矿井提升机驱动系统双PWM变频器的应用研究

孙晓磊，张全柱，邓永红

(华北科技学院电子信息工程学院信息与控制技术研究所，北京东燕郊065200)

0 引言

随着煤矿生产设备不断向大型化、大功率化、新型化方向的发展，煤矿对电能质量的要求越来越高。在我国，矿井提升机过去主要采用启动和调速特性较好的直流电机驱动，但由于直流电机存在换向困难、结构复杂，易损坏，造价昂贵等缺点，正逐步被价格较低，维修方便的交流电机所取代。

采用交流变频技术可以使交流电机具有像直流电机一样具有良好的运行性能，目前这种技术在煤矿生产中已经得到很广泛的应用，这大大提高了煤矿的自动化水平和生产效率，改善了工作环境［1］。矿井提升机作为井下与地面连接的咽喉，使用频繁，成本和耗电量都比较高，其电机驱动系统的运行性能直接决定着提升机的运行性能，因此对提升机电机驱动系统的改造显得尤为重要。本文通过介绍了四象限PWM整流器在煤矿矿井提升机比较常用的“交－直－交”变频驱动系统中的应用，分析了其结构和功能特点，提出了在整流器直流侧母线并联超级电容器组进行平衡直流电压和储能的新设计思路。

1 传统变频调速系统的结构特点及其缺点

直流电机由于其低转速大转矩的特点，目前在少数煤矿企业矿井提升机拖动系统中仍广泛使用。但是由于传统直流电机与交流电机相比具有能耗大，效率低，成本高等明显的缺点，随着交流变频调速的不断发展，逐渐被交流调速所取代。目前交流电机存在的调速方式主要有较简单的转子串电阻分级调速和较复杂的变频调速两种，串联分级调速如图1所示，它与变频调速相比具有明显的缺点［2］:第一，提升机位置定位精度差，需要在不同的运行阶段不断的调节电阻阻值来改变转子电压。第二，安全可靠性不高，接触器在频繁切换时容易损坏，而致无法切换。第三，采用电阻分压调速时，电阻会浪费大量的电能，电能利用率低。第四，运行转矩波动性大，稳定性差，不符合《煤矿安全规程》等对矿机提升机安全性要求。随着变频调速技术的不断发展，相关规程规定，在提升绞车系统中，一般采用变频调速技术。目前煤矿使用变频器主要有两种:基于不控二极管整流的变频器(如图2)，基于相控整流的中高压变频器和基于PWM整流的双PWM变频器，其中相控整流采用的功率开关器件GTO与IGBT相比有明显的缺点，随着电力电子技术的不断发展，IGBT的耐压也在不断提高，在中高压变频器中完全可以取代GTO等器件，本文主要通过将不控整流变频器和双PWM变频器进行性能对比，介绍双PWM变频器在煤矿提升机驱动系统上应用的优势。不可控二极管整流网侧电流和电压波形如图3所示，其波形傅里叶级数分解为［3］:

图1 电机转子串电阻分级调速

图2 二极管整流变频系统结构图

由公式(1)可得不控二极管的相关功率因数、THD，各次谐波含量为:

表1 各次谐波分析值

由表1可见，不控二极管整流在工作时功率因数较低，THD值较高，主要含有5、7、11次谐波，在投入使用时对电网的谐波干扰较大，因此需要附加体积较大的LC滤波和功率补偿装置。另外不控整流，直流侧电压不可控，交流侧需要高频变压器，增加了变频器的重量和成本，而且如果要实现电机制动能量向电网回馈的功能，还要另外装设制动能量回馈装置，这也大大增加了设备的体积和维护成本。

图3 不可控二极管网侧电流电压波形

2 双PWM变频驱动系统的特点

基于PWM整流器的双PWM变频系统，在结构和功能上相比前者而言有很多改善，可以采用空间矢量控制，直接转矩控制，直接功率控制等多种控制方法，网侧电流可实现正弦化，功率因数能达到1，更能在不附加其他设备的情况下实现能量双向流动(如图4)，大大提高了设备的电能利用率。通过改善控制算法和对网侧电感进行合理性设计其网侧谐波含量明显减少，主要含有载波带高次谐波及其边带谐波，可以明显减小滤波设备的体积［4］。

对PWM整流器网侧a相电压Ua0进行双傅里叶分析［5］:

由公式(2)可知，各次谐波分量为mωc+nω0，k=0，1，2…，m.当 m 为奇数时，n= ±2k，当 m 为偶数时，n=±(2k+1).谐波中不含低次谐波，主要分布在信号载波ωc及其整数倍附近。基于DSP控制芯片TMS320X28035，制作了一台双PWM变频器试验样机，如图5所示，从样机输出波形可以看到，其输出谐波含量也很低，能够满足矿井提升机电机对高次谐波的要求，交流输出电压谐波如图6所示。

