矿用防爆变频器应用发展及其干扰问题的解决对策.pdf

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1、 矿用防爆变频器矿用防爆变频器应应用发展及用发展及其干扰其干扰问题的问题的解决解决对策对策 三电平变频器的发展及其应用 变频器与 CST 的比较 矿用变频器在井下使用中的干扰问题及其解决对策 上海地澳自动化科技有限公司 二 0 一 0 年七月 上海地澳自动化科技有限公司 三三电平电平变频器的发展及其应用变频器的发展及其应用 1 1、引言、引言 随着我国煤炭生产自动化程度的不断提高，矿用变频器在煤矿井下采、掘、运等机械设备和井上通、压、排、提等四大件的调速应用中发挥了良好的调速性能和节能降耗的作用。为此，矿用变频器在煤矿井下得到了广泛的应用，归纳起来有几个优点：1）能解决大功率电机高精度的转矩控

2、制；2）能实现大功率电机的软起、软停和过程控制；3）多机联动时的功率平衡；4）四象限运行时的再生制动和能量回馈，节能减排；5）净化环境，安全生产；6）延长设备使用寿命。然而，现用的矿用变频器均采用正弦波脉宽调制，所用器件是 IGBT 器件，经过交-直-交变换后，变频器输出不是完全的正弦波形，而且有 3 次以上的谐波。通常二电平的结构为 6 脉波，其输入侧对电网的干扰比较大，甚至干扰煤矿井下安全生产监测监控系统。为解决这个问题，同时又能使变频调速这一新技术能在煤矿井下得到使用，我公司与日本东芝-三菱公司合作，共同研制了 1140V、800KW 矿用隔爆兼本质安全型变频调速装置；与 AB 公司合作

3、，研发了 3300V、1800KW 矿用隔爆兼本质安全型变频调速装置。系统结构上均采用电压源型三电平矢量控制，达到 12 脉波方案。其中 1140V、800KW 变频器整流部分采用 AFE 有源整流，省掉了整流变压器，在电路上采用高阻接地，安全电流达到12mA。三电平变频器相对于传统的两电平而言，它可以使主开关器件的电压降低一半。由于输出多了一个电平，可以使 du/dt 降低一半，从而使输出电压谐波减小，电动机的温度大大降低，所有这些优点，特别适合于煤矿井下 1140V 以上大容量的调速系统（详见图 1）。图 1 上海地澳自动化科技有限公司 三电平变频器的整流电路标准配置为 12 脉波整流电路

4、，其输入变压器为三绕阻，二次采用和 Y 接法，两组二次绕组对应线电压之间的相位差为 /6，从而使整流后的电压波形具有 12 个脉波，有效地降低了整流器产生的谐波电流；若输出侧同时配置正弦波滤波器，则可以完全消除整流器产生的谐波。三电平式变频器主要优点三电平式变频器主要优点：1)结构简单，体积小；2)与两电平相比，采用同样电压等级，器件可以实现 2 倍的电压输出；3)降低电机的共模电压；4)降低对电网的共模干扰；5)能方便实现能量的双向流动，电机的四象限运行；6)与两电平相比，输出 du/dt 减小一半；7)与两电平相比，相电压输出电平数增加，输出谐波减小。本案采用的“三电平控制”，既继承了“二

5、电平控制”的优点，又解决了原来“二电平控制”的缺点和不足，但是，三电平变频器涉及到一个中心点接地的问题，由于现在我们国家煤矿井下的供电系统，规定中心点不接地，为此本案所研发的三电平变频器能否应用到井下，便是一个急需解决的问题。为此，我们的解决方案是：将隔爆将隔爆型三绕组变压器采用型三绕组变压器采用 DYN11DYN11 型式，其输入与输出的型式，其输入与输出的中性点经高阻接地，阻值满足煤中性点经高阻接地，阻值满足煤矿安全规程规定和矿安全规程规定和 GB3836.1GB3836.12 2-20002000 的要求，而矿用隔爆兼本质安全型三电平变的要求，而矿用隔爆兼本质安全型三电平变频调速装置的整

6、流输入由三绕组变压器的二次输出绕组分别接入一组三相桥式二极频调速装置的整流输入由三绕组变压器的二次输出绕组分别接入一组三相桥式二极管整流器，形成十二脉波的多重化输入方式，两组整流电路相串联，并且整流桥的管整流器，形成十二脉波的多重化输入方式，两组整流电路相串联，并且整流桥的中性点与中间环节的电容的中性点相连，这样直流环节的两组串联电容各分别由变中性点与中间环节的电容的中性点相连，这样直流环节的两组串联电容各分别由变压器的二次绕组（及其整流桥）供电，所以在逆变算法中不存在中点电压漂移的问压器的二次绕组（及其整流桥）供电，所以在逆变算法中不存在中点电压漂移的问题，使运算得到简化。题，使运算得到简化

