矿用防爆变频器应用发展及其干扰问题的解决对策

矿用防爆变频器应用发展及其干扰问题的解决对策三电平变频器的发展及其应用变频器与CST的比较矿用变频器在井下使用中的干扰问题及其解决对策上海地澳自动化科技有限公司二0一0年七月上海地澳自动化科技有限公司三电平变频器的发展及其应用1、引言随着我国煤炭生产自动化程度的不断提高，矿用变频器在煤矿井下采、掘、运等机械设备和井上通、压、排、提等四大件的调速应用中发挥了良好的调速性能和节能降耗的作用。为此，矿用变频器在煤矿井下得到了广泛的应用，归纳起来有几个优点：1）能解决大功率电机高精度的转矩控制；2）能实现大功率电机的软起、软停和过程控制；3）多机联动时的功率平衡；4）四象限运行时的再生制动和能量回馈，节能减排；5）净化环境，安全生产；6）延长设备使用寿命。然而，现用的矿用变频器均采用正弦波脉宽调制，所用器件是IGBT器件，经过交-直-交变换后，变频器输出不是完全的正弦波形，而且有3次以上的谐波。通常二电平的结构为6脉波，其输入侧对电网的干扰比较大，甚至干扰煤矿井下安全生产监测监控系统。为解决这个问题，同时又能使变频调速这一新技术能在煤矿井下得到使用，我公司与日本东芝-三菱公司合作，共同研制了1140V、800KW矿用隔爆兼本质安全型变频调速装置；与AB公司合作，研发了3300V、1800KW矿用隔爆兼本质安全型变频调速装置。系统结构上均采用电压源型三电平矢量控制，达到12脉波方案。其中1140V、800KW变频器整流部分采用AFE有源整流，省掉了整流变压器，在电路上采用高阻接地，安全电流达到≤12mA。三电平变频器相对于传统的两电平而言，它可以使主开关器件的电压降低一半。由于输出多了一个电平，可以使du/dt降低一半，从而使输出电压谐波减小，电动机的温度大大降低，所有这些优点，特别适合于煤矿井下1140V以上大容量的调速系统（详见图1）。图1上海地澳自动化科技有限公司三电平变频器的整流电路标准配置为12脉波整流电路，其输入变压器为三绕阻，二次采用△和Y接法，两组二次绕组对应线电压之间的相位差为π/6，从而使整流后的电压波形具有12个脉波，有效地降低了整流器产生的谐波电流；若输出侧同时配置正弦波滤波器，则可以完全消除整流器产生的谐波。三电平式变频器主要优点：1)结构简单，体积小；2)与两电平相比，采用同样电压等级，器件可以实现2倍的电压输出；3)降低电机的共模电压；4)降低对电网的共模干扰；5)能方便实现能量的双向流动，电机的四象限运行；6)与两电平相比，输出du/dt减小一半；7)与两电平相比，相电压输出电平数增加，输出谐波减小。本案采用的“三电平控制”，既继承了“二电平控制”的优点，又解决了原来“二电平控制”的缺点和不足，但是，三电平变频器涉及到一个中心点接地的问题，由于现在我们国家煤矿井下的供电系统，规定中心点不接地，为此本案所研发的三电平变频器能否应用到井下，便是一个急需解决的问题。为此，我们的解决方案是：将隔爆型三绕组变压器采用DYN11型式，其输入与输出的中性点经高阻接地，阻值满足《煤矿安全》规程规定和GB3836.1～2-2000的要求，而矿用隔爆兼本质安全型三电平变频调速装置的整流输入由三绕组变压器的二次输出绕组分别接入一组三相桥式二极管整流器，形成十二脉波的多重化输入方式，两组整流电路相串联，并且整流桥的中性点与中间环节的电容的中性点相连，这样直流环节的两组串联电容各分别由变压器的二次绕组（及其整流桥）供电，所以在逆变算法中不存在中点电压漂移的问题，使运算得到简化。这样做，既保证了三电平变频器的可靠工作，又保证了煤矿生产和人员安全。