基于抗干扰的矿用变频器整流器PWM四象限改造仿真

摘要：针对矿用变频器电磁干扰问题，在结合矿用变频器整流器结构的接触上，引入LC滤波器，对矿用变频器整流器PWM四象限进行改造，进而通过滤波减少频谱采集信号模糊的问题，减少因电磁干扰造成的信号采集干扰。最后，采用Simulink软件对矿用变频器进行建模，以及对试验环境参数进行设置，得到经过滤波器采集处理和未经过LC滤波的频谱图，结果表明经过LC滤波得到的频谱图更加清晰。

关键词：矿用变频器;LC滤波;PWM四象限;Simulink仿真

中图分类号：TM461

文献标识码：A

文章编号：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

變频器作为煤矿机械设备的一个重要组成部分，其主要是由滤波器、整流器、驱动装置、微处理单元等构成。矿用变频器主要的作用是结合节点设备的电源电压，然后利用其内部的IGBT开断，进而改变电源电压输出的大小及频率，进而起到对机电设备保护的作用。但实际应用发现，矿用变频器在煤矿生产使用过程中，存在欠压、电磁干扰等问题，这不仅导致变频器故障，也严重影响煤矿机电设备的安全运行。比较典型的问题是，IgBT在工作时会产生大量的高频脉冲，进而与变频器内部的导线、器件等形成振荡电路，从而产生高频的电磁干扰，给变频器带来很大威胁。因此，本文尝试针对矿用变频器电磁抗干扰问题，结合矿用变频器原理的基础上，对矿用变频器整流器PWM四象限进行改造，加入LC滤波器，进而减少因电磁干扰带来的问题，从而提高矿用变频器的应用效率。

1矿用变频器的基本原理

目前在电力系统中普遍使用了变频器，随着国内在变频器领域研究的深入，各种高性能的功率元件应用到了变频器中，有效地提升了变频器的性能。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）属于一种高性能的元件，广泛应用到了矿用变频器中，其应用的优势主要体现在响应速率快、容量大、驱动功率小等方面，因此在应用中将会显著提升变频器的性能。矿用变频器的具体结构如图1所示。

根据图1可知，矿用变频器总体划分为整流、逆变2个环节，2者的具体执行过程不同，前者主要将交流电转化为直流电，然后输出形成逆变环节的母线电压，此环节的功能主要利用了特殊的二极管实现;后者则主要是IGBT，通过特定的数字控制器来控制运行的过程，IGBT能够将直流电逆变成多个频率的交流电，然后进一步输入到电机中应用，通过这种方法实现了变频控制的目标。由于在2个环节作用的过程中存在一定的电压波动，需要采用电容器进行处理，以保证母线电压的稳定性。对于本文研究的矿用变频器来说，主要利用了空间电压矢量（SVPWM）控制方式，这种方式能够有效地增强母线电压的利用率，由此能够达到更高的性能。

2矿用变频器电磁干扰规律分析

文章重点研究了电压型整流器，IGBT应用在矿用中低压变频器中具有一定的优势，这种控制方式实现难度小，损耗较低，适合于应用到工程领域中。从原理上来看，此方法主要利用双闭环PI调节器实现对SPWM脉冲占空比的控制，通过这种方法能够有效地调节网侧电流，确保直流侧电压的稳定性。具体的拓扑结构如图2所示。

对于SPWM整流器来说，在控制过程中通过滤波电感得到一定的电压，对应的波形呈现出正弦曲线的特征。其中含有的载波容易降低网侧电流的稳定性，如果这些谐波混入到煤矿电网中将会引发一系列不利影响，不仅会对电网的正常功率因数造成影响，同时降低了设备运行的稳定性。通过一定的方式将网侧电流或者电压变换成双变量控制函数，接着获得网侧谐波在载波以及基波周围的分布，此过程主要利用了双重傅里叶方法。在研究过程中构建了SPWM四象限整流器模型，负载为50kW，交流电压是AC380V，载波频率为10kHz，然后将其与二极管整流方式进行了对比，分析了2者对网侧电网的干扰效果，具体结果如图3、图4所示。

根据图3中曲线变化可知，相对于二极管整流方式，PWM整流方式在电压相位跟踪上效果较好，显著降低了对电网的无功影响。另外通过相同的仿真过程还可以证明PWM整流方式在功率因数控制上的效果优于晶闸管相控整流方式。

