一种矿用防爆变频器

孙凯 赵光明 张明雨 朱龙 陈超

关键词：三电平;煤矿防爆;组合式;两逆变;防爆变频器;控制策略 ;THD

一、前言

我国经济发展越来越快，有了经济的支持，各类科技发展水平也相应提高，二者进一步相互促进的同时，使得我国许多其他产业也因此受益，煤炭行业就是其中最大受益者之一，如今许多煤炭行业的生产，已经进入了自动化生产阶段，而且自动化生产水平日益提高。为了确保自动化生产过程当中煤矿安全问题，矿用防爆变频器由此产生，这一装置可以很好地很好地在煤礦生产过程当中，相对智能的调节机械生产过程当中的速度快慢，而且也有着一定的节能作用，可以减少煤矿生产过程中所需能源的消耗。从而降低煤矿生产的成本，所以在煤矿井下应用防爆变频器是十分广泛的情况。

如今许多煤矿当中应用最常见的就是两电平矿用变频器，这种变频器有着比较好的节能效果，而且调速性能相对来说也属于中上水平。但是其缺点也十分明显，首先就是造价高成本高，这使得这种机器的性价比相对较低，同时占用空间面积较大，而一般煤矿井下空间是有限的，这会给煤矿开采过程当中带来一定的空间限制问题;其次就是两电平的开关器件需要承受的电压较高，这有一定的危险性，而且它的电压谐波大，这就会使得他在运作过程当中有着比较高电磁噪音。

为了改善以上问题本文研究提出了一种新的三电平组合式防爆变频器，具体内容如下。

二、变频器组合技术

传统的矿用变频器采用的工作模式都是一整流、一逆变的模式，而本次研究所设计的三电平矿用防爆变频器采用相对先进的一整流、两逆变工作模式，这样的设计优点在于可以使两个逆变单元应用到一个防爆柜壳体之中，这样一来，就可以有效减少变频器在工作当中所应用的占地空间了，同时，应用到一个壳体当中，就可以在整流部分只使用一个电源模块，电源模块所需配备的直流母线，也只需要用一个组合，从此流出的平滑电流通过两个逆变桥连接到负载上，这两个逆变桥式，三电平式的，相互之间的通讯方式采用光纤通讯，既能保证通讯不失真，又能保证通讯速度，而且在煤矿井下工作，也可以保持较强的抗干扰能力，综合来看，本次三电平组合式设计可以有效降低设备所占用的空间，也可以使控制回路的所需成本大大减少，具体的设计框架图见图1。

三、系统总体设计

三电平组合式变频器顾名思义，也就是在平滑直流通过逆变电路的后的输出一侧可以输出三种不同状态的电压。为了实现这种操作，在这一电路设计过程当中，整流侧应用的是12个二极管组成两个整流桥，而这两个整流桥在整流过程当中不可控，也就是说整流得到的平滑直流是固定的，这两个整流桥可以起到很好的消谐作用。同时逆变电路当中有三相晶闸管，只需要控制这一线路当中的开关次序和时间，就可以使得电流经过后在输出一侧得到三种不同状态的电压——第一种状态的电压是+VDC/2d电压，第二种状态的电压是0电压，第三种状态的电压是-VDC/2电压，其中的VDC表示的是整流电路流出的总电压之和。三电平组合是变频器的主电路设计相对复杂一些，具体的电路拓布图见图2。

四、逆变器控制算法

传统的逆变器调制技术在算法上都有过于复杂的缺点，这一缺点在三电平逆变器当中尤为明显，本文采用的就是三电平组合式，因此在设计当中会有意简化算法，减少算法过于复杂，而占用太多控制芯片的缺点，从而降低变频器的制造成本。本文提出的控制策略具体如下。

首先，分析三电平的基础电压构成，将其划分为27个基础的电压矢量，将这些矢量用线段表示，绘制出来后发现是一个巨大的六边形，可以将这一六边形进一步划分，将大六边形的边长一半儿作为小六边形的边长。由此可以划分出六个相互重叠的小六边形，而小六边形的形状也正是两电平的空间电压矢量图。

其次，根据划分好的六个小六边形进行研究，研究后发现，小六边形有重叠部分，而重叠部分是对称图形，因此由直线L1、L2和L3三条直线进行进一步划分，划分所得的六个区域被称为无交集区域，由这三个区域进行划分计算可得出L1、L2和L3三条直线分别表示三种不同数值的电压——第一种电压是Vβ=Vα×√3/3，第二种电压是Vα=0，第三种电压是Vr=-Vα×√3/3，这些式子当中的α、β表示的都是轴线，其中β轴由L2表示，与β轴垂直的就是α轴了。

