矿井提升机用高压变频器的多重化技术的研究

王鹏，耿洋

(中机十院国际工程有限公司，河南 洛阳 471000)

矿井提升机用高压变频器的多重化技术的研究

王鹏，耿洋

(中机十院国际工程有限公司，河南 洛阳 471000)

高压变频器在矿井提升机等高压电动机上广泛应用。由于其功率大、电压等级高，应用场合重要，所以对其输入、输出的谐波含量、功率因数等要求很高。在高压变频器的输入端采用移相变压器实现多重化技术。通过对其输入、输出谐波的理论分析、仿真分析以及实际的应用分析，共同表明多重化技术的应用可使高压变频器达到谐波含量小，功率因数高的目的。

高压变频器；多重化技术；移相变压器；矿井提升机；谐波

1 引言

矿井提升机担负着矿山从井下到井上的所有运输任务，设备和材料的下放以及升降人员等重任，在整个工业生产中占有重要的地位。在矿井提升领域,矿井提升机、传送机械、通风机、挖掘机等高压电动机广泛应用。它们大多数工作在低效率、高能耗的工作状态[1]。通过高压变频器对它们进行变频调速，可以得到显著的节能效果。由于高压变频器产生的谐波含量过高会对国家电网污染严重，因此高压变频器的谐波问题是制约其发展的关键因素。本文研究的高压变频器是采用多重化技术，利用移相变压器的延边移相原理从而实现电压、电流输入多重化达到使高压变频器减小输入、输出谐波的目的。

2 移相变压器多重化技术在高压变频器中的作用

本文以6kV高压变频器为例，来着重研究移相变压器的多重化技术在高压变频器中的作用。高压变频器结构图如图1所示。采用功率单元串联结构的高压变频器，它是由高压输入后，经过移相变压器的降压移相，再经低压功率单元串联输出高压。在这个电路中，移相变压器起到了两个重要功能:一是降压功能。移相变压器使6kV的高压输入降为低压，保证后串联的各个低压功率单元能正常的工作;二是移相功能[2]。电压经过移相变压器移相后输入到低压功率单元，使经过低压功率单元输出的电压依次错开一个电角度。这样可使功率单元串联输出后得到的阶梯波电压非常接近正弦波。移相变压器的移相功能就是实现高压变频器多重化技术的关键。下面分析一下移相变压器的移相原理。

图1 高压变频器结构图

3 移相变压器的移相原理分析

根据绕组的不同连接方式，移相变压器可以分为顺延和逆延两种变压器[3]。即变压器二次侧绕组线电压的相位领先或滞后其一次侧绕组线电压一个角度。

3.1 顺延移相变压器

图2、图3分别为顺延移相变压器的绕组连接图和相量图。其一次侧绕组为星形联结，每组匝数为N1；二次侧每组绕组由两部分线圈组成，匝数分别为N2和N3。根据相量图分析，顺延移相变压器的移相角α有如下关系：

(1)

(2)

式中，0°≤α≤30°；VQ为N3线圈的电压有效值；Vby为b、y两点间的电压有效值。

图2 顺延移相变压器绕组连接图

图3 顺延移相变压器相量图

对于一个三相对称系统来说，电压Vby与Vax的值相同，式(2)可改写为

(3)

由上式可得到二次侧的绕组系数k,

(4)

同理，由相量图可推导得到

(5)

(6)

变压器的匝数比为

(7)

将式(6)代入式(7)可

(8)

可以验证一下两种极端的情况。假设N2=0，则图2中的二次侧绕组变成星形联结，这样电压与的相位一致，即α等于0°；如果N3=0，则二次侧绕组变成三角形联结，这时α等于30°。因此顺延移相变压器的移相角α在0°～30°的范围内。

3.2 逆延移相变压器

图4 逆延移相变压器绕组连接图

图5 逆延移相变压器相量图

与顺延移相变压器分析同理，可得二次侧绕组系数k和匝数比n，

式中，30°≤α≤0°。

由前面给出的移相变压器二次侧绕组系数k和匝数比n可设计出36脉波移相变压器的相关参数，见下表1：

表1 36脉波移相变压器相关参数计算

上表是将3个功率单元作为一组，组内相位相同，组间相差10度，从而形成6组移相的36脉波多重化整流方式。若继续减小组间相差度数，则能形成更多脉波多重化整流方式，可使输入谐波更小，但在实际应用中移相变压器的加工更为复杂，因此在生产实践过程中应综合考虑。

