蘇珂嘉

(煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

近年來電力電子技術(shù)快速發(fā)展，變頻器的性能得到了極大的提升，其節(jié)能效果明顯、調(diào)節(jié)方便、維護(hù)簡單等特性保證了在工礦企業(yè)的應(yīng)用日益廣泛，取代了很多舊式傳動(dòng)控制方式。煤礦中，變頻器主要應(yīng)用于提升機(jī)[1]、通風(fēng)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、皮帶機(jī)、架空人車等處，用于設(shè)備的軟起動(dòng)、軟停車及運(yùn)行過程控制等。額定電壓AC380～1140 V的BPJ(B)、ZJ(B)T、ZLJ(B)、NJ(B)、NKJ型，額定電壓AC3300 V的BPJ(B)V、BPJ(B)A型等礦用變頻器、變頻調(diào)速裝置目前已大量在生產(chǎn)現(xiàn)場鋪開使用。隨著井下用電設(shè)備功率密度增大、電壓等級(jí)上升，額定電壓6 kV、10 kV的更高壓變頻器也在研發(fā)與推廣當(dāng)中。由于變頻器的主要組成部分整流電路和逆變電路由半導(dǎo)體器件工作在非線性的開關(guān)狀態(tài)，運(yùn)行中引起正弦波的畸變，結(jié)果導(dǎo)致大量的諧波產(chǎn)生于其供電回路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)端，對(duì)負(fù)載及臨近設(shè)備產(chǎn)生干擾，帶來了諧波干擾問題[2]。在變頻器得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)，這一干擾對(duì)井下電網(wǎng)、人員定位、監(jiān)控系統(tǒng)、電機(jī)等周圍設(shè)備的影響正受到礦企、安標(biāo)準(zhǔn)入機(jī)構(gòu)、設(shè)備廠家等的高度重視。

由于工礦井下電網(wǎng)容量小，用電設(shè)備集中、電磁環(huán)境復(fù)雜，諧波對(duì)于井下電網(wǎng)的危害要大于地面電網(wǎng)[3]，這些危害主要有：

1)諧波損耗，諧波會(huì)降低井下電氣設(shè)備的使用效率，增加井下變壓器的磁滯損耗、渦流損耗，諧波電流增加銅損、諧波電壓增加鐵損，諧波流經(jīng)電纜線路時(shí)增加發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)電氣火災(zāi)；

2)電氣故障，諧波會(huì)造成機(jī)電設(shè)備故障頻發(fā)，諧波對(duì)機(jī)電設(shè)備的影響主要有過電流、機(jī)械振動(dòng)偏大、機(jī)電設(shè)備元件過熱、電力電纜絕緣老化等[4]；

3)引起串并聯(lián)諧振，造成諧波放大，增加諧波對(duì)機(jī)電設(shè)備的危害程度；造成繼電保護(hù)設(shè)備、自動(dòng)控制設(shè)備誤動(dòng)作、拒動(dòng)，令回路中饋電開關(guān)、電磁啟動(dòng)器等保護(hù)裝置的短路保護(hù)、過載保護(hù)、斷相保護(hù)等誤動(dòng)，使井下電氣保護(hù)失效[5]；

4)對(duì)通訊系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，諧波會(huì)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)分站、傳感器的數(shù)據(jù)通信產(chǎn)生影響，造成數(shù)據(jù)失真、冒大數(shù)，影響煤礦井下人員定位系統(tǒng)，造成井下人員定位系統(tǒng)的人員數(shù)量以及人員定位的識(shí)別卡信息錯(cuò)誤，干擾通訊信號(hào)質(zhì)量等。

因此，需要對(duì)礦用變頻器的諧波產(chǎn)生情況進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估，以掌握其諧波污染情況。同時(shí)，需要針對(duì)變頻器諧波開發(fā)一套檢測系統(tǒng)，能夠真實(shí)反映礦用變頻器工作時(shí)的對(duì)外干擾強(qiáng)度。

1 礦用變頻器的諧波產(chǎn)生機(jī)理

1.1 礦用變頻器結(jié)構(gòu)

礦用變頻器或變頻調(diào)速裝置多數(shù)為交直交結(jié)構(gòu)。與其他礦用電氣設(shè)備類似，由隔爆殼體及電氣回路兩大部分組成。電氣主回路原理如圖1所示。主回路由整流單元、中間直流環(huán)節(jié)和逆變單元及電抗器等單元模塊構(gòu)成；控制回路則由單片機(jī)、DSP(或可編程控制器)、驅(qū)動(dòng)模塊以及光電隔離電路等構(gòu)成。整流單元由電力二極管或IGBT模塊構(gòu)成；逆變單元可由不同器件做成，如高頻變頻器用大功率MOS晶體管，大容量變頻器用GTO晶體管，中小型變頻器用IGBT模塊等。

