一種礦用防爆變頻器

孫凱 趙光明 張明雨 朱龍 陳超

關(guān)鍵詞：三電平;煤礦防爆;組合式;兩逆變;防爆變頻器;控制策略 ;THD

一、前言

我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來越快，有了經(jīng)濟(jì)的支持，各類科技發(fā)展水平也相應(yīng)提高，二者進(jìn)一步相互促進(jìn)的同時，使得我國許多其他產(chǎn)業(yè)也因此受益，煤炭行業(yè)就是其中最大受益者之一，如今許多煤炭行業(yè)的生產(chǎn)，已經(jīng)進(jìn)入了自動化生產(chǎn)階段，而且自動化生產(chǎn)水平日益提高。為了確保自動化生產(chǎn)過程當(dāng)中煤礦安全問題，礦用防爆變頻器由此產(chǎn)生，這一裝置可以很好地很好地在煤礦生產(chǎn)過程當(dāng)中，相對智能的調(diào)節(jié)機(jī)械生產(chǎn)過程當(dāng)中的速度快慢，而且也有著一定的節(jié)能作用，可以減少煤礦生產(chǎn)過程中所需能源的消耗。從而降低煤礦生產(chǎn)的成本，所以在煤礦井下應(yīng)用防爆變頻器是十分廣泛的情況。

如今許多煤礦當(dāng)中應(yīng)用最常見的就是兩電平礦用變頻器，這種變頻器有著比較好的節(jié)能效果，而且調(diào)速性能相對來說也屬于中上水平。但是其缺點(diǎn)也十分明顯，首先就是造價高成本高，這使得這種機(jī)器的性價比相對較低，同時占用空間面積較大，而一般煤礦井下空間是有限的，這會給煤礦開采過程當(dāng)中帶來一定的空間限制問題;其次就是兩電平的開關(guān)器件需要承受的電壓較高，這有一定的危險性，而且它的電壓諧波大，這就會使得他在運(yùn)作過程當(dāng)中有著比較高電磁噪音。

為了改善以上問題本文研究提出了一種新的三電平組合式防爆變頻器，具體內(nèi)容如下。

二、變頻器組合技術(shù)

傳統(tǒng)的礦用變頻器采用的工作模式都是一整流、一逆變的模式，而本次研究所設(shè)計的三電平礦用防爆變頻器采用相對先進(jìn)的一整流、兩逆變工作模式，這樣的設(shè)計優(yōu)點(diǎn)在于可以使兩個逆變單元應(yīng)用到一個防爆柜殼體之中，這樣一來，就可以有效減少變頻器在工作當(dāng)中所應(yīng)用的占地空間了，同時，應(yīng)用到一個殼體當(dāng)中，就可以在整流部分只使用一個電源模塊，電源模塊所需配備的直流母線，也只需要用一個組合，從此流出的平滑電流通過兩個逆變橋連接到負(fù)載上，這兩個逆變橋式，三電平式的，相互之間的通訊方式采用光纖通訊，既能保證通訊不失真，又能保證通訊速度，而且在煤礦井下工作，也可以保持較強(qiáng)的抗干擾能力，綜合來看，本次三電平組合式設(shè)計可以有效降低設(shè)備所占用的空間，也可以使控制回路的所需成本大大減少，具體的設(shè)計框架圖見圖1。

三、系統(tǒng)總體設(shè)計

三電平組合式變頻器顧名思義，也就是在平滑直流通過逆變電路的后的輸出一側(cè)可以輸出三種不同狀態(tài)的電壓。為了實(shí)現(xiàn)這種操作，在這一電路設(shè)計過程當(dāng)中，整流側(cè)應(yīng)用的是12個二極管組成兩個整流橋，而這兩個整流橋在整流過程當(dāng)中不可控，也就是說整流得到的平滑直流是固定的，這兩個整流橋可以起到很好的消諧作用。同時逆變電路當(dāng)中有三相晶閘管，只需要控制這一線路當(dāng)中的開關(guān)次序和時間，就可以使得電流經(jīng)過后在輸出一側(cè)得到三種不同狀態(tài)的電壓——第一種狀態(tài)的電壓是+VDC/2d電壓，第二種狀態(tài)的電壓是0電壓，第三種狀態(tài)的電壓是-VDC/2電壓，其中的VDC表示的是整流電路流出的總電壓之和。三電平組合是變頻器的主電路設(shè)計相對復(fù)雜一些，具體的電路拓布圖見圖2。

