煤礦井下變頻器濾波裝置的優(yōu)化研究

連文軍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)長治仙泉煤業(yè)， 山西 長治 047100）

引言

隨著煤礦綜采裝備技術(shù)水平的提高，井下多類型驅(qū)動(dòng)電機(jī)均采用變頻驅(qū)動(dòng)，對供電系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性提出了更高的要求，高壓變壓器在對電壓進(jìn)行變壓的過程中會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定電壓，而且由于供電距離不同，導(dǎo)致實(shí)際傳輸?shù)阶冾l電機(jī)處的電流存在一定波動(dòng)，導(dǎo)致變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)在運(yùn)行過程中由于電流存在雜波信號而產(chǎn)生異常運(yùn)行噪聲。目前多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)均在變頻器的輸出端增加了濾波裝置，用于降低變頻器輸出變頻電流內(nèi)的雜波，但這些濾波裝置主要采用RL 濾波器，普遍存在工作效率低、濾波性能差、可靠性不足的缺陷，無法滿足井下變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行的工作需求。

本文提出了一種新的變頻器濾波裝置，對該變頻器濾波裝置的濾波原理、整體結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了分析，并利用仿真分析和實(shí)踐驗(yàn)證的方式對該變頻器的實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，新的變頻器濾波裝置工作穩(wěn)定性高，能夠有效地消除供電電壓內(nèi)的電壓尖峰，解決驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的異常噪聲，提高變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

1 異常現(xiàn)象分析

對變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行異常情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其典型的運(yùn)行異常表現(xiàn)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)在運(yùn)行過程中變頻器的功率元件故障報(bào)警率高，而且電機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)顯著的“尖叫”和運(yùn)行抖動(dòng)情況，現(xiàn)場對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的布置情況進(jìn)行調(diào)查，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定電壓為1 140 kV，運(yùn)行時(shí)的額定功率為400 kW，控制電機(jī)運(yùn)行的變頻器距離電機(jī)的長度為0.5 km。通過對其運(yùn)行異?，F(xiàn)象的分析，異常原因主要包括以下幾個(gè)方面[1]：

1）變頻器自身結(jié)構(gòu)影響：變頻器的逆變器采用了二極管鉗位式三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而變頻器的功率元件運(yùn)行時(shí)的開關(guān)頻率明顯超過了系統(tǒng)的基波頻率，因此導(dǎo)致了變頻器輸出的變頻電流中含有幅值和頻率尖銳的諧波，這些諧波進(jìn)入變頻電機(jī)后，造成電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)的電動(dòng)勢能增加，使得電機(jī)內(nèi)的磁場產(chǎn)生渦流，進(jìn)一步產(chǎn)生了大量的附加轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，影響運(yùn)行穩(wěn)定性。

2）供電距離影響：電流在電纜內(nèi)傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波電流，而且傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，諧波電流在電纜內(nèi)的疊加就越嚴(yán)重，導(dǎo)致到達(dá)變頻電機(jī)處的電流為多次疊加后的紊亂電流，影響電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

2 變頻器濾波裝置設(shè)計(jì)

結(jié)合對供電系統(tǒng)異?，F(xiàn)象的分析，為了實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)不穩(wěn)定電流和諧波的有效過濾，提出了一種新的變頻器濾波裝置，重點(diǎn)對變頻器濾波裝置內(nèi)的功率器件進(jìn)行優(yōu)化。由于功率器件內(nèi)的電壓變化率極大，該峰值電壓若不進(jìn)行處理直接加載到電機(jī)上，將極易引起電機(jī)絕緣系統(tǒng)的損壞，因此在其輸出端增加了低通濾波器[2]，其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，圖1 中IGBT 表示功率器件。

圖1 低通濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1 可知，當(dāng)兩個(gè)功率器件打開后，電流會(huì)進(jìn)入電容Cf內(nèi)，電容開始充電，同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)所有的電壓均加載到系統(tǒng)電感Lf上，在此情況下系統(tǒng)內(nèi)變頻電機(jī)Lload的驅(qū)動(dòng)電壓就是由系統(tǒng)內(nèi)的Lf、Cf共同決定的，具有更好的穩(wěn)定性和更強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力。