圖1 礦用變頻器主回路組成圖

礦用變頻器的核心變頻方式為PWM(pulse width modulation，脈沖寬度調(diào)制)方式。在逆變環(huán)節(jié)中，通過控制晶體管器件的通斷時(shí)間，在輸出波形的一個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)可變占空比的脈沖波，其單位時(shí)間內(nèi)的沖量等值電壓為正弦波，通過改變這一脈沖波的占空比，改變對(duì)應(yīng)等效波形的電壓和頻率。使用自關(guān)斷器件的IGBT、GTO等逆變器，因其開關(guān)頻率高，一般采用PWM方式，載波頻率可達(dá)數(shù)kHz。二象限變頻器其整流單元用二極管橋式整流即可，簡化了一個(gè)功率級(jí)可控環(huán)節(jié)[6]。四象限變頻器一般采用IGBT作為整流單元的晶體管，一般有六脈波[7]、十二脈波、單元級(jí)聯(lián)等結(jié)構(gòu)。

1.2 礦用變頻器的諧波產(chǎn)生機(jī)理

圖1所示典型的礦用交-直-交型變頻器或變頻調(diào)速裝置，以三相橋式整流電路為例，交流電網(wǎng)輸入電壓為正弦波，交流輸出電壓波形為前文所述占空比可調(diào)的脈沖波，其本質(zhì)并不是正弦波；對(duì)于這個(gè)波形，按傅氏級(jí)數(shù)可分解為基波和各次基波頻率的整數(shù)倍分量，通常為n=6k±1(k=1，2，…) 次諧波，通過共模和差模傳導(dǎo)至電網(wǎng)。在礦用變頻器逆變輸出回路中，IGBT開關(guān)元件的PWM載波頻率從數(shù)k赫茲最高可達(dá)20 kHz，當(dāng)逆變電路以此工作狀態(tài)向負(fù)載提供脈沖波時(shí)，開關(guān)器件的導(dǎo)通瞬間，輸出電壓具有很陡峭的du/dt，屬于明顯的非線性負(fù)荷。同樣, 輸入回路電流信號(hào)為不規(guī)則的矩形波，也可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波，而脈沖電流也有很高的di/dt，直接污染井下電網(wǎng)。此外，高次諧波還通過電纜、隔爆間隙、觀察窗等向空間輻射發(fā)射騷擾，對(duì)鄰近電氣設(shè)備產(chǎn)生EMI干擾[8]。

2 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本礦用變頻器諧波測試系統(tǒng)的硬件部分主要由待測被試樣品、陪試四象限變頻電源、電能質(zhì)量分析儀、陪試對(duì)拖機(jī)組及配套控制元件等構(gòu)成，如圖2所示。待測被試樣品是指待測的變頻器樣品(EUT)，陪試四象限變頻電源用于控制負(fù)載電機(jī)，使用一組電壓型變頻器，同時(shí)利用四象限工作特性回饋加載電能。電能質(zhì)量分析儀用來實(shí)時(shí)采集并通過通信鏈路實(shí)時(shí)上傳被試樣品輸入及輸出的電壓、電流參數(shù)。陪試對(duì)拖機(jī)組包括通過膜片聯(lián)軸器同軸反向連接的一臺(tái)加載三相異步電動(dòng)機(jī)和另一臺(tái)相同轉(zhuǎn)速、功率的負(fù)載電機(jī)，用于為待測樣品提供測試所需的可調(diào)負(fù)載。

圖2 變頻器諧波測試系統(tǒng)拓?fù)鋱D

系統(tǒng)可為待測樣品提供諧波測試時(shí)所需的測試電源、測試負(fù)載、陪試電源及參數(shù)采集儀表。通過上述構(gòu)成部件的有機(jī)結(jié)合，組成一套礦用變頻器諧波測試系統(tǒng)，用于檢測采集礦用變頻器樣品對(duì)外發(fā)射諧波的情況，同時(shí)可以調(diào)節(jié)被試樣品負(fù)載的大小，考察不同工況下發(fā)射諧波的不同強(qiáng)度，以達(dá)到符合不同測試標(biāo)準(zhǔn)的目的。并通過電-機(jī)-電回路形成閉環(huán)，將測試所需功率進(jìn)行有效回收，達(dá)到精準(zhǔn)控制、節(jié)能環(huán)保的目的。

2.1 陪試變頻電源

陪試變頻電源用于為測試系統(tǒng)提供主回路陪試電源，控制對(duì)拖機(jī)組中的負(fù)載電機(jī)，產(chǎn)生出適合待測樣品產(chǎn)生特定電流所需的電機(jī)扭矩。ACS-880低壓變頻電源是采用具有精確轉(zhuǎn)矩控制DTC功能的閉環(huán)矢量控制變頻器，整流部分利用AFE有源前端，具備四象限工作特性。電源由試驗(yàn)電網(wǎng)獲得三相電壓電流，頻率改變后輸出給負(fù)載電機(jī)，DTC控制模式直接給定負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩值，完全可以滿足需求。

