基于SVPWM算法的三电平矿用变频器的研究与仿真

随着电力电子技术的快速发展,大功率变频器在煤矿生产中得到了广泛应用。为了进一步提高变频器的节能和调速性能,在传统的三电平PWM的技术上,提出以一种空间矢量脉宽调制新算法的三电平逆变器模型,极大地简化了计算过程,减少了设备运行时的电能损耗。文章以三电平矿用变频器为目标,详细分析了SVPWM算法的调制过程,并基于理论分析的基础在MATLAB仿真软件中搭建了系统模型。

基于一体化模型的矿用变频器散热性能分析

矿用变频器空间密闭,运行过程中内部功率器件自身会产生大量热量,易产生热退化和热失效现象。现有研究主要是针对矿用变频器某类功率器件或散热器进行单独分析,未考虑它们相互之间的热交换作用,且现有研究与矿用变频器运行状态的结合不够紧密,导致生热和传热过程与实际情况偏差较大,降低了散热性能分析的准确度和全面性。针对上述问题,以630 kW/1140 V四象限矿用变频器为研究对象,基于一体化模型对矿用变频器散热性能进行分析。建立了考虑等效电阻的矿用变频器主电路拓扑模型,分析母排与电缆、充/放电电阻、吸收电阻、IGBT模块、输出电抗器的电气特性并计算功率损耗。采用强制水冷+风冷+自然冷却方式对矿用变频器的散热系统进行优化设计。将IGBT模块、吸收电阻置于水冷散热器的基板上,配置风机加速输出电抗器的热交换效率,其他功率器件则自然散热。基于一体化模型对矿用变频器内部温度场特性、对流换热特性进行数值模拟分析,并搭建矿用变频器加载试验平台验证基于一体化模型的温度场仿真的正确性及散热设计的有效性。结果表明:①在内部功率器件的传导、对流及辐射换热作用下,隔爆外壳的温度高于环境温度,最低为36℃,且后基板的温度高于其他隔爆面,最高可达70℃。矿用变频器内部组件均未超过80℃,远低于相关标准规定值,具有良好的散热性能。IGBT模块的温度最高,机心母排组件的温度次之,直流滤波电容组件的温度最低。②充电过程中功率器件产生了较大的损耗,但由于充电时间极短,该损耗不会引起温度的剧烈变化,功率器件的瞬时温度最高不超过59℃;放电电阻的瞬时温度最高可达267℃,100℃以上的作用时间为200 s,梯形铝壳电阻的耐高温冲击能力可满足该应用场景,且未形成热应力循环,不会产生热击穿、热失效现象。③各功率器件在2~3 h后温度逐渐趋于稳定,各标定测温点的实验与仿真结果在整体趋势上保持较好的一致性。

叠层母排在矿用变频器上的应用与优化设计

针对矿用变频器存在的体积大、接线维护困难、运行不稳定等问题,围绕壳体内部元器件布局、走线方式、控制技术等展开研究,在总结经验的基础上为减小杂散电感、降低功率模块关断损耗,引进叠层母排技术,并介绍了设计思路,然后结合电子器件的布局、走线需求,优化母排结构,最终达到了节约空间、有限延长功率模块寿命、降低成本的目的。基于叠层母排结构的矿用变频器已成功应用于煤机设备,且运行稳定、故障率低。

1140 V/200 kW矿用变频器结构设计分析

为保障变频器的持续稳定运行,矿用变频器通常设置在隔爆壳体中,再加上井下环境温度较高、空气不流通,导致矿用变频器在应用中经常出现温度过高等故障。因此,本文介绍了一种适用于煤矿井下环境的1140 V/200 kW矿用变频器结构设计,可解决矿用变频器散热问题,保障变频器的持续稳定运行,具有一定的现实意义。矿用变频器结构设计主要包括IGBT模块、吸收电容、直流母线电容选择、整流器、散热器等内容。为验证矿用变频器散热系统是否满足井下生产中的散热需求,采用仿真分析方法,从水冷散热器温度场、水冷散热器流体场、流固热耦合3个角度开展变频器散热系统仿真分析,进而根据仿真分析结果确认矿用变频器散热器性能的影响因素,指出对应的改进措施。

