煤矿副井提升机整流器网侧谐波分析与治理

王瀚哲

(中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏省徐州市,221008)

煤矿副井提升机整流器网侧谐波分析与治理

王瀚哲

(中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏省徐州市,221008)

传统副井提升机电控部分中的整流装置在运行过程中会产生大量谐波,影响厂矿用电设备的正常运行,严重的谐波污染将给矿区电网稳定运行构成威胁。分析了整流器网侧谐波的存在情况,同时结合滤波原理提出了有效的解决方案。经仿真证实,该方案在减少网侧谐波方面具有可行性。

副井提升机 整流器 谐波 滤波

1 引言

淮南矿业集团潘一东矿引进西班牙C30型全数字直流调速系统应用于副井提升机,该系统控制精度良好,调速范围宽广,同时低速下转矩较为平稳。但现场监测发现,系统向电网注入了大量低次谐波。谐波的存在造成电网功率因数下降和功率损耗增大,使设备过热、电容损坏并加速绝缘老化,还会影响接地和保护装置的正常工作和通讯质量。此外,还会造成输电损耗增大,影响周边用电设备,甚至导致矿井提升机无法正常运行,造成安全隐患。因此,对副井提升机整流器存在的网侧谐波进行分析,并提出治理方法。

2 全数字直流调速系统介绍

2.1 调速系统的工况

副井提升机的工况包括正向电动状态、正向制动状态、反向电动状态和反向制动状态4种。电控系统需要根据实际工况对电机的运行状态进行实时控制,同时确保转速的控制精度和转矩的平稳。鉴于V－M调速系统的缺点,现行直流调速系统通常采用全数字调速系统拓扑结构,网侧采用三相桥式不控整流结构,电机侧采用单相全桥结构,即H桥式电路结构。网侧与机侧通过大电容相连,通过准确控制电路中4个开关管的占空比,将直流母线电压斩控成高频脉冲电压(PWM)实现对电机直流电压和电流的精确控制,大大提高了系统的调速精度和转矩平稳性。全数字调速系统拓扑结构如图1所示。

图1 全数字调速系统拓扑结构

2.2 C30型全数字化直流调速系统介绍

C30型全数字化调速系统是模块化多处理器系统,其拥有数字化集成度高、信号实时处理能力强、且抗干扰能力强的特点。它由主框架AC0531、主处理器AC0320、电流调节板AC0330和AC0370高速计数模块组成。AC0531主框架可以插入6块控制板,其中控制板间可通过寻址方式进行通信;AC0320主处理器含有主处理模块和从处理模块,主处理模块负责总线上模块间的数据传输和执行程序,从处理模块主要负责触发信号的产生;电流调节板AC0330实时控制电流瞬时值; AC0370高速计数板记录两路可逆脉冲数,进行速度的测试观察。

3 谐波分析及治理方法

3.1 网侧谐波分析

调速系统整流部分采用二极管整流加大电容稳压,由于负载的非线性特性,网侧电流畸变严重且包含大量谐波。为了防止这些谐波注入电网,整流器前端需要加装滤波装置。对网侧电流进行傅里叶变换,并简化为:

式中:t——时间,s;

ian——各次谐波电流幅值,A;

n——谐波电流次数;

ω——基波电流频率,rad/s。

一般来说,二极管整流桥的网侧各次谐波含量典型分布如表1所示。

表1 典型谐波分析列表

3.2 谐波治理手段

治理谐波的手段有主动型和被动型,主动型为改造电力电子装置本身,如将不控整流改为PWM整流从而减少低次谐波;被动式的主要手段为增加滤波装置。传统的滤波手段是在整流器前端接入滤波电感,但由于提升机动作频繁,接入电感会增加电磁惯性,从而降低系统的动态响应并影响提升机的实时控制性能。现在主要使用LC滤波器来进行滤波,如调谐滤波器和高通滤波器。调谐滤波器能滤掉固定次谐波,但体积大;高通滤波器中常用的是二阶滤波器,尽管有一定基波损耗,但滤波性能较好。除此之外还可使用有源滤波器(APF),能达到动态抑制谐波和无功补偿的目的。

3.2.1 滤波原理

根据以上分析并结合现场实际情况,拟采用二阶高通滤波器对网侧电流谐波进行滤除,其电路结构如图2所示。

图2 二阶高通滤波器结构

二阶高通滤波器阻抗表达形式如下:

式中:Z(ni)——ni次谐波阻抗,Ω;

j——虚数,

ni——第ni次谐波,i为自然数;

ωs——基波角频率,rad/s;

C——高通滤波器电容,F;

R——高通滤波器电阻值,Ω;

L——高通滤波器电感,H。

二阶高通滤波器的阻抗频率特性如图3所示。

从图3中可以看出,该曲线在某一频带范围内呈现出较小的阻抗特性,形成对该频率带谐波电流的低阻抗通路,使得这些谐波电流大部分流入高通滤波器。

图3 二阶高通滤波器阻抗频率特性

3.2.2 滤波器的设计

设计高通滤波器时,首先要确定需要抑制的谐波次数,再根据所需滤除的谐波确定滤波器的参数。若需要滤除的谐波电流次数为k～n次,按照谐波电容器的最小安装容量要求,可以确定电容量为:

式中:C——高通滤波器中电容值,F;

I∗f——应滤除的谐波电流,A;

ni——应滤除的谐波电流次数。

C值确定后,可确定滤波器的R和L值为:

式中:R——高通滤波器中电阻值,Ω;

nk——需要滤除的谐波电流最小次数;

ωs——基波角频率,rad/s;

C——高通滤波器中电容值,F。

式中:L——高通滤波器中电感值,H;

m——一个与滤波器损耗有关的常数,一般取0.5;

R——高通滤波器中电阻值,Ω;

ωk——需要滤除的谐波电流最小频率, rad/s;

C——高通滤波器中电容值,F。

4 仿真

根据以上对二阶高通滤波器的原理与设计分析,拟采用二阶高通滤波器对提升机调速系统的网侧谐波进行治理。提升机调速系统滤波方案图如图4所示。

图4 提升机调速系统滤波方案图

在MATLAB/Simulink仿真环境下建立上述仿真模型,使用直流电动机模型模拟副井提升机,对二阶高通滤波器的网侧谐波治理功能进行仿真研究。其中,仿真参数如下:电网电压为220 V,频率50 Hz,其等效阻抗为0.1Ω;直流电动机额定功率为50 k W,额定转速为1750 r/min;轻载工况下负载为10 Nm,重载工况下负载为250 Nm。

仿真时,模拟一个完整的提升机工作周期:从静止状态下启动,爬升至额定转速后快速提升,到达目标位置附近时开始减速,使得提升机最终在目标位置处停止。

4.1 未加滤波器仿真

副井提升机轻载时一个工作周期的转速和转矩波形如图5和图6所示。

图5 提升机轻载时转速波形

图6 提升机轻载时转矩波形

从图5和图6中可以看出,轻载时,转速精度较高,同时转矩抖动较小,转矩平稳,安全可靠。

副井提升机重载时转速和转矩的波形如图7和图8所示。

图7 提升机重载时转速波形

图8 提升机重载时转矩波形

从图7和图8中可以看出,副井提升机重载时转速控制性能良好,转矩抖动较小。

未加滤波器的提升机系统在轻载及重载时的网侧电流波形如图9和图10所示。

图9 提升机轻载时网侧电流波形(未加滤波器)

图10 提升机重载时网侧电流波形(未加滤波器)

从图9和图10中可以看出,未加滤波器时,网侧电流是典型的二极管整流和大电容滤波的电流波形,畸变很大,其轻载及重载时的网侧电流各次谐波分布如图11和图12所示。

图11 提升机轻载时网侧电流各次谐波分布(未加滤波器)

图12 提升机重载时网侧电流各次谐波分布(未加滤波器)

4.2 加入滤波器后仿真

根据以上的分析,确定所要滤除的谐波主要为5次、7次、11次和13次后,根据式(4)～(6)确定高通滤波器的各个参数。经过计算得出高通滤波器的各个参数为:C＝1200μF,L＝0.16 m H,R＝0.53Ω,加入滤波器后的提升机系统在轻载及重载时的网侧电流波形如图13和图14所示。

图13 提升机轻载时网侧电流波形(加入滤波器)

图14 提升机重载时网侧电流波形(加入滤波器)

从图13和图14中可以看出,无论是轻载还是重载,网侧电流波形均有明显的改善,其轻载及重载时的网侧电流各次谐波分布情况如图15和图16所示。

图15 提升机轻载时网侧电流各次谐波分布(加入滤波器)

图16 提升机重载时网侧电流各次谐波分布(加入滤波器)

5 仿真结果分析

提升机轻载和重载时网侧电流谐波分析见表2和表3。

表2 提升机轻载时网侧电流谐波分析%

表3 提升机重载时网侧电流谐波分析%

通过对比增加滤波器前后的网侧电流谐波含量可以发现,在两种工况下,增加滤波器后的网侧电流低次谐波含量显著减小,电网电流品质得到明显改善。仿真结果表明,通过在电网侧增加高通滤波器,可以减少注入电网的电流谐波,对于矿井提升机系统中大量采用的二极管不控整流桥拓扑产生的谐波污染有较强的治理能力。

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(责任编辑 路 强)

Lineside harmonic analysis and eliminationin the rectifier of the colliery auxiliary shaft hoist

Wang Hanzhe
(School of Information and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

The rectifying device of traditional auxiliary shaft hoist would generate large number of harmonics in the electric control part,which not only affected the normal running of electric equipment in factories and mines,but also threatened the stable operation of power grid in mining area.The existence condition of line side harmonics in the rectifier was analyzed,and the effective solution was put forward combining with the filtering theories.The simulation confirmed that the program was feasible in reducing line side harmonics.

auxiliary shaft hoist,rectifier,harmonic,filtering

TD633

A

王瀚哲(1995－),男,安徽淮南人,中国矿业大学信息与电气工程学院学生,主要从事电气工程和计算机控制学习和研究。