煤礦提升機(jī)子模塊MMC電壓分析及電路控制設(shè)計(jì)

田飛云

（山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán)竹林山煤業(yè)有限公司，山西 陽(yáng)城 048105）

礦井提升機(jī)的運(yùn)輸、啟停主要是電力拖動(dòng)里面的控制器在進(jìn)行著控制，控制器里面的子模塊又是其組成結(jié)構(gòu)，一個(gè)小小的電壓子模塊能夠影響電路控制以及提升機(jī)運(yùn)輸情況[1]。竹林山煤礦提升機(jī)在運(yùn)料等過(guò)程中，會(huì)頻繁啟動(dòng)、停止，子模塊中的電容電壓就會(huì)有顯著的波動(dòng)，電壓不穩(wěn)定會(huì)影響變流器甚至提升機(jī)本身的使用功能、壽命。為了解決電壓波動(dòng)、延長(zhǎng)提升機(jī)壽命、提高竹林山煤礦提升量，通過(guò)對(duì)提升機(jī)子模塊MMC控制器分析，設(shè)計(jì)相適應(yīng)的控制電路，達(dá)到增強(qiáng)提升機(jī)的電壓、電流穩(wěn)定效果。

1 子模塊MMC輸出功率及電壓波動(dòng)規(guī)律

1.1 提升機(jī)子模塊輸出功率

根據(jù)電力拖動(dòng)、電學(xué)知識(shí)，提升機(jī)子模塊輸出相電壓、相電流分別定義為：

式中：

u0-輸出相電壓，V；

Um-相電壓幅值，V；

Ud-母線(xiàn)電壓，V；

m-調(diào)制比，其中，m=2Um/Ud，0≤m≤1；

w-電壓角頻率，Hz；

t-時(shí)間，s。

式中：

i0-輸出相電流，A；

Im-相電流幅值，A；

φ-功率因素弧度角，rad。

則子模塊輸出瞬時(shí)功率為：

式中：

P0-提升機(jī)子模塊輸出的瞬時(shí)功率，W。

假設(shè)電容電壓是一個(gè)恒定不變值，在分析輸出功率時(shí)不考慮二倍頻分量只考慮橋臂環(huán)流的平均值[2]。提升機(jī)變流器上的子模塊MMC輸出的瞬時(shí)功率與上下橋臂輸出功率形成互補(bǔ)，隨著時(shí)間類(lèi)同為基頻波動(dòng)規(guī)律變化，但整個(gè)變流器上電容儲(chǔ)存的能量卻是較為穩(wěn)定的。雖然提升機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中懸浮電容是一個(gè)周期性充放電過(guò)程，但在一個(gè)周期循環(huán)內(nèi)，子模塊MMC輸入輸出功率均值能夠達(dá)到平衡狀態(tài)[3]。

1.2 MMC電壓波動(dòng)規(guī)律分析

子模塊MMC電容電壓[4]的最大值振幅、波動(dòng)頻率與半橋臂功率波動(dòng)有關(guān)。幅值一定，增大子模塊MMC波動(dòng)頻率，電容電壓波動(dòng)幅值變小。對(duì)于母線(xiàn)中點(diǎn)控制的電壓，重復(fù)累加的零序電壓反而不會(huì)對(duì)輸出的線(xiàn)電壓產(chǎn)生影響，主要是因?yàn)槿嘭?fù)載是對(duì)稱(chēng)的。若零序電壓為高頻量，相見(jiàn)循環(huán)流動(dòng)的電流較為集中，出現(xiàn)的就是橋臂輸出電壓分量較為集中，輸出的電流為高頻分量，進(jìn)而促使子模塊中的MMC輸出功率波動(dòng)頻率由低頻迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l率的波動(dòng)功率。子模塊MMC中下橋臂的電壓、電流、輸出功率、能量隨時(shí)間變化規(guī)律見(jiàn)圖1。

圖1 子模塊電容電壓各參量波動(dòng)曲線(xiàn)

2 子模塊MMC對(duì)不同負(fù)載下電壓作用

通過(guò)電壓數(shù)值仿真模擬來(lái)進(jìn)一步研究子模塊MMC電壓的變化規(guī)律，為下一步提升機(jī)的電路控制設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。利用仿真軟件建立子模塊MMC模型，電壓三相上的每一相的橋臂均設(shè)置子模塊，分別仿真純電阻下電壓變化和異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電壓變化情況。子模塊MMC仿真進(jìn)行設(shè)置的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 子模塊MMC電壓仿真參數(shù)

（1）對(duì)純電阻下子模塊控制電壓仿真分析

電路負(fù)載只有純電阻的子模塊MMC控制的電壓變化仿真數(shù)值模擬的電壓波形變化曲線(xiàn)如圖2所示，從圖中看出子模塊MMC在電源輸出功率為25Hz運(yùn)行時(shí)，濾波后子模塊輸出電壓以正弦函數(shù)變化，整個(gè)過(guò)程較為平穩(wěn)。說(shuō)明負(fù)載為純電阻的情況下，子模塊MMC可有效降低輸出電壓波動(dòng)，有助于保護(hù)負(fù)載。

圖2 純電阻子模塊仿真輸出電壓曲線(xiàn)

（2）對(duì)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的子模塊MMC控制電壓仿真分析

從模擬仿真來(lái)看，電機(jī)啟動(dòng)近似一條直線(xiàn)型，轉(zhuǎn)速增長(zhǎng)過(guò)程較為平穩(wěn)，未出現(xiàn)較大波動(dòng)，從啟動(dòng)到運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程一切平穩(wěn)過(guò)渡。電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，電容電壓波動(dòng)最大的幅度值不超15V，電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行后，電容電壓波動(dòng)幅值接近于8V，說(shuō)明子模塊MMC能夠有效降低電壓波動(dòng)，可以保護(hù)異步電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下的整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，子模塊MMC輸出電壓和電流波動(dòng)均在一個(gè)較為合理的范圍變化。