7、。这样做，既保证了三电平变频器的可靠工作，又保证了煤矿生产和人员安全。2 2、设计依据：、设计依据：GB191-2008 包装储运图示标志 GB/T 311.1-2003 高压输变电设备的绝缘配合使用导则 GB/T 2423.4-2005 电工电子产品环境试验规程 试验 Db：交变湿热试验方法 GB/T 3859.2-2003 半导体变流器 应用导则 GB11022-2003 高压开关设备和控制设备标准的公用技术要求 上海地澳自动化科技有限公司 GB/T 12325-2008 电能质量 供电电压允许偏差 GB/T 12326-2008 电能质量 电压波动和闪变 GB/T 12668.4-200

8、0 调速电气传动系统 第 2 部分：一般要求 高压交流变频电气传动系统额定值的规定 GB/T 12668.3-2000 调速电气传动系统 第 3 部分：产品的电磁兼容性标准及其特定的试验方法 GB/T 14808-2000 交流高压接触器和基于接触器电动机起动器 GB/T 14808.6-2003 低压开关设备和控制设备接触器和电动机起动器 第 2 部分：交流半导体电动机控制器和起动器 GB/T 14549-2008 电能质量 公用电网谐波 GB/T 15543-2008 电能质量 三相电压允许不平衡度 GB/T 15945-2008 电能质量 电力系统频率允许偏差 GB 17625.1-20

9、03 电磁兼容限制 谐波电流发射限制（设备每相输出电流16A）GB 17625.3-2003 电磁兼容限制 对额定电流大于 16A 的设备在低压供电系统中产生的电压波动和闪烁的限制 3 3、国内外三电平变频器研发的现状与发展前景、国内外三电平变频器研发的现状与发展前景 3.13.1、交流变频调速装置的分类、交流变频调速装置的分类 1)依据其控制方式可以分为标量控制、矢量控制和直接转矩控制；2)依据其输出波形可以分为方波输出和 PWM 输出两类；3)依据其转换方式可以分为直接交换式（交-交）和间接交换式（交-直-交）两类。在间接交换方式中根据中间直流处理方式，又可以分为电流源型和电压源型两类；4

10、)依据其驱动方电机的类型可分成同步电机和异步电机变频调速系统两类，其中按异步电机的类型可分为鼠笼型异步电机和绕线型转子异步电机；按能量处理方式分，绕线电机调速分为：串调、双馈调速和内反馈式串调三种，也叫做转子变频调速三种；5)按电平方式分，可分为两电平电压型、三电平电压型和功率单元串联式多电平三种。3.23.2、国外三电平的变频调速装置的几种实施方案、国外三电平的变频调速装置的几种实施方案 上海地澳自动化科技有限公司 （1）ABB 公司（如图 2 所示）（2）西门子公司（如图 3 所示）图 3 西门子公司系统简图（3）日本东芝三菱公司（如图 4 所示）图 4 三菱三电平中压变频器简图 图 2

11、ABB 中压变频器系统简图 上海地澳自动化科技有限公司 3.33.3、上述三种方案比较、上述三种方案比较 国外三电平变频调速装置实施方案简单比较国外三电平变频调速装置实施方案简单比较 公司 整流器输入 直流环节 逆变器 控制算法 ABB 公司 1)三绕组变频器 2)两组整流器串联，分别接变压器二次二个绕组供电 整流桥中性点与中间直流环节的电容中性点不相连 1)用 IGCT 管子 2)LC 滤波器 1)开关频率易偏离，但可采用滞环比较方式进行校正 2)直接转矩控制 3)控制运算不需坐标变换 西门子 公司 同上 整流桥中性点与中间直流环节的电容中性点相连 1)用 IGCT 或 IGBT管子 2)L

12、C 滤波器 1)不存在中性点电压漂移问题 2)矢量控制 3)需坐标变换（三相-两相）东芝三 菱公司 同上 整流桥中性点与中间直流环节的电容中性点相连 1)用 IGCT 管子 2)LC 滤波器 3)用 AFE 有源整流 1)不存在中性点电压漂移问题 2)矢量控制 3.43.4、关于三绕组变压器、关于三绕组变压器 目前国内外中高压变频器的技术问题均成熟，特别是矿用中、高压变压器在煤矿井下得到了广泛使用。对多绕组移相变压器中性点经高阻接地的安全问题均已解决，如江苏盐城、南京中电的变压器厂生产的 DYN11 型式的隔爆型三绕组变压器其中性点就是经高阻接地，其阻值满足煤矿安全规程和 GB3836.12-

13、2000 的规定要求。而三电平变频调速装置就是用一台三绕组变压器来供电的。本方案也是采用前述方式，故安全是没有问题的。3.53.5、在 6000V、1000KW 高压变频调速装置中，ABB、AB（罗克威尔）和西门子、东芝-三菱公司均采用有源整流（AFE），以减少耗电、耗材、耗财的移相变压器，控制方式仍为 PWM 方式，通过拓扑结构设计和软件配合，实现五电平控制，达到 24 脉波可四象限运行，也可二象限运行。二象限运行时，AFE 有源整流还有功率因素补偿功能。上海地澳自动化科技有限公司 变频器变频器与与 CSTCST 的比较的比较 随着我国煤炭产量的不断增长，长距离、大运量、宽带输送机也日益增多