之后，由于图像当中有一部分与两电平电压的矢量图相同，所以可以根据换算得出用两电压表示三电平空间矢量的方式，因此，三电平的电压调制法可以采用传统的两电平电压调制法，这样就简化了计算中的步骤。

最后，两电平电压调制法计算得出的数值需要经过换算，让这一结果呈现在三电瓶电压矢量当中，使开关状态和其对应起来，在平滑直流电压，经过三电平逆变器之后就可以得到DVPWM波了。

五、仿真分析

（一）仿真模型总体设计

以上对于三电平逆变器的算法设计究竟能不能实施出来，还是需要由仿真模型进行实验，从而得出结论的。所以为了力求保证与现实情况最大幅度相吻合，采用MATLAB/Simulink工具箱，设计出一种可以还原三电平双逆变器的模型，选定电压作为模型参考的重要依据。

分析三电平逆变器的控制算法之后，尽量简化SVPWM调制算法，这样一方面可以降低模型构建的难度，另一方面也可以减少仿真实验过程出现模型结果偏差的概率与幅度。在Simulink平台上设计如图4所展示的模型电路，这个电路可以最大程度地还原三电平矿用组合式防爆变频器在日常实际工作中的工作情况，由此就可以根据模型电路模拟工作，从而判断设计的控制算法在煤矿井中的工作是否可行。

（二）仿真模型结果分析

在煤矿井当中工作的防爆变频器实际工作过程中，直流侧输入的电压是1500V，所以在算法模型当中，直流侧输入电压与现实情况相同，其他需要设置的电阻、电容等内容也分别采用实际工作过程当中的数值，将算法模型仿真的检测时间设置为0.15s，这一时间可以尽量多的观测到模型工作时的算法状态，而且不会造成数据过于复杂的负担。得出的结果如图5、图6、图7、图8所示。

由前两张图的结果可以看出，三平逆变器在负载阻值等条件不变的情况下，两个逆变桥经过算法运算所得出的电流和电压基本是相似的，而且这种输出电压是相对平滑的，波形也能看出是比较平缓的，和正弦波的波形相似，呈多阶梯状，没有电流波形的毛刺，这是一种非常良好的控制负载的理想电流和电压，相互之间也没有电磁干扰。

而根据图七所展示的结果，可以明显看出两个逆变电流，高次谐波是非常低的，其值大小几乎趋于零。但是低次谐波就没有高次谐波所展示的那么完美了，受到了一定的影响，存在着一定的谐波失真情况，失真率大概为0.94%左右，失真率并不高，可以满足日常在矿井当中电器设备的使用标准，可以满足生产需求。

根据图八所展示的结果，由图像观察，可以明显看出点电压存在一定偏移的情况，不过大小为5V左右，相对于直流输入侧电压1500V来说并不高，换算成比例数值来说仅有0.33%，完全满足相关设备在使用过程当中的规范标准，所以也是在可以接受的范围之内的，不会给设备造成因电压带来的损伤。

六、仿真分析

算法模型所展示出的仿真实验结果可以看出本次设计的三电平矿用防爆变频器还是有很高可行性的。为了进一步测试其性能，制造出一台采用此设计的防爆变频器，在实验过程当中发现其参数结果和仿真实验的结果基本相似，这也就是说，本次实验所设计的三电平矿用组合式防爆变频器已经具有可以投入到生产当中的标准了。

无论是算法仿真还是实际实验都可以看出，三电平变频器输出的电压与正弦波电压十分相似，而输出的电流谐波则相对较小，在实际生产当中具有很高的优势。不仅如此，在选用器件方面本次设计的三电平矿用防爆变频器要求更低，以往两电平逆变部分开关器件需要承受整个电路的全部电压，所以要求开关器件的质量相对较高，而三电平电压不是全部集中在开关器件上，所以器件承受能力要求没那么高，而且三电平逆变电路中的器件也会因此使用寿命增长，这就进一步降低了三电平变频器的制造成本。而且两个逆变单元用一个电路也会减少变频器的占地面积，提高煤矿井中的空间面积。

由此可以看出，三电平组合式防爆变频器在实际使用中是有很大优势的，值得推广生产。

参考文献：

[1] 四川煤矿安全监察局安全技术中心，四川铸创安全科技有限公司.一種矿用防爆变频器箱：[P].

[2] 李莉.矿用防爆型变频软启动器的设计[J].科技信息，2012：166-167.

[3] 青岛威控电气有限公司.一种煤矿用防爆变频器专用散热装置：[P].

[4] 王辉，刘鹏.矿用组合防爆变频器的研究与应用[J].山东煤炭科技，2014：142-143.

[5] 王海军，沈传文，邱东.2250kVA/6kV矿用防爆变频器系统的设计与开发[J].变频器世界，2017：92-96.