矿用防爆变频器的应用及三电平变频器的发展.pdf

5 6 东媳羞 科技 2 0 1 1 年 第5 期 矿 用防爆 变频器 的应 用及 三 电平变频器 的发展 司伟 ， 刘 霞， 高存峰 山东先河悦新杌电股份有限公司， 山东淄博2 5 5 1 2 0 摘要判断变频器性能的优劣， 一要看对电网的谐波污染和输入功率因数， 二要看其输出交流电压的谐波对电机的影响。良好的抗干扰措 施以及选用三电平变频嚣能够大大改善上述两点， 带来较好的使用效果。 关键词 矿用隔爆变频器谐波污染 电磁干扰 三电平变频器 中图分类号 T M 5 7 1 ． 2 文 献标识码A M i n e e x p l o s i o n p r o o f i n v e r t e r a p p l i c a t i o n a nd t he de v e l o pme n t o f t hr e e l e v e l f r e q ue n c y c o n v e r t e r Ab s t r a c t J u d g e t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t age s，a f r e q u e n c y c o n v e r t e r p e rfo r ma nc e o f t h e d t o s e e h a r mo n i c p o l l u t i o n a n d i n p u t powe rf a c t o r ，2 wa n t s e e it s o u t p u t o f mo t o r a c v o l t a g e h a r mo n i c e ff e c t ．Go o d a n t i d i s t u r b a n c e me a s u r e s and c h o o s e t h r e el e v e l i n v e r t e r c a n g r e a tl y i mp r o v e t h e a b o v e t wo p o i n t s ，b rin g b e e r u s e e ffe c t ． Ke y wo r d s Mi n i n g fl a mep r o o f i n v e r t e r Ha r mo n i c p o l l u t i o n E l e c t r o ma g n e t i c i n t e rf e r e n c e thr e el e v e l i n v e rt e r 伴随着我国煤炭生产 自动化程度的不断提高， 矿 用变频器在煤矿井下采、 掘、 运等机械设备和井上通、 压、 排、 提等四大件的调速应用中发挥了良好的调速性 能和节能降耗的作用。 1 在煤矿实际使用中显现的弊端 由于矿用变频器采用了大功率 的晶闸管和 门极对 称型的 I G B T管， 因此 经过交、 直、 交变换后 ， 输出波形 不是完全的正弦波， 有高次谐波污染和电磁辐射干扰 由模拟电路组成的 电子设备。 1 ． 1 电源 高次谐 波 由于 目前的变频器几乎都采用P WM控制方式 ， 这 样的脉冲调制形式使得变频器运行时在电源侧产生高 次谐波电流， 并造成电压波形畸变 ， 对电源系统产生严 重影响， 通常采用以下处理措施 采用专用变压器对变 频器供电， 与其它供电系统分离； 在变频器输入侧加装 滤波电抗器或多种整流桥回路 ， 降低高次谐波分量， 对 于有进相电容器的场合因高次谐波电流将电容电流增 加造成发热严重， 必须在电容前串接电抗器， 以减小谐 收稿 日期 2 0 1 1 0 51 1 作者简介 司伟 1 9 8 2一 ， 男， 山东科技大学计算机科学与技术专 业本科毕业， 助理工程师， 现任职于山东先河悦新股份有限公司从事 隔爆变频器研发工作。 波分量， 对电抗器的电感应合理分析计算， 避免形成 L C振荡。 1 ． 2 电动机温度过高及运行范围 对于现有电机进行变频调速改造时， 由于 自冷电 机在低速运行时冷却能力下降造成电机过热。此外 ， 因为变频器输出波形中所含有的高次谐波势必增加电 机的铁损和铜损， 因此在确认电机的负载状态和运行 范围之后， 采取以下的相应措施 对电机进行强冷通风 或提高电机规格等级 ； 更换变频专用电机； 限定运行范 围 ， 避开低速 区。 1 ． 3 高频开关形成尖峰电压对电机绝缘不利 在变频器的输出电压中， 含有高频尖峰浪涌电压。 这些高次谐波冲击电压将会降低电动机绕组的绝缘强 度 ， 尤其以P WM控制型变频器更为明显。 目前在煤矿实际使用中， 当电机在低速运转时， 由 于输出波形的高次谐波含量过高， 导致电机经常被烧 毁， 尤其是在电机低速运行时， 自身的散热能力下降， 烧毁电机的情况尤为严重。 