2、设计依据：GB191-2008包装储运图示标志GB/T311.1-2003高压输变电设备的绝缘配合使用导则GB/T2423.4-2005电工电子产品环境试验规程试验Db：交变湿热试验方法GB/T3859.2-2003半导体变流器应用导则GB11022-2003高压开关设备和控制设备标准的公用技术要求上海地澳自动化科技有限公司GB/T12325-2008电能质量供电电压允许偏差GB/T12326-2008电能质量电压波动和闪变GB/T12668.4-2000调速电气传动系统第2部分：一般要求高压交流变频电气传动系统额定值的规定GB/T12668.3-2000调速电气传动系统第3部分：产品的电磁兼容性标准及其特定的试验方法GB/T14808-2000交流高压接触器和基于接触器电动机起动器GB/T14808.6-2003低压开关设备和控制设备接触器和电动机起动器第2部分：交流半导体电动机控制器和起动器GB/T14549-2008电能质量公用电网谐波GB/T15543-2008电能质量三相电压允许不平衡度GB/T15945-2008电能质量电力系统频率允许偏差GB17625.1-2003电磁兼容限制谐波电流发射限制（设备每相输出电流≤16A）GB17625.3-2003电磁兼容限制对额定电流大于16A的设备在低压供电系统中产生的电压波动和闪烁的限制3、国内外三电平变频器研发的现状与发展前景3.1、交流变频调速装置的分类1)依据其控制方式可以分为标量控制、矢量控制和直接转矩控制；2)依据其输出波形可以分为方波输出和PWM输出两类；3)依据其转换方式可以分为直接交换式（交-交）和间接交换式（交-直-交）两类。在间接交换方式中根据中间直流处理方式，又可以分为电流源型和电压源型两类；4)依据其驱动方电机的类型可分成同步电机和异步电机变频调速系统两类，其中按异步电机的类型可分为鼠笼型异步电机和绕线型转子异步电机；按能量处理方式分，绕线电机调速分为：串调、双馈调速和内反馈式串调三种，也叫做转子变频调速三种；5)按电平方式分，可分为两电平电压型、三电平电压型和功率单元串联式多电平三种。3.2、国外三电平的变频调速装置的几种实施方案上海地澳自动化科技有限公司（1）ABB公司（如图2所示）（2）西门子公司（如图3所示）图3西门子公司系统简图（3）日本东芝三菱公司（如图4所示）图4三菱三电平中压变频器简图图2ABB中压变频器系统简图上海地澳自动化科技有限公司3.3、上述三种方案比较国外三电平变频调速装置实施方案简单比较公司整流器输入直流环节逆变器控制算法ABB公司1)三绕组变频器2)两组整流器串联，分别接变压器二次二个绕组供电整流桥中性点与中间直流环节的电容中性点不相连1)用IGCT管子2)LC滤波器1)开关频率易偏离，但可采用滞环比较方式进行校正2)直接转矩控制3)控制运算不需坐标变换西门子公司同上整流桥中性点与中间直流环节的电容中性点相连1)用IGCT或IGBT管子2)LC滤波器1)不存在中性点电压漂移问题2)矢量控制3)需坐标变换（三相-两相）东芝三菱公司同上整流桥中性点与中间直流环节的电容中性点相连1)用IGCT管子2)LC滤波器3)用AFE有源整流1)不存在中性点电压漂移问题2)矢量控制3.4、关于三绕组变压器目前国内外中高压变频器的技术问题均成熟，特别是矿用中、高压变压器在煤矿井下得到了广泛使用。对多绕组移相变压器中性点经高阻接地的安全问题均已解决，如江苏盐城、南京中电的变压器厂生产的DYN11型式的隔爆型三绕组变压器其中性点就是经高阻接地，其阻值满足《煤矿安全规程》和GB3836.1～2-2000的规定要求。而三电平变频调速装置就是用一台三绕组变压器来供电的。本方案也是采用前述方式，故安全是没有问题的。3.5、在6000V、1000KW高压变频调速装置中，ABB、AB（罗克威尔）和西门子、东芝-三菱公司均采用有源整流（AFE），以减少耗电、耗材、耗财的移相变压器，控制方式仍为PWM方式，通过拓扑结构设计和软件配合，实现五电平控制，达到24脉波可四象限运行，也可二象限运行。二象限运行时，AFE有源整流还有功率因素补偿功能。上海地澳自动化科技有限公司变频器与CST的比较随着我国煤炭产量的不断增长，长距离、大运量、宽带输送机也日益增多。特别是新矿井建设中，为解决不同煤层的采后运输，减少初期投资，大运量、下运带式输送机的需求也日益增多。