14、。特别是新矿井建设中，为解决不同煤层的采后运输，减少初期投资，大运量、下运带式输送机的需求也日益增多。鉴此，国家煤炭安全生产监察局颁发的 2005 年版煤矿安全规程第 373 条第 9 款明确规定：“带式输送机应加设软起动和软制动装置。”我国能源法中第 39 条第 2 款规定要逐步实现电动机、风机、泵类设备和系统的经济运行，发展电机调速节电和电力电子节能技术，提高电能利用效率。上述规定为全数字式高、低压软起动器和变频器在煤炭行业中广泛应用提供了法律法规依据。下面就皮带用下面就皮带用变频器变频器与与 CSTCST 的方案进行对比的方案进行对比 1 1、变频器变频器 变频器由调速的数学模型所致，为

15、电机提供一个频率可调的电源，节能减耗，变频器大显身手。降低能耗不是单纯的节能，它涉及能源开采，加工到下游能源使用的各个环节。这就要求我们提高能源开发、生产、加工环节的效率、减少浪费；要采用节能、降耗、节水、环保的先进技术设备和产品，改造或淘汰消耗高、污染大的落后生产能力、工艺和产品。从上游的石油、天然气、煤炭开采，到能源输送以及发电，到下游的石化、钢铁、汽车生产直至后期的水处理、环保，无所不及。2 2、CST CST CST 是一种机械系统、液压系统、冷却系统和电气系统的联合体，集油、水、电三能为一体。CST 是利用调节二个调节阀片间的油膜间距来实现力矩的传递，达到软起动的效果。其优点是起动时

16、能出大力矩，达到无级调速。其缺点一是价格贵，初期投资大；二是必须采用专用油，且油价昂贵，维护难度及成本相对较高；三是同可调性液力偶合器，其高位调节片不能长时间离开高位置，发热较严重；四是 CST基本没有节能功效，达不到节能效果。由于机械原因，使用时间长，间隙增大，一年后便开始发生漏油现象。2.12.1、调速原理、调速原理 变频调速是电机调速的主要技术。交流电动机转速的表达式为：n=psf)1(60上海地澳自动化科技有限公司 其中：f定子供电电源的频率 p电动机的极对数 s电动机的转差率。由上式可知，当平滑地改变 f 时，n 也可得到平稳的改变。所以，变频调速技术的关键是如何获得频率可变的大功率

17、供电电源。由于 m主磁通 E1X电动势 fx频率 KE比例常数 N每相绕组匝数 当一台电机制造完毕后其 kE、N 均为常数，故：=C 其中：在电动机内，额定频率时，定子绕组的阻抗压降 U=I1z1，Z1 为定子绕组的阻抗，包括电阻 r1 和漏磁电抗 x1 所占比例甚小，忽略不计，所以电动势与电源相电压相平衡：U1xE1x 即 只有当m=Const 时，即通常说的 V/f 恒定控制。由此可见，变频的同时也必须变压，V/f 恒定控制的实质意义就是与直流调速相等，达到磁场恒定，电枢可逆的调速方式。因交流电动机是个多变量、强耦合和非线性被控对象，仅用电压/频率（V/f）恒定控制，不能满足对调速系统的要

18、求，故一级调速均采用矢量控制，它以交流电机的双轴理论为依据，在同步旋转坐标中把定子电流矢量分解为两个分量，一个分量与转子磁链矢量重合，称为励磁电流分量；另一个分量与转子磁链矢量垂直，称为转矩电流分量，通过控制定子电流矢量在旋转坐标中的位置及大小，即可控制励xxmfU1NfkxExEm44.41NkKE44.41xmfxEK1上海地澳自动化科技有限公司 磁电流分量和转矩电流分量的大小，达到直流电动机那样对磁场和转矩的解耦控制。目前煤矿用的变频器多般为这一类型的变频器。直接转矩控制避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量的模与相角的复杂计算，直接在定子坐标系上计算电机的转矩与磁通，通过转矩控制，使转

19、矩响应时间控制在一拍以内，且无超调，控制性能比矢量控制还好。2.22.2、控制方式和运行方式、控制方式和运行方式 控制方式有 V/F 恒定控制，适用于水泵、风机一类轻负载；矢量控制和直接转矩控制适用于重负载或需要恒转矩的工况。运行方式：有两相限和四象限运行。2.2.1、矢量控制 矢量控制的基本思想是仿照直流电动机的调速特点，是异步电动机的转速能通过控制两个相互垂直的直流磁场来进行调节。其主要依据：1)产生旋转磁场。三相交流电的合成磁场；两相交流电的合成磁场以及本身旋转的直流磁场。2）以所产生的旋转磁场相同为原则，通过三相两相和同步等各种磁动势之间的旋转变换，把交流异步电动机在按转子磁链定向的同