2 矿用隔爆变频器抗干扰对策 2 ． 1 加设 E MC装置 加设 E MC装置即采用隔离、 滤波、 屏蔽、 接地等一 系列措施 统称 E MC 。 视、 预防性试验、 故障处理等。 3结论 矿井电缆故障的预防是一项庞大的系统工程， 关 系到矿井的正常安全生产与经济效益的提升 ， 应从规 划、 设计、 电缆技术性能、 施工、 防护、 维护、 测试、 管理 等各方面开展工作 ， 确保电缆的安全 ， 以保证矿井供电 的安全、 可靠。 2 0 1 1 年 第5 期 东撼晨 斜技 5 7 2 ． 1 ． 1 隔离 是在电源和变频器之间采用隔离变压器以免传导 干扰 。 2 ． 1 ． 2滤波 设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号从变频器 通过电源线传导干扰到电源及电动机。为减少对电源 的干扰， 可在变频器输入侧设置共模滤波器， 输出侧加 正弦波滤波器， 以减少电磁噪声对电源的干扰， 降低电 机损耗发热。特别是输出侧加正弦波滤波器， 还能改 善输出波形， 保护电机绝缘。 2 ． 1 ． 3屏蔽 通常变频器主体用铁壳屏蔽 ， 不让其 电磁干扰泄 漏。输入、 输出主回路电缆用导电胶带双向缠绕 ， 表面 导电层接地， 输出线最好用钢管屏蔽。 2 ． 1 ． 4接地 实践证明， 变频器接地导线的截面积一般应不小 于 2 ． 5 m m ， 长度控制在 2 0 m以内， 变频器 的接地与其 它动力设备接地点分开， 不能共接。多台变频器 的接 地也应分别接地。 2 ． 1 ． 5采用 电抗器 在变频器的输入电流中频率较低的谐波分量 3 次、 5次、 7次、 1 1 次等 所 占的比重是很高的， 它们除 了可能干扰其他设备的正常运行外， 还因为它们消耗 了大量的无功功率， 使线路的功率因数大为下降。 2 ． 1 ． 6合 理布 线 变频器的输入和输 出电缆不能设计在同一侧 ， 进 出线要分开， 尽量不要走 回头线 ， 即便是不能完全分 开， 也要尽量交叉走线， 避免相互平行 ； 信号线应尽可 能远离变频器的输入、 输出线。 2 ． 2 选用 三电平拓扑结构设计的变频器 三电平变频器相对于传统的两电平而言， 它可以 使主开关器件的电压降低一半。由于输出多了一个电 平 ， 可以使 d u ／ d t 降低一半， 从而使输 出电压谐 波减 小 ， 电动机的温度大大降低 ， 输出波形更好 ， 在低速运 行时， 不会导致电机过热而烧毁电机。无需增添其他 的散热设备或改用变频电机。 3 三电平变频器的原理及优点 图 1 所示是三电平逆变器单相的逆变部分的结构 图， 图中 S l S 4是逆变器件， 逆变器件可 以是 G T O、 I G B T或 I G fi T管。V 1 一 V 4 是续流二极管， V 5和 V 6是 钳位二极管。为了平衡电路 ， 所有的二极管在选用时 必须有相同的功率和相同的耐压等级。而电容 E d的 作用是滤去整流电压所产生的谐波， 使直流电压相对 比较稳定。C点是中心点 ， 是基点的参考电压。 图1 三电平逆变器单相的逆变部分 通过对 s 1 ～S 4功率逆变器件的开通和关断的控 制， 即可以输出三种不同的电平， 当 s 1 、 s 2开通时输出 E d的电压， 当S 2 、 s 3开通时输出的电压为 0 ， 当 S 3 、 S 4开通时则输出一 E d的电压 ， 由原理图可知在输 出端 能够输出三种不同的电压 ， 所 以把这种变频器叫做三 电平变频器。对 S 1 一S 4的开通时间进行控制则能近 似的输出需要的正弦可调的电压来驱动电机。由于输 出多了一个电平 ， 可以使 d u ／ d t 降低一半， 从而使输出 电压谐波减小 ， 电动机的温度大大降低 ， 输出波形更好 如图2所示 ， 从而避免了在低速运行时， 电机过热被 烧毁的情况。 ， ， ， 。’ 、 、 、 ～ 、 ． ＼ 、、 图2三电平 变频器输 出波形 三电平变频器的整流电路标准配置为 1 2脉波整 流电路， 其输入变压器为三绕组， 二次采用 △和 Y接 法 ， 两组二次绕组对应线电压之间的相位差为 a t ／ 6 ， 从 而使整流后的电压波形具有 l 2个脉波， 有效地降低了 整流器产生的谐波电流； 若输出侧同时配置正弦波滤 波器 ， 则可以完全消除整流器产生的谐波。 4结束 语 良好的抗干扰措施是隔爆型变频器在煤矿井下正 常运行的重要前提条件 ， 生产厂商应该坚决的做好屏 蔽工作 ， 以及合理选用三电平变频器， 从而保证矿用隔 爆型变频器在煤矿的良好使用。 参考文献 [ 1 ] 张燕宾． 变频器应用教程． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 7 ． c 2 ] 吴忠智， 吴加林． 变频器原理及应用指南． 北京 中国电力出版 社 ， 2 0 0 7 ．