4 高压变频器多重化技术的谐波分析

本文研究的36脉波移相变压器的联结方式如表1所示。第一组和第六组分别顺延和逆延25°；第二组和第五组分别顺延和逆延15°；第三组和第四组分别顺延和逆延5°。设上述六组二次侧的a相电流ia折合到一次侧的A相电流为iA，则iA中的各次电流的正序分量可以表示为

同理其负序分量可以表示为

则iA的表达式为

分析可得如下结论：

(1)当k=0时，六组电流分量中的基波分量相位相同，故一次电流中的基波同相位相叠加，其幅值为：

(2)当k=1时，六组电流分量中的5次和7次谐波分量分别相加后均为0，即不存在5次和7次谐波。同理，当k=2、3、4、5时，与k=1时类似，不存在11、13、17、19、23、25、29、31次谐波。

(3)当k=6时，六组电流分量中的35次和37次谐波分量分别相加后不为0，其幅值为

(4)依此类推，当k=6N，N=0、1、2、3、…时，各一次电流分量中的相应的36N±1次谐波不会抵消；当k≠6N，N=0、1、2、3、…时，各一次电流分量中的6kN±1次谐波可以抵消。

当采用六重化36脉波移相变压器整流时，一次电流中将只有基波以及36N±1，N=0、1、2、3、…次谐波电流存在，其最低次谐波为35次。

5 多重化技术应用于高压变频器的仿真分析

通过建立仿真模型，构造36脉波多重化整流变压器模型，对应的功率单元串联的36脉波多重化整流输入电压如图6所示。其中，每个绕组移相10°。

图6 36脉波多重化整流输入电压

选择一组进行谐波分析，利用Powergui工具对仿真结果进行分析，如图7所示。该组经多重化整流后电压波形波动很小，谐波干扰小。THD=0.01%。

图7 36脉波多重化整流电压谐波分析

在实际的矿井提升机应用中，6kV高压变频器给一台500kW/6kV三相异步电动机供电。电机参数为：额定功率是Pe=500kW，额定电压是Ue=6000V，额定电流是Ie=54A，额定转速是n=1450rpm，功率因数是，效率是=94.3%。

当高压变频器输出电压的频率达到50Hz，输出电压波形及谐波分布图如图8所示。高压变频器输出线电压的波形接近正弦波，由谐波分析图可以看出其低次谐波的含量很小，THD等于3.38%，完全能满足目前矿井提升用高压电动机的供电要求。

图8 高压变频器输出线电压的波形和谐波分布图

6 结束语

高压变频器在矿井提升领域的应用迎合了高压电动机的发展，是目前交流调速的主要方式。本文通过对多重化技术的原理分析、多重化电路输出谐波的理论分析和仿真分析可共同看出采用多重化技术，高压变频系统的输入电压谐波大幅减小，且在实际应用中其输出电压的谐波含量也很低。由此可以确定高压变频器采用移相变压器实现多重化输入的可行性。另外本文还对多重化技术详细分析并给出了36脉波移相变压器的部分设计数据。为高压变频器的设计与使用提供了参考。

[1] 张选正，顾红兵.中高压变频器应用技术[M].北京：电子工业出版社，2007.6.

[2] 吴斌著.卫三民,苏位峰,等译.大功率变频器及交流传动[M].北京：机械工业出版社，2007.8.

[3] 张皓，续明进，杨梅.高压大功率交流变频调速技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

[4] 李永东，肖曦，高跃.大容量多电平变换器：原理·控制·应用[M].北京：科学出版社，2005.

The Research of Multiple Technology with High Voltage Inverter of the Mine Hoist

WANGPeng,GENGYang

(China Machinery TDI International Engineering Co.,Ltd.,luoyang 471000，China)

High voltage inverters are widely used in high voltage motors.For example,the mine hoist and so on.Because its power is big,the voltage class is high,and the application situation is important,so it has a high demand to input harmonic,power factor,and so on.This paper we well use the phase shifting transformer in the high voltage inverter input to realizing multiple of technology.According to the theory,simulation,and actual application analysis of the input and output of harmonic wave,we can see by using multiple of technology we well reduce the harmonic and improving the power factor of the high voltage inverter.

high voltage VVVF；multiple technology；phase-shifting transformer；mine hoist；harmonic

1004-289X(2015)05-0026-04

TN77

B

2014-07-24

王鹏(1983-)，女，河南洛阳人，中机十院国际工程有限公司，工程师。主要从事电气工程设计； 耿洋(1983-)，男，河南洛阳人，中机十院国际工程有限公司，工程师。主要从事电气工程设计。