王文杰

（寧武大運(yùn)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(kāi)采行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，由于其性能優(yōu)良，同時(shí)具有較強(qiáng)的節(jié)電能力，順應(yīng)煤礦開(kāi)采行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。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(mǎn)足了行業(yè)節(jié)能降耗、保護(hù)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(wèn)題一直以來(lái)都是研究人員關(guān)注的問(wèn)題，變頻器干擾問(wèn)題以及漏電常給操作人員帶來(lái)不安全因素。為了適應(yīng)井下環(huán)境，變頻器在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到了抗抗爆、抗壓等問(wèn)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(yùn)行時(shí)的安全可靠性。在基于前人研究基礎(chǔ)上針對(duì)諧波抑制等問(wèn)題，進(jìn)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(hù)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(xiàn)性的電子設(shè)備，其內(nèi)部主要包括電感、電容、功率開(kāi)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(dòng)電機(jī)電氣結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(huì)產(chǎn)生不規(guī)律的分散型電壓與電流信號(hào)，因此會(huì)在電氣設(shè)備周?chē)h(huán)境產(chǎn)生較強(qiáng)的高次諧波。諧波會(huì)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(yán)重時(shí)將干擾相關(guān)設(shè)備的正常運(yùn)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(zhǔn)確，由此存在較為嚴(yán)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(lái)主要的研究方向[2]。

2 諧波干擾模型分類(lèi)

異步電機(jī)在工作時(shí)，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(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，在其不斷旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，由于電機(jī)氣隙的存在，將電磁效應(yīng)放大，影響電機(jī)運(yùn)行中的功率因子。根據(jù)異步電機(jī)的工作可知，其定子在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，將在線(xiàn)圈繞組上形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并由此產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，該感應(yīng)磁場(chǎng)隨時(shí)間變化，對(duì)其他電機(jī)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(qiáng)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(chǎng)形成較為廣泛的共模干擾，在共模干擾產(chǎn)生的同時(shí)，可能會(huì)同時(shí)形成差模干擾。如下頁(yè)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(hào)用虛線(xiàn)表示，根據(jù)兩種干擾傳播路徑示意圖可知，針對(duì)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(wú)源濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)方法。可通過(guò)變頻器電磁頻率，避開(kāi)電氣設(shè)備之間的疊加效應(yīng)，從而達(dá)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(kāi)關(guān)邊沿會(huì)產(chǎn)生電流浪涌，浪涌將直接導(dǎo)致共模干擾的加重，因此也需要對(duì)功率輸出開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)計(jì)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(wú)源濾波設(shè)備，功率匹配一直以為都是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。因?yàn)?，LC 濾波器裝入變頻器輸出端時(shí)，其功率的匹配常常是一個(gè)比較困難的問(wèn)題，主流的辦法采用試湊的方式確定LC 過(guò)濾器的大小。但同時(shí)缺乏對(duì)輸出端植入LC 過(guò)濾器所引起的損耗問(wèn)題，隨著目前礦用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率的增加，相應(yīng)的LC 過(guò)濾調(diào)節(jié)控制則更難調(diào)節(jié)，如果LC 過(guò)濾器的設(shè)計(jì)不適當(dāng)，反而會(huì)對(duì)系統(tǒng)輸出電容造成較大影響。

近年來(lái)，以二階LC 無(wú)源濾波器為諧波補(bǔ)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(dá)到對(duì)諧波的抑制效果。目前主流的二階LC 無(wú)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(guò)濾器的使用過(guò)程中，也可能出現(xiàn)短路等危險(xiǎn)，因此在實(shí)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(jì)與選型LC 過(guò)濾器時(shí)應(yīng)遵循如下規(guī)則：

1）選擇與變頻器相匹配的過(guò)濾器。

2）電路設(shè)計(jì)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(jì)，在滿(mǎn)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(dāng)諧波頻率大于十倍基準(zhǔn)頻率時(shí)，在選擇濾波器的截止頻率時(shí)應(yīng)避免選擇過(guò)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(hào)線(xiàn)上有的共同的干擾信息，但由于變頻器輸出端與被測(cè)信號(hào)的接入端存在較為明顯的電位差，這兩種信號(hào)頻率相近、幅值相近，會(huì)產(chǎn)生諧波共振。這種干擾具有較強(qiáng)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(duì)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(hào)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(dòng)放大器，可以對(duì)共模干擾形成很強(qiáng)的抑制效應(yīng)。

2）將輸入端的線(xiàn)束進(jìn)行絞合處理，可以將導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)的電磁感應(yīng)磁場(chǎng)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(gè)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(yàn)證對(duì)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(jì)算三角形LC 低通濾波器對(duì)諧波抑制效果進(jìn)行分析?；赟imulink 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(jì)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(duì)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(wú)損耗通過(guò)，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(jì)算LC 濾波器對(duì)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L(zhǎng)C 濾波器的設(shè)計(jì)提供參考。

5 結(jié)論

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