基于抗干擾的礦用變頻器整流器PWM四象限改造仿真

摘要：針對礦用變頻器電磁干擾問題，在結(jié)合礦用變頻器整流器結(jié)構(gòu)的接觸上，引入LC濾波器，對礦用變頻器整流器PWM四象限進行改造，進而通過濾波減少頻譜采集信號模糊的問題，減少因電磁干擾造成的信號采集干擾。最后，采用Simulink軟件對礦用變頻器進行建模，以及對試驗環(huán)境參數(shù)進行設(shè)置，得到經(jīng)過濾波器采集處理和未經(jīng)過LC濾波的頻譜圖，結(jié)果表明經(jīng)過LC濾波得到的頻譜圖更加清晰。

關(guān)鍵詞：礦用變頻器;LC濾波;PWM四象限;Simulink仿真

中圖分類號：TM461

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）08-0094-05

Simulation of PWM Four Quadrant Transformation of ConverterRectifier Based on Anti-interference

XU Zhi-hong

（Department of Mechanical and Electrical Engineering，Xinjiang Coal Technician College，Urumqi Xinjiang 830027.China）

Abstract ： in view of the problem of electromagnetic interference of mine frequency converter.in combination withthe contact of the structure of mine frequency converter rectifier.LC filter is introduced to transform the PWM fourquadrant of mine frequency conveiter rectifier.and then the problem of fuzzy frequency spectrum acquisition signalis reduced by filtering，and the signal acquisition interference. caused hy electromagnetic interference is reduced.Fi-nally，the simulation software is used to model the mine frequency converter.and the parameters of the test environ-ment are set.The spectrum after filter acquisition and processing and without LC filtering is obtained.The resultsshow that the spectrum after LC filtering is more clear.

Key words ： mine frequency converter;LC filter;PWM four quadrant;simulink simulation

變頻器作為煤礦機械設(shè)備的一個重要組成部分，其主要是由濾波器、整流器、驅(qū)動裝置、微處理單元等構(gòu)成。礦用變頻器主要的作用是結(jié)合節(jié)點設(shè)備的電源電壓，然后利用其內(nèi)部的IGBT開斷，進而改變電源電壓輸出的大小及頻率，進而起到對機電設(shè)備保護的作用。但實際應用發(fā)現(xiàn)，礦用變頻器在煤礦生產(chǎn)使用過程中，存在欠壓、電磁干擾等問題，這不僅導致變頻器故障，也嚴重影響煤礦機電設(shè)備的安全運行。比較典型的問題是，IgBT在工作時會產(chǎn)生大量的高頻脈沖，進而與變頻器內(nèi)部的導線、器件等形成振蕩電路，從而產(chǎn)生高頻的電磁干擾，給變頻器帶來很大威脅。因此，本文嘗試針對礦用變頻器電磁抗干擾問題，結(jié)合礦用變頻器原理的基礎(chǔ)上，對礦用變頻器整流器PWM四象限進行改造，加入LC濾波器，進而減少因電磁干擾帶來的問題，從而提高礦用變頻器的應用效率。

1礦用變頻器的基本原理

目前在電力系統(tǒng)中普遍使用了變頻器，隨著國內(nèi)在變頻器領(lǐng)域研究的深入，各種高性能的功率元件應用到了變頻器中，有效地提升了變頻器的性能。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）屬于一種高性能的元件，廣泛應用到了礦用變頻器中，其應用的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在響應速率快、容量大、驅(qū)動功率小等方面，因此在應用中將會顯著提升變頻器的性能。礦用變頻器的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，礦用變頻器總體劃分為整流、逆變2個環(huán)節(jié)，2者的具體執(zhí)行過程不同，前者主要將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，然后輸出形成逆變環(huán)節(jié)的母線電壓，此環(huán)節(jié)的功能主要利用了特殊的二極管實現(xiàn);后者則主要是IGBT，通過特定的數(shù)字控制器來控制運行的過程，IGBT能夠?qū)⒅绷麟娔孀兂啥鄠€頻率的交流電，然后進一步輸入到電機中應用，通過這種方法實現(xiàn)了變頻控制的目標。由于在2個環(huán)節(jié)作用的過程中存在一定的電壓波動，需要采用電容器進行處理，以保證母線電壓的穩(wěn)定性。對于本文研究的礦用變頻器來說，主要利用了空間電壓矢量（SVPWM）控制方式，這種方式能夠有效地增強母線電壓的利用率，由此能夠達到更高的性能。