四、逆變器控制算法

傳統(tǒng)的逆變器調(diào)制技術(shù)在算法上都有過于復(fù)雜的缺點(diǎn)，這一缺點(diǎn)在三電平逆變器當(dāng)中尤為明顯，本文采用的就是三電平組合式，因此在設(shè)計當(dāng)中會有意簡化算法，減少算法過于復(fù)雜，而占用太多控制芯片的缺點(diǎn)，從而降低變頻器的制造成本。本文提出的控制策略具體如下。

首先，分析三電平的基礎(chǔ)電壓構(gòu)成，將其劃分為27個基礎(chǔ)的電壓矢量，將這些矢量用線段表示，繪制出來后發(fā)現(xiàn)是一個巨大的六邊形，可以將這一六邊形進(jìn)一步劃分，將大六邊形的邊長一半兒作為小六邊形的邊長。由此可以劃分出六個相互重疊的小六邊形，而小六邊形的形狀也正是兩電平的空間電壓矢量圖。

其次，根據(jù)劃分好的六個小六邊形進(jìn)行研究，研究后發(fā)現(xiàn)，小六邊形有重疊部分，而重疊部分是對稱圖形，因此由直線L1、L2和L3三條直線進(jìn)行進(jìn)一步劃分，劃分所得的六個區(qū)域被稱為無交集區(qū)域，由這三個區(qū)域進(jìn)行劃分計算可得出L1、L2和L3三條直線分別表示三種不同數(shù)值的電壓——第一種電壓是Vβ=Vα×√3/3，第二種電壓是Vα=0，第三種電壓是Vr=-Vα×√3/3，這些式子當(dāng)中的α、β表示的都是軸線，其中β軸由L2表示，與β軸垂直的就是α軸了。

之后，由于圖像當(dāng)中有一部分與兩電平電壓的矢量圖相同，所以可以根據(jù)換算得出用兩電壓表示三電平空間矢量的方式，因此，三電平的電壓調(diào)制法可以采用傳統(tǒng)的兩電平電壓調(diào)制法，這樣就簡化了計算中的步驟。

最后，兩電平電壓調(diào)制法計算得出的數(shù)值需要經(jīng)過換算，讓這一結(jié)果呈現(xiàn)在三電瓶電壓矢量當(dāng)中，使開關(guān)狀態(tài)和其對應(yīng)起來，在平滑直流電壓，經(jīng)過三電平逆變器之后就可以得到DVPWM波了。

五、仿真分析

（一）仿真模型總體設(shè)計

以上對于三電平逆變器的算法設(shè)計究竟能不能實(shí)施出來，還是需要由仿真模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而得出結(jié)論的。所以為了力求保證與現(xiàn)實(shí)情況最大幅度相吻合，采用MATLAB/Simulink工具箱，設(shè)計出一種可以還原三電平雙逆變器的模型，選定電壓作為模型參考的重要依據(jù)。

分析三電平逆變器的控制算法之后，盡量簡化SVPWM調(diào)制算法，這樣一方面可以降低模型構(gòu)建的難度，另一方面也可以減少仿真實(shí)驗(yàn)過程出現(xiàn)模型結(jié)果偏差的概率與幅度。在Simulink平臺上設(shè)計如圖4所展示的模型電路，這個電路可以最大程度地還原三電平礦用組合式防爆變頻器在日常實(shí)際工作中的工作情況，由此就可以根據(jù)模型電路模擬工作，從而判斷設(shè)計的控制算法在煤礦井中的工作是否可行。