20、步旋转坐标上等效成直流电动机，从而模仿直流电动机进行控制，得到在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美的交流调速系统。矢量控制强调转子磁链与转矩的解耦，实现连续控制，调速范围较宽。2.2.2、直接转矩控制 直接转矩控制与矢量控制不同，直接转矩控制放弃了旋转坐标变换，而是在静止两相坐标系上控制转矩和定子磁链，以获得快速的转矩响应。直接转矩控制强调控制定子磁链，不受转子参数随转速变化而变化，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构，动态响应快。以矢量控制的变频器以矢量控制的变频器为例，其特点是：为例，其特点是：a)先进的矢量控制技术先进的矢量控制技术 矢量控制技术将直流控制中的双闭环（速度环、电流环

21、）调节控制通过三相两相变换和同步旋转变换，把交流异步电动机在按转子磁链定向的同步旋转坐标上等效成直流电动机，从而模仿直流电动机进行控制，得到在静、动态性能上完全上海地澳自动化科技有限公司 能够与直流调速系统相媲美的交流调速系统。矢量控制强调转子磁链与转矩的解耦，实现连续控制，调速范围较宽，且控制用数学模型多为矩阵模型，由小到大渐进，噪声小。矢量控制技术中由于采用 FORCE 技术，当使用编码器反馈时，调速精度可达 0.001%，转矩调整率为 2%，其性能相当于大功率的直流调速装置；在无编码器反馈得精确的速度和转矩控制，使变频器应用范围更广泛。采用 FORCE 技术后，在零转速下可获得强大的、精

22、确的输出转矩。变频器的这种“零转速时的满转矩输出”特性，应用在具有位能性负载的场合是非常适宜的。b)先进的先进的 IGBT 功率模块，功率损耗小功率模块，功率损耗小 c)自动换向变频技术自动换向变频技术 四象限运行，当电动机减速制动时，从逆变器反馈的再生功率使变频控制装置内直流母线电压升高，变频控制装置内控制芯片发出指令，使输入电流相位与电源电压相位相反将电动机再生能量反馈到电网中，实现电动机的能量再生制动（详见图 5 所示）。d)先进的机械制动应用技术先进的机械制动应用技术 在绞车控制系统中要求变频器在四个象限运行、200%力矩启动、启动次数频繁等苛刻条件下工作，变频器如果在没有力矩输出时就

23、打开抱闸是很危险的，不符合煤矿提升绞车安全检验规范的要求。变频器的机械制动采用电流互感器检测输出电流，进行向量分解以检测电机定子磁场位置，经计算反馈给控制器处理电压、频率。整个过程在极短时间内循环完成一次。当输出力矩足够大（大于 150%）时打开抱闸，运行时电机处理将自动保持在能够克服的摩擦力和运行的加速度上，不会溜车。e)变频器能提供无温度传感器的温度自变频器能提供无温度传感器的温度自动补偿，保证转矩输出与期望的转矩一动补偿，保证转矩输出与期望的转矩一致致；图 5 上海地澳自动化科技有限公司 f)具有具有 PROFIBUSPROFIBUS-DPDP 通讯接口，便于和通讯接口，便于和 PLCP

24、LC 及上位机通讯组网及上位机通讯组网；g)变频器具有以下诊断和保护功能：变频器具有以下诊断和保护功能：失压检测与脱扣；过压检测与脱扣；过流检测与脱扣；温度过高检测与脱扣；外部脱扣信号检测与脱扣；变频器输出端短路检测与脱扣；接地故障检测与脱扣；电动机失速保护；电子式 I2t 电动机保护；32 条故障信息缓冲区；32 条报警信息缓冲区；h)与防爆变频器配套的进线电抗器、输出电抗器或滤波器和自耦变压器保证了与防爆变频器配套的进线电抗器、输出电抗器或滤波器和自耦变压器保证了电机反馈的再生能量接近正弦波，不会污染电网和干扰其他设备的正常工作。电机反馈的再生能量接近正弦波，不会污染电网和干扰其他设备的正

25、常工作。若采用若采用 A ABBBB 公司生产的变频器，则其控制方式为直接转矩控制。公司生产的变频器，则其控制方式为直接转矩控制。上海地澳自动化科技有限公司 皮带机用皮带机用变频器变频器及及 CSTCST 技术方案对比技术方案对比 调速方式调速方式 比较项目比较项目 变频调速变频调速 CSTCST 调速原理 改变电源频率，实现无极调速 改变油膜间距，实现软起动，它没有调速功能，故不是调速装置，仅是软起动器。适用电机 异步鼠笼电机、同步机 异步鼠笼电机 最佳调速范围 0100%30%70%n 启动方式 通过调节 f，实现软起、软停和过程控制，即：可根据皮带的负载情况进行速度调节。通过调节油膜间距

