低压滤波型四象限高压变频器在矿井提升机上的应用(2)

功率柜中装有功率单元和滤波单元，每个功率单元和滤波单元为一组，如图6、7所示，每组结构上完全一致，可以互换，其主电路结构为图8。增加滤波单元(LCL滤波器)是为了消除PWM整流器的开关动作对电网造成的谐波污染。功率单元是整个变频系统的心脏，能量回馈功率单元采用有源前端(AFE)、直流环节(DC-Link)与逆变电路(INV)整合的结构。整流侧用IGBT三相全桥可控整流，中间采用电解电容滤波和储能，输出侧为4只IGBT组成的H桥。每个功率单元内部包含完整的能量回馈电路、直流滤波电路、逆变电路和旁路电路。每个功率单元相当于一台交-直-交电压源型单相输出的低压变频器。每个功率单元内装有独立的DSP处理器和电压、电流采样电路，能够在主控系统的协调下独立地实现能量回馈的控制。由于采用可控整流技术，变频器的输入电流具有较高的功率因数(PF>0.95)和较低的谐波含量(THD<4%)。

图6 前方的功率单元

图7 后方的滤波单元

图8 功率单元内部基本电路结构

变压器二次侧交流电源通过前部IGBT进行三相全桥方式整流，整流后经直流母线对滤波电容充电，每个功率模块中加装电流检测装置，检测直流母线电压，根据直流母线电压大小确定电容上的电流应该给多少，保证直流母线电压稳定。电机需要能量了，母线电压会下降，能量正向流动，这是电动功率。如果能量反向流动，电容上的电压会升高，通过前部IGBT控制，使能量回馈到电网，产品具备100%额定功率的能量回馈能力。

变频器的输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到如图9所示的阶梯PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度较长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造;同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动。

图9 高压变频器输出线电压波形

控制系统位于控制柜中，由主控制器(DSP)、人机界面(嵌入式工控机)、PLC三大部分构成，三大部分各有分工，又互相通讯、协同工作。人机界面和主控制器及PLC之间均采用RS485进行数据通讯，通讯协议为Modbus协议。主控制器和PLC之间采用I/O点建立简单通讯。

高性能交流传动系统均需要转速闭环控制，利德华福自主研发的带编码器高性能矢量控制技术，可保证很高的精度和很准确的动态响应。整个系统采用高性能DSP微处理器，可以自动检测到电机的参数，建立电机的数学模型，通过检测电机的电压和电流，对电机的磁通和转矩进行实时的解耦控制，能够对电机转矩进行主动的限制，避免负荷波动导致的过电流故障。

五、投运后的效果

变频器成功应用于提升机生产，解决了原串电阻调速系统的各种弊端，优势如下：

(1)克服了接触器、电阻器绕线电机电刷等容易损坏的缺点，降低了故障和事故的发生率，提高了系统的可靠性;

(2)启动柔和，转矩大，实现了无级平滑调速，电机振动小;

(3)加减速快速平稳，,机械冲击小，极大的延长了设备的使用寿命;

(4)自动化程度高，操作简单，主令手柄和制动手柄在提升机运行中基本不动，降低司机劳动强度和操作难度;

(5)基本无维护工作量，减低了维护人员的工作强度;

(6)系统具有更完善的软硬件保护环节。

六、总结

安全生产是煤矿生产永恒的主题。煤矿提升机对整个矿井的安全生产具有至关重要的作用。神宁集团石炭井焦煤公司副井提升机变频器的成功投运，为用户创造了巨大的经济效益和社会效益。实践证明，利用技术先进、成熟安全的高压变频调速系统可以全面改善现场工况，提高系统自动化程度，保证系统安全。同时使用高压变频器可以大大降低现场维护量，降低司机及维护工人的工作强度，值得大力推广。

参考文献：

1、 倚鹏，北京利德华福电气技术有限公司，《高压大功率变频器技术原理与应用》