2礦用變頻器電磁干擾規(guī)律分析

文章重點研究了電壓型整流器，IGBT應用在礦用中低壓變頻器中具有一定的優(yōu)勢，這種控制方式實現(xiàn)難度小，損耗較低，適合于應用到工程領(lǐng)域中。從原理上來看，此方法主要利用雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)對SPWM脈沖占空比的控制，通過這種方法能夠有效地調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)電流，確保直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性。具體的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

對于SPWM整流器來說，在控制過程中通過濾波電感得到一定的電壓，對應的波形呈現(xiàn)出正弦曲線的特征。其中含有的載波容易降低網(wǎng)側(cè)電流的穩(wěn)定性，如果這些諧波混入到煤礦電網(wǎng)中將會引發(fā)一系列不利影響，不僅會對電網(wǎng)的正常功率因數(shù)造成影響，同時降低了設(shè)備運行的穩(wěn)定性。通過一定的方式將網(wǎng)側(cè)電流或者電壓變換成雙變量控制函數(shù)，接著獲得網(wǎng)側(cè)諧波在載波以及基波周圍的分布，此過程主要利用了雙重傅里葉方法。在研究過程中構(gòu)建了SPWM四象限整流器模型，負載為50kW，交流電壓是AC380V，載波頻率為10kHz，然后將其與二極管整流方式進行了對比，分析了2者對網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)的干擾效果，具體結(jié)果如圖3、圖4所示。

根據(jù)圖3中曲線變化可知，相對于二極管整流方式，PWM整流方式在電壓相位跟蹤上效果較好，顯著降低了對電網(wǎng)的無功影響。另外通過相同的仿真過程還可以證明PWM整流方式在功率因數(shù)控制上的效果優(yōu)于晶閘管相控整流方式。

根據(jù)圖3、圖4可知，網(wǎng)側(cè)電壓以及電流諧波分量基本都處于載波帶，PWM整流器可有助于壓制電流諧波，例如將電感串聯(lián)在網(wǎng)側(cè)，或者增大開關(guān)頻率，但是需要保證相關(guān)參數(shù)設(shè)置的合理性，否則會影響到電流諧波壓制的效果。

3礦用變頻器整流器PWM四象限濾波改進

3.1濾波器改進原則

在采用濾波裝置時需要采用科學的連接方式，目前大多采用了三角形連接方式。在設(shè)計礦用變頻器LC輸出濾波器時需要堅持一定的原則，具體為：

1）首先確定最佳的截止頻率，以此能夠有效地去除電壓內(nèi)的高次諧波，進而得到更高質(zhì)量的波形，基本都是規(guī)則的正弦波。

2）然后對電容以及電感進行設(shè)置，在此過程中需要考慮到濾波裝置的使用成本以及所占空間，盡量在滿足頻率要求的前提下選擇更小的容量。

3）設(shè)置LC濾波器插入損耗參數(shù)，此過程應該降低對電機駱動電壓的不利影響，同時需要盡可能節(jié)約電能。

4）濾波器的衰減特性需要達到一定的條件，如果滿足條件諧波頻率>10*基頻，則截止頻率基本處于最低諧波的0.1-0.2倍范圍內(nèi)。

3.2濾波器改進設(shè)計

采用三角形連接方式的LC濾波器，則有L=L1=L2=L3，C=C1=C1=C3在基波頻率時，由于三相電機一相等效電感較小，因此可以不考慮，此時可以通過簡化的方式進行表示，其等效結(jié)構(gòu)即為圖5所示，對應的轉(zhuǎn)移函數(shù)形式如下所示：

在上述公式中，us、u1對應著輸入、輸出兩個端口的電壓值，表示濾波器阻尼系數(shù)，，代表的是截止角頻率。由此得到截止角頻率ωLC的要求如下所示： ωc/10<ωLC<ωc/5