26、，实现软起动，不能实现过程控制。控制.通过电气的参数和 CPU 的运算，结合软件的功能，实现对速度和转矩精确、快速的控制，精度远高于 CST；.通过电流与速度闭环，实现系统双闭环控制；.通过通讯方式，实现主从联动，达到多台电机的功率平衡。.改变油膜间距调节输出力矩，实现开环控制；.靠液压传递力矩，增加中间环节，精度与效率较低；.运行速度比变频器慢，变频器是 ms级，CST 为 s 级；.油需要经常更换且更换油时需停车，造成设备运行时间的缩短，减少运行时间。停车 变频器停车有自由停车和变频停车两种，真正意义上实现软停车，能解决下运及紧急停车的问题，并将多余的能量回馈到电网。CST 的软停不是实际

27、意义上的软停，同液力耦合器，下运时重载停车须用 CSB 实现软停，将能量消耗在油中。传动效率 电的环节少，故传动效率可达 95%以上。因 CST 是机械传动，在调速系统中增加了一个机械环节，故传动效率比变频器低，约在 90%左右。多台电机空载运行 电机空载运行时，变频器能有效的调节运行速度（可以低频运行），节能明显。CST 的调节不能实现速度可调，它的速度输出是一个固定值，短时有点调节，但不节能，无意义。稳定性.基本无故障；.大功率变频器均采用 12 脉波以上调速，11 次以下谐波过滤器，并通过EMC 装置将 13 次以上高次谐波滤掉；.CST 靠机械连接在电机和皮带之间，稳定性较差，一旦 C

28、ST 故障，整个系统都要停止，没有办法跨过CST运行；.不受电压限制，无谐波，但机械噪声上海地澳自动化科技有限公司 .变频器通过电气回路连接，在紧急情况下可以通过旁路应急，保证系统的不间断运行。大；.系统的复杂性决定了其故障率较高。节能 变频器能在任意频率下，只要电机转速超过同步转速，就能将多余的能量回馈到电网，节能效果明显，达 30%以上。基本无节能功效。土建工程量 因能源单一，且模块化柜体设计，故工程施工量小。由于 CST 由机械传动系统，液压系统、冷却系统及电气系统四个部分组成，除电气外，其他几个部分庞大，故工程量较大，占地也大。技术维护 基本免维护 维护量较大，成本相对较高；须用专用油

29、，据 08 年的价格：每桶油 4 万美金，650KW以上全年需用油 3-4 桶，且随机械运行时间的增加，机械间隙增大，连续运行一年后，CST 开始漏油，发热严重。备品备件 设备主要为模块化的电子元器件，备品备件充足，更换方便。备品备件成本较高，特别是油价浮动。故障率 基本无故障。由于系统的复杂性，决定了其故障率较高。对电网污染 较大，但通过 12 脉动处理及 EMC 滤波装置后可使谐波降至 4%左右。无 初期投资 初期投资 650KW 以下;与 CST 相当，650KW2000KW 比 CST 便宜;2500KW 以上，比 CST 贵 20%35%。初期投资高，660V 450KW-650KW

30、 与变频器价格相当，但 650KW 以上比变频器贵30%-60%投资回报率比较 节能效果好，维护量小，运行周期长，大大提高变频器的回报率，当年所节电费，可收回电控系统初期投资。节能效果不明显，基本没有节能功效，回报率低。上海地澳自动化科技有限公司 矿用变频器在井下使用中的矿用变频器在井下使用中的 干扰问干扰问题及其解决对策题及其解决对策 1 1、概述、概述 1.11.1 技术发展的趋势技术发展的趋势 随着传动技术的不断发展和大功率器件的成熟及其散热技术的解决，矿用变频器在煤矿井下得到了广泛应用，这是因为矿用变频器是集自动控制、微电子、通信及防爆技术、散热技术为一体的高新技术产品。电子控制技术

31、防爆技术 散热技术 通信技术 1.21.2 变频器应用优势变频器应用优势 变频器之所以能在煤矿井下应用，主要是它的调速性能和节能技术得到了充分的发挥，故用户选择变频器旨在：解决高精度的转矩控制；软起、软停及过程控制；多机联动时的功率平衡；节能增效，净化环境。1.31.3 变变频器调速原理频器调速原理 变频器的工作原理从结构上看，目前煤矿中使用的变频器有交直交和交交变频器二种。不管是哪种变频器，其调速原理都是从电机特性出发的，即：变频调速是电机调速的主要技术之一。众所周知，交流电动机转速的表达式为：n=60f(1-s)/p 其中：f定子供电电源的频率 p电动机的极对数 s电动机的转差率 上海地澳

32、自动化科技有限公司 由上式可知，当平滑地改变 f 时，n 也可得到平稳的改变。所以，变频调速技术的关键是如何获得频率可变的大功率供电电源。由于主磁通：E1X电动势 fx 频率 KE 比例常数 N 每相绕组匝数 故：当一台电机制造完毕后其 KE、N 均为常数。在电动机内，额定频率时，定子绕组的阻抗压降 U=I1z1，Z1 为定子绕组的阻抗，包括电阻 r1 和漏磁电抗 X1 所占比例甚小，忽略不计，所以电动势与电源相电压相平衡：U1xE1X 当 m=const 时，m=V/f=C（常数）被称为 V/f 恒定控制。由此可见，变频的同时也必须变压，V/f 恒定控制的实质意义明显可见。因交流电动机是个多