60°坐标系矿用变频器SVPWM算法研究

针对传统的煤矿井下矿用变频器SVPWM算法计算复杂的缺点,研究了基于60°坐标系的矿用变频器的SVPWM算法,该算法只需进行简单的逻辑判断就可以得到参考矢量的具体位置,并且用简单的加减运算就可以得到基本矢量作用时间,能够大幅简化SVPWM的运算。在此基础上,对60°坐标系下的SVPWM算法过调制进行了研究,DSP的波形表明了基于60°坐标系的煤矿井下矿用变频器SVPWM算法的正确性。

110kW隔爆型本质安全矿用变频器的研制

随着电力电子技术的发展,变频技术日益成为电力传动节能降耗的重要手段。研制了一种应用于矿井下风机的隔爆型矿用变频器,阐述了产品主回路设计、控制回路结构、控制软件与震荡抑制,及该装置在工业现场的运行试验结果与分析。现场运行结果表明,该变频器满足性能设计要求,输出波形良好无脉动,适用于矿井风机控制。

基于ATMEGA16单片机的矿用变频器漏电检测系统设计

采用附加电源直流检测方法,对采煤机用变频器的原漏电检测系统进行改进,提出了一种基于ATMEGA16单片机的漏电检测系统的设计方法。经实际应用,该系统检测准确、可靠,满足了产品在实际中使用的需要。

矿用变频器无速度传感器矢量控制系统设计

针对传统煤矿电机工作效率低、控制精度差和成本高等问题,设计了一种矿用变频器无速度传感器矢量控制系统。该控制系统采用无速度传感器矢量控制算法实现电机变频器的控制,运用TI公司TMS320F28335型号的数字信号处理器作为系统的核心控制器。介绍了以功率单元、辅助电源和控制主电路组成的硬件电路,并对软件系统的架构和主中断程序进行了阐述。最后实验验证了该控制方案的可行性和有效性。

矿用变频器在应用中存在的问题及改进措施

首先对矿用变频器在使用过程中存在的问题进行了简要的叙述,例如电磁谐波对电网的影响、欠压停机以及电磁干扰等。然后详细阐述了造成这一系列问题的主要原因,并有针对性的提出了解决措施,如电网污染消除处理措施以及欠压停机处理措施、变频器发热处理方式等。希望能够对以上问题的解决起到较好的效果,让变频器的安全、高效运行得到进一步的保障,延长使用寿命。

浅谈矿用变频器发展趋势

分析了矿用变频器存在的主要问题:研发投入不足,价值挖掘不充分,对电网的污染严重及使用维护相对困难;从矿用变频器防爆技术、变频驱动技术和应用技术等方面阐述了矿用变频器的发展趋势:隔爆兼本质安全型仍是未来矿用变频器的主流防爆型式,矿用变频器的防爆工作将主要围绕壳体优化设计、壳体内部环境控制、散热技术革新等方面展开;矿用变频器未来研究的重点是中高压大功率变频器及新技术、新器件的应用,以及变频器的清洁利用与节能应用。

矿用变频器引起安全监控系统误断电问题的探讨

针对某煤矿的变频器工作时产生的电磁干扰引起井下工作面安全监控系统误断电现象的问题,分析了变频器对安全监控系统信号传输的干扰现象及产生的具体原因,提出了相应的处理方法,解决了矿用变频器对安全监控系统的影响问题。

矿用变频器辐射电磁干扰特性分析

为了研究矿用变频器运行状态下电磁辐射分布特性,基于以电压源型两电平变频器为核心的调速系统,在分析调速系统工作机理与干扰源的基础上,采用矩量法和天线理论相结合的方式,在电磁场仿真软件FEKO中搭建了变频器天线模型。通过模型仿真结果,分析了调速系统稳态下的干扰特性。研究结果表明:变频器外壳起到了很好的屏蔽作用,内部电磁干扰主要集中在逆变器与散热片之间;机壳背部散热片处场强较大,且0.5 m外场强均符合限值;远场辐射波瓣的方向与频率有关。通过实验平台验证了理论和模型的合理性。该研究对矿用变频调速系统的电磁干扰抑制具有参考价值。