等效電路無功功率的形式如下所示：

其中ωn、ω1分別對應著諧波、基波角頻率，Um（1）、Um（n），則分別表示基波電壓向量與電容兩側(cè)電壓向量;Im（1）、Im（1）分別表示電感、基波電壓的電流向量。由于高次諧波基波沒有出現(xiàn)在差模輸出電壓內(nèi)，所以基波的無功功耗基波等于零，由此可以得到：

已知，，Um（1）≈則可以將上述公式進一步轉(zhuǎn)化為：

上式中，電機的額定電流以及電壓等參數(shù)都是已知的，所以此時的白變量僅有L。電感容量會直接影響到LC濾波器的尺寸，通常情況下應該保證較小的電感值，此時濾波器無功損耗會影響到輸出功率?？紤]到這些因素，則應該在達到截止頻率的前提下，盡量降低無功功率。進一步對上式求導得到：

如果滿足條件，則Q相對于L的極小值即為：

4實驗驗證

4.1礦用變頻器建模

搭建基于Simulink的變頻器仿真模型，具體如圖6所示。

4.2參數(shù)設(shè)置

對模型參數(shù)進行合理地設(shè)置，具體的參數(shù)設(shè)置如下：逆變器400kW，功率因數(shù)設(shè)置為cosφ=0.88，載波頻率是15kHz，此時計算出的單相等效阻抗為1.25Ω，對應的輸出電流是60.1A，輸出電壓是380V，根據(jù)上述數(shù)據(jù)將截止頻率設(shè)置為1.75kHz，在此基礎(chǔ)上得到：

L、C分別設(shè)置為57.5uH、5.7mF，則可以得到：

由此得到傳遞函數(shù)的形式如下所示：

4.3仿真結(jié)果

通過上述的仿真，可以得到LC濾波器的波特圖。

在圖7中展示了LC濾波器的伯德圖，根據(jù)圖7中可以明顯地看到，工頻基波電壓的頻率等于50Hz時，在通過時的損耗基本等于零，系統(tǒng)保持了良好的衰減特性，并且有效地壓制了載波帶的高次諧波。在設(shè)計LC濾波器過程中利用了先前得到的LC參數(shù)，然后進行了濾波實驗，采用傅里葉變換進行了頻譜分析，最終得到的結(jié)果即為圖8、圖9中所示，根據(jù)結(jié)果可知本文設(shè)計的LC濾波器在濾波上得到了較好的應用效果。

5結(jié)語

通過以上研究看出，礦用變頻器的整流器中加入LC濾波器，可有效降低電磁干擾，使得采集到的信號頻譜圖能清晰展示。由此說明，經(jīng)過LC濾波后，可有效降低礦用變頻器在使用過程中的電磁干擾問題，提高其信號采集效率。

參考文獻

[1]劉健東，陶媛媛，王暢.礦用變頻器60°坐標系SVP-WM過調(diào)制算法研究[J].煤炭工程，2016，48（04）：114-117.

[2]呂鵬.礦用變頻器的設(shè)計與應用[J].煤炭與化工，2016，39（09）：108-110.

[3]劉宵辰，沈傳文，林凱，等.礦用防爆變頻器監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].煤礦電，2016（05）：7-10.

[4]陳亞愛，陳成，周京華，等.110kW隔爆型本質(zhì)安全礦用變頻器的研制[J].電機與控制應用，2014，41（05）：68-72.

[5]杜卿.礦用變頻器本質(zhì)安全型電路設(shè)計[J].煤礦機械，2018，39（ 06）：26-27.

[6]常國祥，楊金龍，劉岫嶺，等.兩電平SVPWM新算法研究與實現(xiàn)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2015（03）：37-39+58.

[7]徐占軍，謝小展，徐國強，等.高功率密度10kV防爆高壓變頻器研制[J/OL].電氣傳動，2020（04）：109-112.

[8]王聰，胡昊雨，程紅.基于小信號模型的級聯(lián)式單相VIENNA開關(guān)變換器的控制與仿真設(shè)計[J/OL].礦業(yè)科學學報，2020（01）：1-10.

收稿日期：2020-01-13

作者簡介：徐志紅（1971-），女，漢族，新疆奇臺人，工程碩士，高級講師，研究方向：煤礦電氣。