33、变量、强耦合和非线性被控对象，仅用电压/频率（V/f）恒定控制，不能满足对调速系统的要求，故目前调速均采用矢量控制，它以交流电机的双轴理论为依据，在同步旋转坐标中把定子电流矢量分解为两个分量，一个分量与转子磁链矢量重合，称为励磁电流分量；另一个分量与转子磁链矢量垂直，称为转矩电流分量，通过控制定子电流矢量在旋转坐标中的位置及大小，即可控制励磁电流分量和转矩电流分量的大小，达到直流电动机那样对磁场和转矩的解耦控制。我公司目前在煤矿推广的变频器均为这一类型的变频器。直接转矩控制避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量的模与相角的复杂计算，直接在定子坐标系上计算电机的转矩与磁通，通过转矩控制，使转矩响

34、应时间控制在一拍以内，且无超调，控制性算法上比矢量控制简单。NfkxExEm44.41图 6 上海地澳自动化科技有限公司 1.41.4 变频器的控制方式和运行方式变频器的控制方式和运行方式 1.4.1 变频器的控制方式有三种方式：V/F 恒定控制:适用于水泵、风机一类轻负载 矢量控制:重负载或需要恒转矩的工况 直接转矩控制:重负载或需要恒转矩的工况 1.4.2 矢量控制 矢量控制的基本思想是仿照直流电动机的调速特点，是异步电动机的转速通过控制两个相互垂直的直流磁场来进行调节。其主要依据：1）产生旋转磁场；2）以所产生的旋转磁场相同为原则，通过三相两相变换和同步旋转变换，把交流异步电动机在按转子

35、磁链定向的同步旋转坐标上等效成直流电动机，从而模仿直流电动机进行控制，得到在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美的交流调速系统。1.4.3 直接转矩控制 直接转矩控制与矢量控制不同，直接转矩控制放弃了旋转坐标变换，而是在静止两相坐标系上控制转矩和定子磁链，以获得快速的转矩响应。直接转矩控制强调控制定子磁链，不受转子参数随转速变化而变化，采用转矩和定子直接控制而避开了旋转坐标变换，简化了控制结构，动态响应快。图 7 矢量控制原理图 上海地澳自动化科技有限公司 1.4.4 运行方式有两种：二象限运行方式 四象限运行方式 1.51.5 变频器在井下使用存在的问题变频器在井下使用存在的问题 由于

36、矿用变频器采用了大功率的晶闸管和门极对称型的 IGBT 管，因此：经过 交、直、交变换后，输出波形不是完全的正弦波，有高次谐波污染和电磁辐射干扰（由模拟电路组成的）电子设备。1.5.1 变频器产生干扰的种类：变频器产生干扰种类有三种，即：传导、电磁辐射、感应耦合。具体对：对周围的电子、电气设备产生电磁辐射；对直接驱动的电动机产生电磁噪声，使得电动机铁损和铜损增加，进而发热，并传导干扰到电源，通过配电网络传导给系统其他设备；图 8 RF I抑制RF I滤波器L1L2L3PE+HVDCUVW-HVDC整流回馈单元逆变单元上海地澳自动化科技有限公司 变频器对相邻的其他线路产生感应耦合，感应出干扰电压

37、或电流。同样，系统内的干扰信号通过相同的途径干扰变频器的正常工作。1.5.2 变频器干扰的途径 1）传导传导。主要体现在输入端。整流部分用大功率二极管或二极管与可控硅或可控硅组成不可控或半控或全控的整流电路。由于电路在整流处理过程中将产生谐波传导到电子设备，通讯设备上，通过与其相连的导线向外部传导，也可以通过阻抗耦合或接地回路耦合将干扰带入其他电路。与辐射干扰相比，传导的路程可以很远。典型的传导途径是：变频器所产生的干扰信号会沿着其配电变压器进入其他机电设备。2）辐射辐射。在交-直-交过程中，通过逆变装置工作，将直流变成交流，其输出波形不是完美的正弦波，有高次谐波共扼，会在通信设备和无线电设备

38、上产生辐射干扰；变频器其辐射场强取决于干扰源的电流强度、装置的等效辐射阻抗以及干扰源的发射频率。变频器的整流桥对电网来说是非线性负载，它所产生的谐波对接入同一电网的其他电子、电气设备产生谐波干扰。由于变频器的逆变桥大多采用 PWM 技术，当给定频率和辐值产生预期的和重复的开关模式时，其输出的电压和电流的频谱是离散的，并且带有与开关频率相应的高次谐波群。高载波频率和场控器件 IGBT的高速切换（dv/dt 可达 1kV/s 以上）所引起的辐射干扰问题相当突出。当变频器的金属外壳带有缝隙或孔洞时，如：矿用外壳的隔爆间隙、喇叭口、观察窗等就会辐射出来。对变频器来说，防爆外壳是一个屏蔽壳，但由于隔爆面