3 電路控制設(shè)計(jì)

3.1 子模塊MMC控制器電路設(shè)計(jì)

為了保障礦井提升機(jī)正常運(yùn)行，提高運(yùn)輸機(jī)提升量，在變流器里裝有子模塊MMC，子模塊可以控制提升機(jī)在工作中平穩(wěn)運(yùn)行。子模塊MMC為控制電壓平穩(wěn)，需要對(duì)子模塊的各個(gè)控制電路進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。子模塊MMC電路控制平臺(tái)實(shí)物見(jiàn)圖3所示。

（1）電源電路

電源電路采用一款專(zhuān)用的電源芯片，電源芯片輸出的首工作電壓為3.0V，該電壓能夠控制T1管電流導(dǎo)通，低電平1EN端口無(wú)法輸出2.0V的電壓，只有輸出1OUT才能夠輸出此電壓值。在電路設(shè)計(jì)中，完全考慮了芯片的上電順序，并且為了減少磁場(chǎng)的干擾，對(duì)接地與用電器之間，用電器與電源之間，均采用該專(zhuān)用芯片作為電源電路，保證子模塊MMC能夠較好地控制電壓穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 電路控制平臺(tái)實(shí)物圖

（2）復(fù)位電路

在子模塊MMC復(fù)位電路中，采用TPS3823芯片進(jìn)行復(fù)位工作。在復(fù)位電路運(yùn)行過(guò)程中，若自動(dòng)復(fù)位芯片發(fā)生故障，就可以采用在控制器上S1為手動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)。復(fù)位信號(hào)連接線(xiàn)與控制板上的引腳相連，連接線(xiàn)是保證子模塊MMC芯片上電復(fù)位或者手動(dòng)復(fù)位的橋梁。

（3）采樣電路

為了采集子模塊MMC的電壓、電流、頻率等參數(shù)，在電路中開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了采樣電路。采樣電路中有A/D轉(zhuǎn)換電流，將采集到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理分析。比如電路中的霍爾傳感器電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)采樣電阻的轉(zhuǎn)換，可以轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，在第一級(jí)放大器運(yùn)算后把信號(hào)衰減、減弱，信號(hào)在第二級(jí)放大器運(yùn)算后零電位反而被升高，最終輸出的采樣電路電壓在0～3V范圍。

（4）檢測(cè)電路

為了檢測(cè)子模塊MMC的運(yùn)行狀態(tài)或者故障問(wèn)題，設(shè)計(jì)了檢測(cè)電路。電路中三相電流輸出A相和C相信號(hào)被傳感器采集，在后處理器運(yùn)算分析后，能夠得出三相電流的B相信號(hào)。經(jīng)過(guò)三相整流和濾波，并通過(guò)分電阻分壓，最終輸出檢測(cè)信號(hào)電壓，根據(jù)檢測(cè)電壓判斷子模塊的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用

在竹林山煤礦提升運(yùn)輸機(jī)安裝子模塊MMC控制器，控制器中的控制電路均采用設(shè)計(jì)的電源電路、復(fù)位電路、采樣電路和檢測(cè)電路?，F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)6個(gè)多月的運(yùn)行，竹林山煤礦運(yùn)輸量大大提高，不僅提升機(jī)運(yùn)輸穩(wěn)定，而且故障率顯著降低了。以前，提升機(jī)未安裝控制電路的子模塊MMC，平均每個(gè)月就會(huì)發(fā)生1次較大故障、1～2次小故障，多數(shù)故障都是因電機(jī)電壓不穩(wěn)定造成的，在提升機(jī)安裝控制電路的子模塊MMC后，6個(gè)月運(yùn)行當(dāng)中，只發(fā)生過(guò)1次故障。在子模塊MMC的保護(hù)下，電機(jī)在啟動(dòng)、運(yùn)行和停止過(guò)程中受電壓影響較小，能夠使得提升運(yùn)輸平穩(wěn)，載重量提高，有效增加了礦井運(yùn)輸能力。而且，提升機(jī)在發(fā)生故障時(shí)，檢測(cè)電路通過(guò)信號(hào)傳感器作用，反饋給控制終端，維修人員快速找到故障處，進(jìn)行維修處理，降低了礦井運(yùn)輸停滯率。

通過(guò)子模塊MMC的各種電路設(shè)計(jì)，在子模塊MMC控制下，減小了輸出電壓波動(dòng)幅值，保護(hù)電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中的過(guò)電流，避免損傷電機(jī)。子模塊MMC控制保障了竹林山煤礦提升機(jī)的電壓、電流穩(wěn)定，增強(qiáng)了提升機(jī)運(yùn)輸能力和使用性能，有效延長(zhǎng)了提升機(jī)使用壽命。

4 結(jié) 論

從理論上分析了子模塊MMC電壓波動(dòng)規(guī)律，利用仿真軟件分別對(duì)子模塊MMC的負(fù)載在純電阻下和異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電壓作了數(shù)值模擬研究，采用子模塊MMC控制器，電壓波動(dòng)幅值顯著降低，電壓較為平穩(wěn)，有利于控制提升機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)子模塊MMC控制電壓規(guī)律，設(shè)計(jì)了控制器的電源電路、復(fù)位電路、采樣電路、檢測(cè)電路。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用反饋，竹林山煤礦提升運(yùn)輸機(jī)采用設(shè)計(jì)的控制電路子模塊MMC控制器，提升機(jī)的電壓、電流穩(wěn)定效果良好，降低了提升機(jī)的運(yùn)輸故障率，提高了竹林山煤礦的運(yùn)輸能力。