負(fù)載電機(jī)工作在正轉(zhuǎn)速負(fù)扭矩狀態(tài)，通過陪試變頻電源將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，通過四象限功能將電能回饋回試驗(yàn)電網(wǎng)，經(jīng)過實(shí)際測算，加載至1.1 MW時(shí)，功耗為400 kW左右，可見其具有60%以上的節(jié)能效果，測試被試樣品時(shí)的電能損耗僅為機(jī)械磨損、風(fēng)機(jī)散熱等功耗，不到總被試功率的40%。

2.2 對(duì)拖機(jī)組

對(duì)拖機(jī)組由多個(gè)同軸連接的電機(jī)組成。由于在測試中，需要對(duì)被試樣品進(jìn)行加載，變頻器最直接的加載設(shè)備即為電機(jī)，為獲得將被試樣品工作在滿載的工作狀態(tài)所需的工作電流，最好根據(jù)樣品配置同電壓、同功率的電機(jī)作為加載電機(jī)。同時(shí)，加載電機(jī)也需要工作在對(duì)應(yīng)的滿載工作狀態(tài)，因此需要為加載電機(jī)的機(jī)械功率找到消耗途徑。故為加載電機(jī)同軸連接一臺(tái)同規(guī)格、提供反向扭矩的負(fù)載電機(jī)，作為電能—機(jī)械能—電能循環(huán)的路徑。兩臺(tái)電機(jī)對(duì)拖，同轉(zhuǎn)速、扭矩互為反向，通過調(diào)節(jié)負(fù)載電機(jī)的扭矩將被試變頻器樣品輸出電流拉至所需的大小，如圖3所示。

圖3 對(duì)拖機(jī)組示意圖

因此，被試樣品拖動(dòng)加載電機(jī)形成被試電氣傳動(dòng)系統(tǒng)(PDS，power drives systems)，陪試變頻電源拖動(dòng)負(fù)載電機(jī)形成陪試PDS，兩套PDS在同一試驗(yàn)電網(wǎng)下、通過聯(lián)軸器進(jìn)行機(jī)械連接，被試PDS工作于用電狀態(tài)，陪試PDS工作于發(fā)電狀態(tài)，構(gòu)成了一條封閉功率循環(huán)路徑，形成交流回流系統(tǒng)，達(dá)到前文所述之節(jié)能目的，實(shí)現(xiàn)測試所需的工作狀態(tài)。

聯(lián)軸器使用膜片聯(lián)軸器，具有一定的偏移量承載能力，傳遞扭矩能力強(qiáng)，尤其不需要潤滑維護(hù)。聯(lián)軸器間設(shè)置轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，通過光纖總線連接至服務(wù)器和上位機(jī)，用于實(shí)時(shí)上傳電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速參數(shù)。

2.3 電能質(zhì)量分析儀

電能質(zhì)量分析儀作為本系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)處理單元，通過電壓探頭、柔性羅氏線圈等寬頻帶采樣設(shè)備，將被試品的電流、電壓的基礎(chǔ)參數(shù)采集，通過表頭將一次原始電參數(shù)進(jìn)行傅里葉變換，以頻域型式將高次諧波從基波信號(hào)中分離出來，并通過鏈路將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至上位機(jī)中。

系統(tǒng)使用FLUKE 1760電能質(zhì)量記錄分析儀作為核心器件，測量精度可達(dá)±0.1%。測量需要分別對(duì)輸入、輸出回路進(jìn)行測試，測試需要電流、電壓各最少四通道，因此共需8通道進(jìn)行檢測。由于被試樣品可能處于長期工作狀態(tài)，因此需要該設(shè)備還可工作于實(shí)時(shí)記錄狀態(tài)，通過SD卡存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以便后期復(fù)盤查看。

2.4 寬頻帶電流采樣設(shè)備

作為電信號(hào)的采樣采集設(shè)備，寬頻帶電流采樣設(shè)備負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)待測樣品輸入輸出回路電流信號(hào)變換至電能質(zhì)量分析儀的測量功能。根據(jù)待測樣品端子線徑不同，尤其礦用變頻器特有的引入裝置及絕緣套管，需要采用柔性采樣設(shè)備，以便連接。采用柔性Rogowski線圈，其本質(zhì)是空心電流互感器即一種均勻纏繞在截面均勻細(xì)小的非磁性骨架上的空心線圈。通過被測導(dǎo)線所產(chǎn)生的磁通的變化，感應(yīng)出電壓信號(hào)。進(jìn)而將二次信號(hào)直接輸出至電能質(zhì)量分析儀上。具有不含鐵芯、無磁飽和、頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)，并且基本不受外磁場的影響、與被測導(dǎo)線相對(duì)位置變化的影響較小。所以適合測量礦用非工頻的電氣設(shè)備。

