中壓防爆變頻器設計與研究

田云泉 李艷玲 朱彥麗

(山西汾西機電有限公司，山西 太原030027)

0 引言

針對我國煤機裝備制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)《國家經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》和《國務院關于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》精神，為了加快智能制造裝備的創(chuàng)新發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化、推動煤機裝備制造業(yè)轉型升級、公司提出并組織中高壓變頻調速控制系統(tǒng)、智能監(jiān)測與診斷的研究；公司多年從事變頻器的研究、開發(fā)與生產(chǎn)并具有開發(fā)大功率變頻器的實力，對此領導積極要求變頻器研發(fā)部和工程部針對刮板輸送機專用變頻器要求作出相應科學方案，力爭把這個項目做成精品，力爭達到國際先進水平。

1 產(chǎn)品組成

本解決方案提出了應用于刮板輸送機專用變頻器解決方案，整個變頻器包括負責整流部分、逆變部分、卸荷電路部分、輸出濾波部分、水冷系統(tǒng)及控制部分組成。主回路單元的核心部分是DFE整流單元和逆變單元，還包括隔離開關、預充電電路、輸入電抗器、支撐電容組、放電電路、輸出濾波器等?？刂葡到y(tǒng)包括PLC控制器、操作面板及顯示屏、功率處理單元、光纖耦合單元以及輔助控制電路。變頻器系統(tǒng)構成如圖1所示：

圖1 變頻器系統(tǒng)構成

2 電氣設計方案

2.1 主電路方案

2.1.1 主電路拓撲

主電路方案如圖2所示，整流器單元采用的是DFE二極管12脈波拓撲結構，逆變單元采用的是三電平NPC拓撲結構。

圖2 主電路方案

2.1.2整流單元

整流單元主要包括輸入接線端子、12脈波二極管整流電路以及輸入電流傳感器。輸入電流傳感器用以保護整個輸入電路，控制系統(tǒng)根據(jù)輸入電流傳感器的采樣數(shù)據(jù)對上游電路的輸入斷路器進行分勵及合閘動作。

2.1.3 逆變單元

逆變單元主要由三相功率模塊組成，如圖3所示，每一相的功率模塊由四個IGBT模塊、兩個鉗位二極管以及相應的門級驅動電路和吸收電容組成，上述部件通過疊層母排互相連接。逆變單元利用脈寬調制模式（PWM）形成IGBT的觸發(fā)波形，具體調制模式采用了空間矢量調制模式（SVPWM）。除功率模塊之外，逆變單元還包括三相輸出電流傳感器。

圖3 功率模塊方案

2.1.4 直流母線

直流母線包括直流支撐電容、電壓傳感器以及放電電路，變頻器停止運行后在5分鐘內將直流母線的電壓泄放到安全范圍內。

2.1.5 卸荷電路

變頻器根據(jù)具體應用需要配置卸荷電路，卸荷電路可以在電機制動或者系統(tǒng)失電等工況下平抑直流母線的電壓波動。

2.1.6 輸出濾波單元

輸出濾波單元為LC濾波器加上相應的阻尼電路構成，輸出濾波單元將平抑變頻器輸出的dV/dt，以及由于dV/dt造成的電纜波反射過沖電壓。如果變頻器電纜到負載電機的距離超過1000米，為了抑制由于器件開關在電纜波反射過程中所造成的過沖電壓，輸出濾波單元將考慮采用正弦濾波器。

2.2 控制系統(tǒng)方案

2.2.1 控制系統(tǒng)軟件設計

變頻器控制軟件包括：主控制器軟件、PLC軟件、和OP面板軟件。

主控制器軟件主要任務是對來自遠程和現(xiàn)地的控制指令進行處理；更新系統(tǒng)控制參數(shù)設置；完成變頻器狀態(tài)量的采樣，完成變頻器整流單元和逆變單元的控制算法；完成PWM控制信號的輸出；完成變頻器內部的各種保護功能；

PLC軟件主要對變頻器的各種I/O信號進行邏輯控制，完成內部溫度等信號的采樣，完成與外部控制分站的通訊。

OP面板軟件主要是對變頻器的各種操作狀態(tài)、運行參數(shù)進行顯示。PLC軟件主流程圖如圖4所示。

2.2.3 控制系統(tǒng)拓撲及組成

變頻器的控制系統(tǒng)拓撲結構如圖5所示，整個控制系統(tǒng)包括PLC、電力接口電路、光電耦合單元、各類輸入輸出端子、Profibus端子以及顯示屏等用戶界面模塊。

電力接口電路產(chǎn)生驅動逆變器單元IGBT的脈寬調制PWM信號。光電耦合單元將逆變器功率單元的PWM脈沖信號轉換為光纖信號進行傳輸，以保證PWM信號的抗干擾能力。PLC同時利用Profibus端子與用戶系統(tǒng)進行通信，獲得并且反饋控制和應用參數(shù)。

2.2.4 控制算法

整個系統(tǒng)的算法基于矢量控制算法。如圖6所示，整個控制系統(tǒng)由兩個控制環(huán)組成，外環(huán)負責根據(jù)編碼器的速度反饋信號完成電機轉速的控制，并且輸出電機轉矩參考值；內環(huán)負責根據(jù)電機轉矩參考值和轉矩觀測器的輸出完成電機轉矩的控制，以達到調速的目的。電機控制算法可以根據(jù)用戶需求采用矢量控制方法或者簡單壓頻比控制。

圖6 控制算法結構

3 結構設計方案

變頻器外殼設計如圖7：

圖7 整體結構

4 結束語

隨著現(xiàn)代電力電子技術及計算機控制技術的迅速發(fā)展，促進了電氣傳動的技術革命。交流調速取代直流調速，計算機數(shù)字控制取代模擬控制已成為發(fā)展趨勢。交流電機 變頻調速是當今節(jié)約電能，改善生產(chǎn)工藝流程，提高產(chǎn)品質量，以及改善運行環(huán)境的一種主要手段。變頻調速以其高效率，高功率因數(shù)，以及優(yōu)異的調速和啟制動性能等諸多優(yōu)點而被公認為最有發(fā)展前途的調速方式。變頻器和交流電機組成的交流調速系統(tǒng)具有更寬的允許電壓波動范圍、更小的體積、更強的通訊能力，更優(yōu)良的調速性能，在煤礦企業(yè)中得到了廣泛的應用變頻器并趨于大功率，大型化發(fā)展。所以本文主要介紹了中壓防爆變頻器的設計研究。

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