為了解決不同電纜長度對供電穩(wěn)定性的影響，系統(tǒng)采用了按電纜長度精確設(shè)置變頻器濾波裝置參數(shù)的原則[3]，一機(jī)一匹配，滿足精確控制的需求。結(jié)合井下供電系統(tǒng)的實(shí)際情況，其主要采用了中性點(diǎn)接地的控制方式，因此為了滿足精確調(diào)控的需求，所提出的濾波裝置的布置結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 濾波裝置布置結(jié)構(gòu)示意圖

由于作用下變頻電機(jī)上的驅(qū)動(dòng)電壓是由系統(tǒng)內(nèi)的Lf、Cf共同決定的，因此在設(shè)置濾波器的工作參數(shù)時(shí)就是對Lf、Cf參數(shù)進(jìn)行確定。對電抗器參數(shù)的選擇主要采用了系統(tǒng)電壓降法，以電抗器的工作電流滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大工作要求為基準(zhǔn)設(shè)置即可。對濾波裝置電容工作參數(shù)的選擇主要是依靠變頻器逆變單元截止頻率計(jì)算公式來確定，其設(shè)定值一般選擇電容總值的30%即可。

3 仿真分析驗(yàn)證

為了對該變頻器濾波裝置的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析，利用仿真分析軟件搭建井下變頻供電濾波裝置仿真電路，對其輸入井下驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際輸入電壓、電路參數(shù)，對其輸出的電壓波形進(jìn)行研究，該濾波裝置的仿真分析電路如圖3-1 所示，輸出電壓波形如圖3-2 所示。

圖3 仿真分析結(jié)構(gòu)示意圖

由仿真分析結(jié)果可知，采用新的濾波裝置后，輸出電壓的波形平穩(wěn)，有效地消除了因諧波產(chǎn)生的電壓尖峰，提升了供電穩(wěn)定性。

4 應(yīng)用效果

為了進(jìn)一步提升井下應(yīng)用效果，對變頻器進(jìn)行改進(jìn)，增加濾波裝置。為了適應(yīng)井下復(fù)雜、防爆的工作環(huán)境需求，對濾波裝置的外殼進(jìn)行優(yōu)化，在電抗器上側(cè)增加了排風(fēng)裝置或采用內(nèi)循環(huán)水冷散熱式電抗器，在防爆外殼后側(cè)增加了水冷散熱裝置，加快濾波裝置的熱量耗散，提高應(yīng)用可靠性[4]。

設(shè)置變頻器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的距離為0.6 km，變頻器的工作電壓為1 140 V，額定輸出功率為500 kW，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定電壓為1 140 V，額定運(yùn)行功率為400 kW，在正常工作過程中，采用舊濾波裝置和新濾波裝置下，電壓和電流波形如圖4 所示。

圖4 不同濾波裝置工作效果對比

由實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果可知，采用傳統(tǒng)濾波裝置方案，輸出電壓和電流存在著較為明顯的諧波，而采用新的濾波裝置后，輸出電壓和電流上的諧波基本消失，消除了電機(jī)在運(yùn)行過程中由于電流電壓波動(dòng)導(dǎo)致的異常噪聲等，能夠顯著地提升變頻電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。

5 結(jié)論

1）變頻器的功率元件運(yùn)行時(shí)的開關(guān)頻率超過系統(tǒng)的基波頻率及諧波電流在電纜內(nèi)的疊加是導(dǎo)致變頻電機(jī)出現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定的主要原因。

2）新的變頻器濾波裝置，重點(diǎn)對變頻器濾波裝置內(nèi)的功率器件進(jìn)行優(yōu)化，在輸出端增加低通濾波器，提升系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和可靠性。

3）為了解決不同電纜長度對供電穩(wěn)定性的影響，采用了按電纜長度精確設(shè)置變頻器濾波裝置參數(shù)的原則，一機(jī)一匹配，滿足精確控制的需求。

4）采用新的濾波裝置后，輸出電壓和電流上的諧波基本消失，能夠顯著地提升變頻電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。