39、有几十丝的间隙，观察窗是钢化玻璃，他们能隔火，但隔不了磁辐射信号。3）感应感应。对计算机和自动控制装置等电子设备产生的干扰主要是感应干扰。感应耦合是介于辐射与传导之间的第三条传播途径，当干扰源的频率较低时，干扰的电磁波辐射能力也有限，而该干扰源又不直接与其它导体连接，但此时的电磁干扰能量可以通过变频器的输入、输出导线与其相邻的其他导线或导体内感应耦合，在邻近导线或导体内感应出干扰电流或电压。感应耦合由导体间的电容耦合或电容、电感混合的形式出现，这与干扰源的频率以及相邻导体的距离等因素有关。1.61.6 变频调速系统的抗干扰对策变频调速系统的抗干扰对策 形成电磁干扰（EMI），须具备三要素：电磁

40、干扰源、电磁干扰途径、对电磁干电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统。扰敏感的系统。上海地澳自动化科技有限公司 为防止干扰，可采取硬件抗干扰和软件抗干扰。其中，硬件抗干扰是系统最基本和最重要的抗干扰措施。一般从抗和防两方面入手来抑制干扰，其总原则是抑制和消除干扰源，切断干扰对系统的耦合通道、降低系统干扰信号的电感性。具体措施：1.6.1 采用 AFE 装置，即在整流单元中采用有源整流装置。6000V 高压变频器中均采用 AFE 有源整流装置。其作用是：通过多电平拓扑结构设计及软件的配合达到 24 脉波；补偿功率因素。1.6.2 加设 EMC 装置，即：采用隔离、滤波、屏蔽、接地等一系列

41、措施（统称 EMC）。1 1）隔离隔离 所谓隔离是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系。在变频调速传动系统中，通常是在电源和变频器之间采用隔离变压器以免传导干扰。电源隔离变压器可以采用噪声隔离变压器，自耦变压器、相位角相差 30的三绕组变压器或多绕组变压器。其作用有二个：一是隔离作用，即将变频器工作内外环境隔离，既防止外来信号干扰本机工作，一是隔离作用，即将变频器工作内外环境隔离，既防止外来信号干扰本机工作，又不将本机产生的信号干扰其他设备工作；二是抑制电流跳变，这在回馈式四象限又不将本机产生的信号干扰其他设备工作；二是抑制电流跳变，这在回馈式四象限运行变频器上用，

42、是一个非常可靠的举措。运行变频器上用，是一个非常可靠的举措。我公司生产的绞车电控装置所用的四象限变频器均采用了这种措施，非常可靠。自 2003 年至今，我公司生产的井下暗斜井绞车用变频器已有 20 套，现已调试运行的有 68 套，运行都非常正常。多绕组的变压器在大功率的变频器的谐波治理上有明显效果。如我公司为国投新集刘庄矿搞的一套 500kW/660V 的四象限变频器，我们就采用了三绕组变压器，在整流部分采用 2 台 315kW/660V 整流装置，并配适配器以达到十二脉动的处理效果，使 3 次、5 次、7 次、9 次、11 次谐波基本滤掉，净化了变频器的工作环境，也减少了对别人的干扰（详见图

43、 10）。上海地澳自动化科技有限公司 2 2）滤波滤波 设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电源及电动机。为减少对电源的干扰，可在变频器输入侧设置共模滤波器，输出侧加正弦波滤波器，以减少电磁噪声对电源的干扰，降低电机损耗发热。特别是输出侧加正弦波滤波器，还能改善输出波形，保护电机绝缘。由于目前煤矿井下采用的变频器多般是 6 脉动的电压型正弦波脉宽调制的变频器，其谐波主要是 3 次、5 次谐波，特别是 5 次谐波比较厉害，3 次谐波通过滤波器，已大部分滤尽，但是 5 次谐波，若滤波器质量不好，则约有 30%50%谐波尚未滤掉；故若能采用正弦波滤波器，则效果将明显改善。如

44、果线路中有敏感电子设备，可在电源线上设置电源噪声滤波器，以免传导干扰。若防止信号传输受干扰，还可在传输信号的输入端加磁环，也能滤掉干扰信号。3 3）屏蔽屏蔽 屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽，不让其图 10 上海地澳自动化科技有限公司 电磁干扰泄漏。输出线最好用钢管屏蔽，特别是以外部信号控制变频器时，要求信号线尽可能短（一般为 20m 以内），且信号线采用双芯屏蔽，并与主电路及控制回路完全分离，不能放于同一配电管或线槽内，周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地。下面介绍几种我公司常用的屏蔽方法：屏蔽方法之一屏蔽方法之一 屏蔽总线屏蔽总线 用