图4 采用直接功率控制的PWM整流器结构图

图5 双PWM变频器试验样机

通过控制网侧电压矢量 V和电流矢量I，PWM整流器即可分别工作于纯电感状态、正电阻状态、纯电容状态和负电阻状态，因此PWM整流器可以通过检测负载状态工作在整流和有源逆变状态实现能量的双向流动，通过进一步的网侧电流控制，使网侧电流与电压同相位，可工作于单位功率因数状态［6］，网侧电压电流矢量图如图7所示。

3 超级电容在矿井提升机双PWM变频器中的应用

如图8所示，在PWM整流器工作于整流状态时，PWM整流器网侧电感L和直流侧电容C起到储能作用，其中电容C可以稳定直流母线电压，滤除高次谐波。传统的直流侧稳压电容一般采用大容量电解电容，为了得到稳定的电压和较为理想的滤波效果，电容的体积一般都比较大，价格比较昂贵。采用超级电容进行直流侧的稳压和滤波，通过比较可以明显减小电容的体积，并且纹波较小，稳压滤波效果明显。超级电容额定电压比较低，一般只有2.7V，可以通过多组超级电容进行串联增加其额定电压［7］。

图6 双PWM变频器交流输出电压谐波分析E—交流电网电动势V—交流侧电压VL—交流侧电感电压I—交流侧电流

图7 PWM整流器四象限运行矢量关系图

图8 超级电容在双PWM变频驱动系统中应用结构图

在PWM整流工作于有源逆变状态时，后级逆变器相当于一个三相不控整流桥，将负载的制动能量整流成直流回馈给直流侧，再通过PWM整流器将其逆变为符合电网谐波和无功要求的三相电压回馈给电网，以节约电能。但是矿井提升机启动和制动较为频繁，PWM整流器需要不停的工作于整流和有源逆变状态，开关损耗较大，而且对电网的扰动较大，影响电网中其他设备的正常工作。那么直流侧采用超级电容进行储能，当负载制动时，回馈的电能就能先储存于超级电容中，在下次启动时可以直接利用超级电容中储存的电能，只有当超级电容处于满荷时才将负载回馈的电能经过PWM整流器的有源逆变回馈到电网侧，这将大大缓解PWM整流的工作负担。

搭建变频器力矩实验平台，对新型双PWM变频器进行带载实验测试，通过控制输出频率从0Hz—50Hz之间变化实现软启动，减小了变频器启动时网侧电流对电网的冲击。电流传感器测得交流侧平均电流下降8A左右，耗能比不控整流变频器下降40%左右，网侧电压波形能很好的实现正弦化，功率因数可达到1。直流侧采用超级电容进行滤波储能后，电压纹波THD小于2%，主要高次谐波被有效滤除。通过对新型双PWM变频器的测试实验，网侧电流对电网的谐波干扰明显降低，电机的启动，运行，停转等控制性能也得到了极大改善。

4 结语

通过分析传统矿用提升机电机变频驱动系统的特点，并针对其不足，对PWM整流器的谐波特性等特点做了介绍。基于PWM整流器的双PWM变频驱动系统在矿用提升机上应用可以很好地改善目前煤矿电能浪费严重的状况，减轻矿井提升机对煤矿电网的干扰，将超级电容储能滤波装置和PWM整流器配套使用，可以很好的弥补PWM整流存在的不足，更好地节约电能和减轻对煤矿电网的干扰，适宜在煤矿生产中其他设备上进行推广应用，超级电容储能系统由于存在比传统电解电容更大的ESR，因此在结构改进和控制算法的创新和优化上还需要进一步深入的研究。

［1］ 庞宝良，邱锦川，韩菊媂.交流变频器在煤矿井下的现状及其前景［J］.煤炭科学技术，2003，31(10):54－56.

［2］ 关明，陆倩.变频技术在矿井提升系统节能中的应用［J］.煤矿机械，2012，33(06):210－211.

［3］ 裴云庆，姜桂宾，王兆安.LC滤波的三相桥式整流电路网侧谐波分析［J］.电力电子技术，2003，37(3):34－36.

［4］ 葛兴来，冯晓云，刘柏思.PWM整流器谐波特性分析［J］.电力电子技术，2009，43(4):67－69.

［5］ D.Grahame Holmes，Thomas A.Lipo.Pulse Width Modulation for Power Converters:Principles and Practice［M］.Wiley－IEEE Press，2003.

［6］ 张兴，张崇巍.PWM整流器及其控制［M］.北京:机械工业出版社，2012.

［7］ 王亚君，宁武.超级电容在整流滤波中的作用［J］.辽宁工学院学报，2006，26(2):71 －73.