3 軟件設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)的控制部分以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與服務(wù)器為核心，以及通過總線光纖連接的PLC與受控部分，構(gòu)成分布-集中控制系統(tǒng)。受控部分包括PLC、EUT和交流回饋系統(tǒng)、電能質(zhì)量分析儀以及其它設(shè)備等?？刂葡到y(tǒng)的信號(hào)傳輸采用光纖傳輸，降低了EUT和陪試設(shè)備互相干擾的影響，其拓?fù)淙鐖D4所示。工控機(jī)對(duì)采集到的一次電流、電壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行諧波記錄、分析，使用配套的PQanalyze軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)表生成。總線采用光纖以太網(wǎng)通信方式，信號(hào)采集速率快，數(shù)據(jù)不易丟失、抗干擾能力強(qiáng)，尤其適合干擾較強(qiáng)的變頻器測試電磁環(huán)境，能滿足工控機(jī)對(duì)電能質(zhì)量分析儀采集到的信號(hào)的實(shí)時(shí)讀取。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

系統(tǒng)測控軟件由主程序、監(jiān)控程序構(gòu)成，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上電后，首先開始系統(tǒng)自檢，包括系統(tǒng)總線掃描，各功能模塊初始化等流程，模塊成功上傳地址并初始化后，進(jìn)行參數(shù)初始化配置，接受預(yù)設(shè)電壓等級(jí)、電壓電流傳感器變比等信息，并通過通訊總線寫各個(gè)從站模塊的保持寄存器，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。完成以后系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行主循環(huán)。反復(fù)采集電參數(shù)，通過PQanalyze進(jìn)行參數(shù)分析，進(jìn)行FFT計(jì)算并更新報(bào)表。工作流程如5所示。

4 實(shí)際測試結(jié)果分析

被試樣品選用一臺(tái)380 V、93 kW，額定頻率50 Hz通用變頻器，通過前文所述系統(tǒng)施加額定電壓、拖動(dòng)電機(jī)加載至額定功率，待1 h內(nèi)溫升變化不大于±1 K的熱穩(wěn)定后，分別對(duì)其輸入、輸出側(cè)回路進(jìn)行測試采樣。測試結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 通用變頻器輸入電壓及電流波形

其中，圖6為輸入側(cè)電壓電流波形，圖7為輸出側(cè)電壓電流波形。測試在被試樣品滿載的條件下進(jìn)行，可以看到，輸入側(cè)電流畸變較大。測試結(jié)果如表1所示。

波形的畸變程度以正弦波總諧波失真度THDu和THDi表示，見式(1)、(2)：

(1)

(2)

表1 380 V低壓變頻器諧波電流、電壓測試結(jié)果表

則，5次諧波電流含有率47.19%，7次諧波電流含有率20.8%，9次諧波電流含有率0.89%，11次諧波電流含有率7.23%，13次諧波電流含有率4.45%。5次諧波電壓含有率4.90%，7次諧波電壓含有率3.22%，9次諧波電壓含有率0.21%，11次諧波電壓含有率1.63%，13次諧波電壓含有率1.12%。9次諧波較小，符合前文所述之n=6k±1(k=1，2，…) 次諧波較大的原則。

并且，隨著諧波次數(shù)的升高，諧波含量整體呈減弱變化。該型號(hào)變頻器的諧波電流含量THDi達(dá)到51.88%之多，五次諧波電流含有率超過GB/T 14549-93規(guī)定的62A的限值。而THDu=1.66%，總畸變率未超過5%的限值，但五次諧波電壓含有率仍然超過4%的限值。

可見，前文所述測試系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)被試樣品的供電、加載，且可實(shí)現(xiàn)在額定功率加載狀態(tài)下的電參數(shù)采集、諧波計(jì)算，并給出諧波測試結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果合理。

5 結(jié)束語

本文分析了礦用變頻器的基本結(jié)構(gòu)，闡述了其諧波發(fā)生的機(jī)理；設(shè)計(jì)一套可以對(duì)被試變頻器進(jìn)行額定加載、內(nèi)部電能回饋的電能質(zhì)量測試系統(tǒng)，可對(duì)工作在額定狀態(tài)下的樣品進(jìn)行諧波測試；經(jīng)過試驗(yàn)，被試低壓變頻器的五次、七次諧波畸變率較大。由于被試樣品為6脈波整流單元，這與文中諧波機(jī)理分析結(jié)果一致。