45、于确保各个电缆的屏蔽连接可靠，可通过一个横梁实现大面积的金属到金属联接。良好的屏蔽连接和屏蔽总线的安装（见图 11）。如果不能将电缆直接连接到等电位连接排上，也可以通过将电缆屏蔽层与夹持型导轨连接到一起，从而实现良好的屏蔽。屏蔽方法之二屏蔽方法之二 双端屏蔽双端屏蔽 一般情况下，屏蔽电缆都为两端接防爆外壳，并确保大面积接触外壳表面以便能承受高频干扰。如果当维修和起动通电时，系统连接有外部设备，例如防爆工控电脑，笔记本等，连接电缆的屏蔽部件也必须双端接地。如果仅仅在一端接地屏蔽，电缆上有可能出现干扰。图 11 图 12 上海地澳自动化科技有限公司 屏蔽方法之三屏蔽方法之三 单端屏蔽单端屏蔽 在极

46、少数特殊情况下，也可以只进行一端屏蔽，例如，不带数字元件的纯模拟系统。在一端进行屏蔽仅仅提供了对低频的静电保护，对耦合吸收干扰和辐射有作用。当干扰是外部地线电位差引起时，即使可以将各个不同电位的元件联接到一起形成等电位，也必须联接屏蔽端子的一端到外壳地。为了增加屏蔽的有效性，开路一端的屏蔽端可以与外壳地相连。单端屏蔽的屏蔽联接（见图 13）屏蔽点必须是联接部件的电气参考地。如果联接两边（源端和接收端）都处于浮地状态，则屏蔽必须接在接收端。如果源端和接收端两边都接地，则屏蔽必须两端都接。屏蔽方法之四屏蔽方法之四 中转连接插座中转连接插座（见图 14）如果一定要将一根屏蔽的电缆截断，则延续屏蔽的办

47、法是通过插头（座）来保证的。只有合格的，同时具有良好屏蔽接触和具有抗高频干扰的插头（座）才可以达到这一目的。屏蔽方法之五屏蔽方法之五 接线端子接线端子（见图 15）图 13 图 14 上海地澳自动化科技有限公司 原则上讲，只有特别设计的插头（座）和插头（座）外壳才能用于延续被中断的屏蔽。除此之外，有些情况下，中断屏蔽联接，从电缆插头分线也是绝对必要的。此时，在插头（接线端子）之前和之后将电缆的屏蔽层用螺钉联接的形式固定到屏蔽总线排上。屏蔽方法之六屏蔽方法之六 电机电缆电机电缆 屏蔽通过屏蔽夹子与屏蔽金属板连接实现。屏蔽方法之七屏蔽方法之七 观察窗屏蔽观察窗屏蔽 通常防爆外壳的观察窗是用钢化玻璃

48、做的，为了抗辐射，可以在钢化玻璃的夹层中加一层金属丝网，并将网丝均匀地焊接在外壳上，这个方法非常有效，可以让有关厂家定做。图 15 图 16 上海地澳自动化科技有限公司 4 4）接地接地 正确的接地既可以使系统有效地抑制外来干扰，又能降低设备本身对外界的干扰。在实际应用中，由于系统电源零线（中线）、地线（保护接地、系统接地）不分、控制系统屏蔽地（控制屏蔽地和主电路导线屏蔽地）的混合连接，大大降低了系统的稳定性和可靠性。因此，正确接地是提高变频器抑制噪声能力和减小变频器干扰的重要手段。实践证明，变频器接地导线的截面积一般应不小于 2.5mm2，长度控制在 20m 以内，建议变频器的接地与其它动力

49、设备接地点分开，不能共接。接地方法之一接地方法之一 良好系统接地良好系统接地 一般情况下，采用单端接地要求变频器的输入侧屏蔽接地，输出侧不接地，让电机接地；同时要求变频器与电机的接地分开，不要构成回路。接地线面积须大于2.5mm2，长度在 20m 以内。接地方法之二接地方法之二 接地排接地排 接地排等电位排都可以作为屏蔽总线使用。接地排作为保护地，而等电位连接排作为功能地使用；也可以将接地排象等电位连接排那样同时提供几种用途。接地方法之三接地方法之三 中央接地排和中央接地排和 PE 导电排导电排 多台变频器接地，可以采用中央接地排的方式。中央接地排组和 PE 导电排必须图 17 上海地澳自动化

50、科技有限公司 接到横梁上（金属到金属联接）。它们必须在电缆压盖处正对的附近位置。中央接地排额外还要通过另外的电缆与保护电路（接地电极）连接。只有这样，才能安全的释放和旁路干扰电流。5 5）采用电抗器采用电抗器 在变频器的输入电流中频率较低的谐波分量（3 次、5 次、7 次、11 次等）所占的比重是很高的，它们除了可能干扰其他设备的正常运行外，还因为它们消耗了大量的无功功率，使线路的功率因数大为下降。故需在输入电路内串入电抗器，其作用有二个：一是抑制输入电流；二是起到三相电流平衡的作用。根据接线位置的不同，主要有以下两种：a)a)采用交流电抗器方式采用交流电抗器方式 交流电抗器交流电抗器 串联在