智驱未来——智能三电平防爆变频器

河南师范大学

李 哲，姚 兴，马梓恒

1 作品介绍

本项目采用先进的计算机控制技术和现代电力电子技术，研究开发科技含量高、具有自主知识产权的全数字三电平矿用驱动设备控制系统，用于矿井驱动系统的改造和建设。系统采用可编程控制器（PLC）自动完成提升系统全过程控制、安全保护和人机对话等控制功能，实现了驱动系统的位置控制，达到驱动设备全自动运行的目的；利用上位机实现系统监视、诊断功能，并通过局域网连接实现资源共享，从而提高矿井生产的现代化管理水平。驱动系统如图1所示。

图1 防爆变频驱动系统

2 技术原理

本产品控制器采用“DSP+FPGA+CPLD”作为主控芯片，能够实现电机的四象限驱动、重载零速悬停、故障保护及容错控制等核心功能；采用“IGBT动态损耗控制算法+模型预测控制算法”在线计算功率器件损耗，实时控制系统内温度，实现系统自身智能化能量控制；采用“超对称镜像互消”的超低杂散电感设计方法，将电感降低至100 nH以内；该系统驱动电机时能够起到节能减排的作用，实验室测得本产品相较传统驱动方式至少节能21.26%。二极管箝位型三电平功率变换器（逆变器侧）拓扑结构如图2所示。系统控制效果如图3所示。

图2 二极管箝位型三电平功率变换器（逆变器侧）拓扑结构

图3 控制效果

3 作品创新点

与市场上现有的产品相比，本产品的优势主要体现在以下三个方面：

（1）全知识产权。针对本产品已经申请了包括外观、结构、控制算法、工艺流程等方面的专利，并申请了多项软件著作权以保护核心技术代码。

（2）应用了超低损耗控制算法、超低杂散电感叠层母线、超高安全性防爆设计，使设备结构紧凑、杂散电感低、散热良好，系统整体节能约20%。

（3）可智慧组网互联，构建智慧矿山。

4 应用前景

国家在《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》中指出：“到2050年，全面建成安全绿色、高效智能矿山技术体系，实现煤炭安全绿色、高效智能生产。”双三电平变频调速系统实现了高性能、四象限运行、单位功率因数、低谐波、高可靠性的控制，改变国内一些传统提升系统的调速方式，进而改变了矿用电力传动系统谐波重、无功消耗大的形象。本产品现在已经在黑龙江省、内蒙古自治区获得应用，为实现煤矿智能化建设奠定了应用基础。