根据图3、图4可知，网侧电压以及电流谐波分量基本都处于载波带，PWM整流器可有助于压制电流谐波，例如将电感串联在网侧，或者增大开关频率，但是需要保证相关参数设置的合理性，否则会影响到电流谐波压制的效果。

3矿用变频器整流器PWM四象限滤波改进

3.1滤波器改进原则

在采用滤波装置时需要采用科学的连接方式，目前大多采用了三角形连接方式。在设计矿用变频器LC输出滤波器时需要坚持一定的原则，具体为：

1）首先确定最佳的截止频率，以此能够有效地去除电压内的高次谐波，进而得到更高质量的波形，基本都是规则的正弦波。

2）然后对电容以及电感进行设置，在此过程中需要考虑到滤波装置的使用成本以及所占空间，尽量在满足频率要求的前提下选择更小的容量。

3）设置LC滤波器插入损耗参数，此过程应该降低对电机骆动电压的不利影响，同时需要尽可能节约电能。

4）滤波器的衰减特性需要达到一定的条件，如果满足条件谐波频率>10*基频，则截止频率基本处于最低谐波的0.1-0.2倍范围内。

3.2滤波器改进设计

采用三角形连接方式的LC滤波器，则有L=L1=L2=L3，C=C1=C1=C3在基波频率时，由于三相电机一相等效电感较小，因此可以不考虑，此时可以通过简化的方式进行表示，其等效结构即为图5所示，对应的转移函数形式如下所示：

在上述公式中，us、u1对应着输入、输出两个端口的电压值，表示滤波器阻尼系数，，代表的是截止角频率。由此得到截止角频率ωLC的要求如下所示： ωc/10<ωLC<ωc/5

等效电路无功功率的形式如下所示：

其中ωn、ω1分别对应着谐波、基波角频率，Um（1）、Um（n），则分别表示基波电压向量与电容两侧电压向量;Im（1）、Im（1）分别表示电感、基波电压的电流向量。由于高次谐波基波没有出现在差模输出电压内，所以基波的无功功耗基波等于零，由此可以得到：

已知，，Um（1）≈则可以将上述公式进一步转化为：

上式中，电机的额定电流以及电压等参数都是已知的，所以此时的白变量仅有L。电感容量会直接影响到LC滤波器的尺寸，通常情况下应该保证较小的电感值，此时滤波器无功损耗会影响到输出功率。考虑到这些因素，则应该在达到截止频率的前提下，尽量降低无功功率。进一步对上式求导得到：

如果满足条件，则Q相对于L的极小值即为：

4实验验证

4.1矿用变频器建模

搭建基于Simulink的变频器仿真模型，具体如图6所示。

4.2参数设置

对模型参数进行合理地设置，具体的参数设置如下：逆变器400kW，功率因数设置为cosφ=0.88，载波频率是15kHz，此时计算出的单相等效阻抗为1.25Ω，对应的输出电流是60.1A，输出电压是380V，根据上述数据将截止频率设置为1.75kHz，在此基础上得到：

L、C分别设置为57.5uH、5.7mF，则可以得到：

由此得到传递函数的形式如下所示：

4.3仿真结果

通过上述的仿真，可以得到LC滤波器的波特图。

在图7中展示了LC滤波器的伯德图，根据图7中可以明显地看到，工频基波电压的频率等于50Hz时，在通过时的损耗基本等于零，系统保持了良好的衰减特性，并且有效地压制了载波带的高次谐波。在设计LC滤波器过程中利用了先前得到的LC参数，然后进行了滤波实验，采用傅里叶变换进行了频谱分析，最终得到的结果即为图8、图9中所示，根据结果可知本文设计的LC滤波器在滤波上得到了较好的应用效果。

5结语

通过以上研究看出，矿用变频器的整流器中加入LC滤波器，可有效降低电磁干扰，使得采集到的信号频谱图能清晰展示。由此说明，经过LC滤波后，可有效降低矿用变频器在使用过程中的电磁干扰问题，提高其信号采集效率。

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收稿日期：2020-01-13

作者简介：徐志红（1971-），女，汉族，新疆奇台人，工程硕士，高级讲师，研究方向：煤矿电气。