（二）仿真模型結(jié)果分析

在煤礦井當(dāng)中工作的防爆變頻器實(shí)際工作過程中，直流側(cè)輸入的電壓是1500V，所以在算法模型當(dāng)中，直流側(cè)輸入電壓與現(xiàn)實(shí)情況相同，其他需要設(shè)置的電阻、電容等內(nèi)容也分別采用實(shí)際工作過程當(dāng)中的數(shù)值，將算法模型仿真的檢測時間設(shè)置為0.15s，這一時間可以盡量多的觀測到模型工作時的算法狀態(tài)，而且不會造成數(shù)據(jù)過于復(fù)雜的負(fù)擔(dān)。得出的結(jié)果如圖5、圖6、圖7、圖8所示。

由前兩張圖的結(jié)果可以看出，三平逆變器在負(fù)載阻值等條件不變的情況下，兩個逆變橋經(jīng)過算法運(yùn)算所得出的電流和電壓基本是相似的，而且這種輸出電壓是相對平滑的，波形也能看出是比較平緩的，和正弦波的波形相似，呈多階梯狀，沒有電流波形的毛刺，這是一種非常良好的控制負(fù)載的理想電流和電壓，相互之間也沒有電磁干擾。

而根據(jù)圖七所展示的結(jié)果，可以明顯看出兩個逆變電流，高次諧波是非常低的，其值大小幾乎趨于零。但是低次諧波就沒有高次諧波所展示的那么完美了，受到了一定的影響，存在著一定的諧波失真情況，失真率大概為0.94%左右，失真率并不高，可以滿足日常在礦井當(dāng)中電器設(shè)備的使用標(biāo)準(zhǔn)，可以滿足生產(chǎn)需求。

根據(jù)圖八所展示的結(jié)果，由圖像觀察，可以明顯看出點(diǎn)電壓存在一定偏移的情況，不過大小為5V左右，相對于直流輸入側(cè)電壓1500V來說并不高，換算成比例數(shù)值來說僅有0.33%，完全滿足相關(guān)設(shè)備在使用過程當(dāng)中的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，所以也是在可以接受的范圍之內(nèi)的，不會給設(shè)備造成因電壓帶來的損傷。

六、仿真分析

算法模型所展示出的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出本次設(shè)計的三電平礦用防爆變頻器還是有很高可行性的。為了進(jìn)一步測試其性能，制造出一臺采用此設(shè)計的防爆變頻器，在實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中發(fā)現(xiàn)其參數(shù)結(jié)果和仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本相似，這也就是說，本次實(shí)驗(yàn)所設(shè)計的三電平礦用組合式防爆變頻器已經(jīng)具有可以投入到生產(chǎn)當(dāng)中的標(biāo)準(zhǔn)了。

無論是算法仿真還是實(shí)際實(shí)驗(yàn)都可以看出，三電平變頻器輸出的電壓與正弦波電壓十分相似，而輸出的電流諧波則相對較小，在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中具有很高的優(yōu)勢。不僅如此，在選用器件方面本次設(shè)計的三電平礦用防爆變頻器要求更低，以往兩電平逆變部分開關(guān)器件需要承受整個電路的全部電壓，所以要求開關(guān)器件的質(zhì)量相對較高，而三電平電壓不是全部集中在開關(guān)器件上，所以器件承受能力要求沒那么高，而且三電平逆變電路中的器件也會因此使用壽命增長，這就進(jìn)一步降低了三電平變頻器的制造成本。而且兩個逆變單元用一個電路也會減少變頻器的占地面積，提高煤礦井中的空間面積。

由此可以看出，三電平組合式防爆變頻器在實(shí)際使用中是有很大優(yōu)勢的，值得推廣生產(chǎn)。

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