鉴此，国家煤炭安全生产监察局颁发的2005年版《煤矿安全规程》第373条第9款明确规定：“带式输送机应加设软起动和软制动装置。”我国能源法中第39条第2款规定要逐步实现电动机、风机、泵类设备和系统的经济运行，发展电机调速节电和电力电子节能技术，提高电能利用效率。上述规定为全数字式高、低压软起动器和变频器在煤炭行业中广泛应用提供了法律法规依据。下面就皮带用变频器与CST的方案进行对比1、变频器变频器由调速的数学模型所致，为电机提供一个频率可调的电源，节能减耗，变频器大显身手。降低能耗不是单纯的节能，它涉及能源开采，加工到下游能源使用的各个环节。这就要求我们提高能源开发、生产、加工环节的效率、减少浪费；要采用节能、降耗、节水、环保的先进技术设备和产品，改造或淘汰消耗高、污染大的落后生产能力、工艺和产品。从上游的石油、天然气、煤炭开采，到能源输送以及发电，到下游的石化、钢铁、汽车生产直至后期的水处理、环保，无所不及。2、CSTCST是一种机械系统、液压系统、冷却系统和电气系统的联合体，集油、水、电三能为一体。CST是利用调节二个调节阀片间的油膜间距来实现力矩的传递，达到软起动的效果。其优点是起动时能出大力矩，达到无级调速。其缺点一是价格贵，初期投资大；二是必须采用专用油，且油价昂贵，维护难度及成本相对较高；三是同可调性液力偶合器，其高位调节片不能长时间离开高位置，发热较严重；四是CST基本没有节能功效，达不到节能效果。由于机械原因，使用时间长，间隙增大，一年后便开始发生漏油现象。2.1、调速原理变频调速是电机调速的主要技术。交流电动机转速的表达式为：n=psf)1(60上海地澳自动化科技有限公司其中：f——定子供电电源的频率p——电动机的极对数s——电动机的转差率。由上式可知，当平滑地改变f时，n也可得到平稳的改变。所以，变频调速技术的关键是如何获得频率可变的大功率供电电源。由于m——主磁通E1X——电动势fx——频率KE——比例常数N——每相绕组匝数当一台电机制造完毕后其kE、N均为常数，故：=C其中：在电动机内，额定频率时，定子绕组的阻抗压降ΔU=I1z1，Z1为定子绕组的阻抗，包括电阻r1和漏磁电抗x1所占比例甚小，忽略不计，所以电动势与电源相电压相平衡：U1x≈E1x即只有当m=Const时，即通常说的V/f恒定控制。由此可见，变频的同时也必须变压，V/f恒定控制的实质意义就是与直流调速相等，达到磁场恒定，电枢可逆的调速方式。因交流电动机是个多变量、强耦合和非线性被控对象，仅用电压/频率（V/f）恒定控制，不能满足对调速系统的要求，故一级调速均采用矢量控制，它以交流电机的双轴理论为依据，在同步旋转坐标中把定子电流矢量分解为两个分量，一个分量与转子磁链矢量重合，称为励磁电流分量；另一个分量与转子磁链矢量垂直，称为转矩电流分量，通过控制定子电流矢量在旋转坐标中的位置及大小，即可控制励xxmfU1NfkxExEm44.41NkKE44.41xmfxEK1上海地澳自动化科技有限公司磁电流分量和转矩电流分量的大小，达到直流电动机那样对磁场和转矩的解耦控制。目前煤矿用的变频器多般为这一类型的变频器。直接转矩控制避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量的模与相角的复杂计算，直接在定子坐标系上计算电机的转矩与磁通，通过转矩控制，使转矩响应时间控制在一拍以内，且无超调，控制性能比矢量控制还好。2.2、控制方式和运行方式控制方式有V/F恒定控制，适用于水泵、风机一类轻负载；矢量控制和直接转矩控制适用于重负载或需要恒转矩的工况。运行方式：有两相限和四象限运行。2.2.1、矢量控制矢量控制的基本思想是仿照直流电动机的调速特点，是异步电动机的转速能通过控制两个相互垂直的直流磁场来进行调节。其主要依据：1)产生旋转磁场。三相交流电的合成磁场；两相交流电的合成磁场以及本身旋转的直流磁场。2）以所产生的旋转磁场相同为原则，通过三相——两相和同步等各种磁动势之间的