矿用井下驱动电机变频器安全性技术的研究

王文杰

（宁武大运华盛庄旺煤业有限公司，山西 忻州 036700）

引言

变频器在煤矿开采行业中被广泛应用，由于其性能优良，同时具有较强的节电能力，顺应煤矿开采行业的发展趋势。随着传统煤矿生产中陈旧、效率低、能耗大的设备的淘汰，变频器在行业内发展迅速。变频技术的应用，客观上满足了行业节能降耗、保护环境的需要。矿用变频器发展方向多样，防爆技术及矿用防爆型变频器的应用也日趋广泛。

变频器的安全问题一直以来都是研究人员关注的问题，变频器干扰问题以及漏电常给操作人员带来不安全因素。为了适应井下环境，变频器在设计时就考虑到了抗抗爆、抗压等问题，为了有效降低变频器产生的漏电以及电磁辐射，提高设备运行时的安全可靠性。在基于前人研究基础上针对谐波抑制等问题，进行了研究探讨[1]。

1 变频器安全性现状

影响煤矿电能质量的主要干扰源是电力电子设备，其中尤以矿用变频器为代表。矿用变频器一般采用金属隔爆外壳，因此可以起到一定的电磁屏蔽作用。矿用变频器一般体积较小，在加装滤波器并增加良好的接地保护措施后辐射水平可降低到较为安全的范围内。变频器作为一种非线性的电子设备，其内部主要包括电感、电容、功率开关器件以及内部逻辑控制电路如图1 所示，为SG-2090型矿用驱动电机电气结构示意图。

图1 电机驱动变频器结构图

如图1 所示，变频器的输入与输出端均会产生不规律的分散型电压与电流信号，因此会在电气设备周围环境产生较强的高次谐波。谐波会致使电子电气设备内部产生电气损耗，影响电气设备的效能，严重时将干扰相关设备的正常运作，增加电能损耗。煤矿巷道内井下定位系统同样容易受到电磁干扰的影响，造成设备定位不准确，由此存在较为严重的安全隐患。鉴于此，变频器谐波抑制是十分重要的，也是近年来主要的研究方向[2]。

2 谐波干扰模型分类

异步电机在工作时，其定子与转子之间产生电磁感应作用，电磁感应就会产生电场，在其不断旋转的过程中，由于电机气隙的存在，将电磁效应放大，影响电机运行中的功率因子。根据异步电机的工作可知，其定子在旋转过程中，将在线圈绕组上形成感应电动势，并由此产生感应磁场，该感应磁场随时间变化，对其他电机设备有较大的干扰影响[3]。

根据前人的研究成果，研究显示提高PWM脉冲的载波频率，可有效减弱谐波强度，变频器产生的谐波或者电波与系统所形成的感应电磁场形成较为广泛的共模干扰，在共模干扰产生的同时，可能会同时形成差模干扰。如下页图2 中，列出了电路输出端的差模干扰与共模干扰路径[4]。

图2 中分布电容符号用虚线表示，根据两种干扰传播路径示意图可知，针对PWM变频器的谐波干扰的抑制，研究了其输入侧和输出侧的无源滤波器的参数设计方法。可通过变频器电磁频率，避开电气设备之间的叠加效应，从而达到有效降低或消除次生谐波的危害。一般的矿用功率输出开关边沿会产生电流浪涌，浪涌将直接导致共模干扰的加重，因此也需要对功率输出开关进行设计与控制。

图2 干扰模型示意图

3 输出谐波的抑制

3.1 差模干扰的抑制

现有主流的研究中，常采用的差模抑制方法是在变频器输出端使用LC 滤波器，滤波器可以有效抑制住电磁叠加共振的产生。但LC 滤波器作为一种无源滤波设备，功率匹配一直以为都是一个重要的研究领域。因为，LC 滤波器装入变频器输出端时，其功率的匹配常常是一个比较困难的问题，主流的办法采用试凑的方式确定LC 过滤器的大小。但同时缺乏对输出端植入LC 过滤器所引起的损耗问题，随着目前矿用驱动电机的功率的增加，相应的LC 过滤调节控制则更难调节，如果LC 过滤器的设计不适当，反而会对系统输出电容造成较大影响。

近年来，以二阶LC 无源滤波器为谐波补偿的技术得到了广泛应用，其原理利用了矿用变频器的输出电压的特性，达到对谐波的抑制效果。目前主流的二阶LC 无源低通的内部连接方式主要包括两种，分别为星连接与三角连接，如图3 所示为两种连接方式结构示意图[5-6]。

图3 二阶LC 滤波器连接结构示意图

在LC 过滤器的使用过程中，也可能出现短路等危险，因此在实际应用矿用变频器应使用具有隔爆作用的产品，在设计与选型LC 过滤器时应遵循如下规则：

1）选择与变频器相匹配的过滤器。

2）电路设计中，应充分考虑电路中的其他电器设备有可能产生的电磁感应，特别是电感、电容等参数的设计，在满足使用要求的基础上应尽量考虑电器设备之间的电磁兼容性。

3）为有效避免谐振的发生，当谐波频率大于十倍基准频率时，在选择滤波器的截止频率时应避免选择过大，应在最低谐波频率的0.1～0.2 倍之间。

3.2 共模干扰的抑制

一般共模干扰是指变频器的信号线上有的共同的干扰信息，但由于变频器输出端与被测信号的接入端存在较为明显的电位差，这两种信号频率相近、幅值相近，会产生谐波共振。这种干扰具有较强的周期性，所以采用在变频器前端加入LC 滤波器不能很好地抑制这种干扰。对于共模干扰的抑制可采用如下方法：

1）使用差分输入，可以使两种信号之间不至于产生谐振，在系统中设置双差分输入的差动放大器，可以对共模干扰形成很强的抑制效应。

2）将输入端的线束进行绞合处理，可以将导线内的电磁感应磁场方向扰乱，且相互抵消，避免形成干扰。

3）可以在变频器表面设置一个屏蔽层，屏蔽层可有效阻断部分电气设备之间的电磁干扰，防止干扰产生。

4 仿真分析

为了验证对于谐波的抑制措施的有效性，且由于篇幅所限，在此基于MATLAB Simulink 软件仿真计算三角形LC 低通滤波器对谐波抑制效果进行分析。基于Simulink 建立LC 滤波器三角形结构仿真模型，其中逆变器电容量设置为380 kW，变频器功率因数为0.92，其输出的额定电压为380 V，据此可以计算得到变频器每一向限的等效电阻值。设置LC滤波器的传递函数，以及各参数变量的值，分析LC滤波器对变频器谐波的抑制。

仿真分析结果显示，基波电压频率小于50 Hz左右，可以无损耗通过，而频率较高的电压波就可以被很好地抑制。根据软件的仿真分析，计算LC 滤波器对差模电压的滤波性能，根据分析结果可确定滤波器的功率参数的选择，为LC 滤波器的设计提供参考。

5 结论

仿真分析表明二级低通滤波器对于差模干扰谐波具有很好的抑制效果，通知通过仿真可以确定LC滤波器的关键参数，对于变频器谐波抑制可提供重要的理论参考，对矿用驱动电机变频技术的应用具有重要参考意义。