于PWM整流的雙PWM變頻器，其中相控整流采用的功率開關(guān)器件GTO與IGBT相比有明顯的缺點，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，IGBT的耐壓也在不斷提高，在中高壓變頻器中完全可以取代GTO等器件，本文主要通過將不控整流變頻器和雙PWM變頻器進行性能對比，介紹雙PWM變頻器在煤礦提升機驅(qū)動系統(tǒng)上應用的優(yōu)勢。不可控二極管整流網(wǎng)側(cè)電流和電壓波形如圖3所示，其波形傅里葉級數(shù)分解為［3］:

圖1 電機轉(zhuǎn)子串電阻分級調(diào)速

圖2 二極管整流變頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由公式(1)可得不控二極管的相關(guān)功率因數(shù)、THD，各次諧波含量為:

表1 各次諧波分析值

由表1可見，不控二極管整流在工作時功率因數(shù)較低，THD值較高，主要含有5、7、11次諧波，在投入使用時對電網(wǎng)的諧波干擾較大，因此需要附加體積較大的LC濾波和功率補償裝置。另外不控整流，直流側(cè)電壓不可控，交流側(cè)需要高頻變壓器，增加了變頻器的重量和成本，而且如果要實現(xiàn)電機制動能量向電網(wǎng)回饋的功能，還要另外裝設制動能量回饋裝置，這也大大增加了設備的體積和維護成本。

圖3 不可控二極管網(wǎng)側(cè)電流電壓波形

2 雙PWM變頻驅(qū)動系統(tǒng)的特點

基于PWM整流器的雙PWM變頻系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)和功能上相比前者而言有很多改善，可以采用空間矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制，直接功率控制等多種控制方法，網(wǎng)側(cè)電流可實現(xiàn)正弦化，功率因數(shù)能達到1，更能在不附加其他設備的情況下實現(xiàn)能量雙向流動(如圖4)，大大提高了設備的電能利用率。通過改善控制算法和對網(wǎng)側(cè)電感進行合理性設計其網(wǎng)側(cè)諧波含量明顯減少，主要含有載波帶高次諧波及其邊帶諧波，可以明顯減小濾波設備的體積［4］。

對PWM整流器網(wǎng)側(cè)a相電壓Ua0進行雙傅里葉分析［5］:

由公式(2)可知，各次諧波分量為mωc+nω0，k=0，1，2…，m.當 m 為奇數(shù)時，n= ±2k，當 m 為偶數(shù)時，n=±(2k+1).諧波中不含低次諧波，主要分布在信號載波ωc及其整數(shù)倍附近。基于DSP控制芯片TMS320X28035，制作了一臺雙PWM變頻器試驗樣機，如圖5所示，從樣機輸出波形可以看到，其輸出諧波含量也很低，能夠滿足礦井提升機電機對高次諧波的要求，交流輸出電壓諧波如圖6所示。

圖4 采用直接功率控制的PWM整流器結(jié)構(gòu)圖

圖5 雙PWM變頻器試驗樣機

通過控制網(wǎng)側(cè)電壓矢量 V和電流矢量I，PWM整流器即可分別工作于純電感狀態(tài)、正電阻狀態(tài)、純電容狀態(tài)和負電阻狀態(tài)，因此PWM整流器可以通過檢測負載狀態(tài)工作在整流和有源逆變狀態(tài)實現(xiàn)能量的雙向流動，通過進一步的網(wǎng)側(cè)電流控制，使網(wǎng)側(cè)電流與電壓同相位，可工作于單位功率因數(shù)狀態(tài)［6］，網(wǎng)側(cè)電壓電流矢量圖如圖7所示。

3 超級電容在礦井提升機雙PWM變頻器中的應用

如圖8所示，在PWM整流器工作于整流狀態(tài)時，PWM整流器網(wǎng)側(cè)電感L和直流側(cè)電容C起到儲能作用，其中電容C可以穩(wěn)定直流母線電壓，濾除高次諧波。傳統(tǒng)的直流側(cè)穩(wěn)壓電容一般采用大容量電解電容，為了得到穩(wěn)定的電壓和較為理想的濾波效果，電容的體積一般都比較大，價格比較昂貴。采用超級電容進行直流側(cè)的穩(wěn)壓和濾波，通過比較可以明顯減小電容的體積，并且紋波較小，穩(wěn)壓濾波效果明顯。超級電容額定電壓比較低，一般只有2.7V，可以通過多組超級電容進行串聯(lián)增加其額定電壓［7］。

圖6 雙PWM變頻器交流輸出電壓諧波分析E—交流電網(wǎng)電動勢V—交流側(cè)電壓VL—交流側(cè)電感電壓I—交流側(cè)電流

圖7 PWM整流器四象限運行矢量關(guān)系圖

圖8 超級電容在雙PWM變頻驅(qū)動系統(tǒng)中應用結(jié)構(gòu)圖

在PWM整流工作于有源逆變狀態(tài)時，后級逆變器相當于一個三相不控整流橋，將負載的制動能量整流成直流回饋給直流側(cè)，再通過PWM整流器將其逆變?yōu)榉想娋W(wǎng)諧波和無功要求的三相電壓回饋給電網(wǎng)，以節(jié)約電能。但是礦井提升機啟動和制動較為頻繁，PWM整流器需要不停的工作于整流和有源逆變狀態(tài)，開關(guān)損耗較大，而且對電網(wǎng)的擾動較大，影響電網(wǎng)中其他設備的正常工作。那么直流側(cè)采用超級電容進行儲能，當負載制動時，回饋的電能就能先儲存于超級電容中，在下次啟動時可以直接利用超級電容中儲存的電能，只有當超級電容處于滿荷時才將負載回饋的電能經(jīng)過PWM整流器的有源逆變回饋到電網(wǎng)側(cè)，這將大大緩解PWM整流的工作負擔。

搭建變頻器力矩實驗平臺，對新型雙PWM變頻器進行帶載實驗測試，通過控制輸出頻率從0Hz—50Hz之間變化實現(xiàn)軟啟動，減小了變頻器啟動時網(wǎng)側(cè)電流對電網(wǎng)的沖擊。電流傳感器測得交流側(cè)平均電流下降8A左右，耗能比不控整流變頻器下降40%左右，網(wǎng)側(cè)電壓波形能很好的實現(xiàn)正弦化，功率因數(shù)可達到1。直流側(cè)采用超級電容進行濾波儲能后，電壓紋波THD小于2%，主要高次諧波被有效濾除。通過對新型雙PWM變頻器的測試實驗，網(wǎng)側(cè)電流對電網(wǎng)的諧波干擾明顯降低，電機的啟動，運行，停轉(zhuǎn)等控制性能也得到了極大改善。

4 結(jié)語

通過分析傳統(tǒng)礦用提升機電機變頻驅(qū)動系統(tǒng)的特點，并針對其不足，對PWM整流器的諧波特性等特點做了介紹?；赑WM整流器的雙PWM變頻驅(qū)動系統(tǒng)在礦用提升機上應用可以很好地改善目前煤礦電能浪費嚴重的狀況，減輕礦井提升機對煤礦電網(wǎng)的干擾，將超級電容儲能濾波裝置和PWM整流器配套使用，可以很好的彌補PWM整流存在的不足，更好地節(jié)約電能和減輕對煤礦電網(wǎng)的干擾，適宜在煤礦生產(chǎn)中其他設備上進行推廣應用，超級電容儲能系統(tǒng)由于存在比傳統(tǒng)電解電容更大的ESR，因此在結(jié)構(gòu)改進和控制算法的創(chuàng)新和優(yōu)化上還需要進一步深入的研究。

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