一种矿用变频器滤波装置

矿用变频器与电动机通过长线电缆连接,脉宽调制(PWM)脉冲在传输过程中存在电压反射现象,从而引起电动机端产生尖峰电压,严重影响变频驱动系统的运行可靠性。目前,矿用隔爆变频器一般采用串联输出电抗器的方式来抑制尖峰电压,但抑制效果有限;而采用RC滤波装置和LRC滤波装置抑制尖峰电压的方法主要针对380,660 V变频器,不能满足煤矿井下1140 V变频器对尖峰电压的抑制要求。针对长线电缆远距离传输引起的尖峰现象,分析了实际应用中电动机负载、PWM上升时间及电缆长度对尖峰电压的影响:长线电缆终端反射系数对电动机负载的变化不敏感,在滤波参数的设计过程中可忽略电动机负载的影响;PWM上升时间越长,电缆长度越短,则电动机端尖峰电压越小。根据上述分析,结合电缆长度和装置功率损耗,提出了一种适用于煤矿井下1140 V变频器的LRC滤波装置设计方案,在PWM脉冲信号传入长线电缆之前,利用该LRC滤波装置延长PWM上升时间,达到抑制尖峰电压和高du/dt的目的。仿真和试验结果验证了该滤波装置的有效性。

浅谈矿用变频器的选择与使用维护

文章首先从交流电动机标称功率、电动机额定电流、电动机实际运行电流以及转矩过载能力等方面阐述了如何根据实际工程需要选择变频器的问题,然后介绍了变频器对电动机的要求,最后介绍了在变频器安装调试时应注意的问题。

矿用变频器性能测试系统设计

针对现有矿用变频器测试系统存在测试项目不全面、测试效率低、安全性差、转矩加载精度不高等问题,采用交流回馈加载技术,设计了一种由供电系统、加载试验台、测控系统组成的矿用变频器性能测试系统。供电系统为测控系统和加载试验台提供控制和动力电源;加载试验台采用共母线的变频加载方式,为被试变频器提供负载环境;测控系统实时监测系统的运行状态,通过测控主机对供电系统和加载试验台进行状态监测与集中控制。基于WinCC组态软件开发了包括监测监控模块、测试管理模块和安全管理模块的测试系统软件。监测监控模块用于实现项目信息管理,数据采集、处理、存储,并通过测控主机对设备进行控制;测试管理模块主要用于对测试项目、测试流程、测试方法等进行管理,可对变频器的漏电闭锁、瞬时断电保护、输出端短路保护、过载保护、断相保护、过欠压保护、轻载、牵引特性、温升等性能进行测试;安全管理模块从操作安全保护、设备安全保护、系统运行安全等方面保证了测试过程安全可控。提出了恒转矩加载控制算法,提高了转矩加载精度。测试结果表明,该系统测试精度高,在额定转矩范围内,转矩加载误差均小于1%;采用交流回馈加载方式,系统耗电率不超过30%;系统电磁兼容性能符合标准要求。

矿用变频器LRC滤波器寄生参数影响研究

LRC滤波器寄生参数易引起串并联自谐振,影响滤波器对矿用变频器长线传输系统中电动机端尖峰电压和电压变化率的抑制性能,甚至造成器件烧损,但目前缺少该方面的研究成果。建立了变频器长线传输系统数学模型,在分析LRC滤波器元件寄生效应的基础上,采用频域分析方法研究了寄生参数对LRC滤波器滤波性能的影响,得出结论:LRC滤波器中电阻寄生电感对滤波效果的影响最为突出,导致LRC滤波器滤波性能下降、变频器长线传输系统在阶跃响应过程中超调和震荡问题严重,其他寄生参数的影响微弱。对LRC滤波器电阻寄生电感对滤波性能及变频器长线传输系统动态特性的影响进行了仿真和实验研究,结果表明:LRC滤波器采用铝壳功率电阻时,电动机端电压波形出现失真,上升及下降过程中存在明显的震荡;采用厚膜功率无感电阻可消除因电阻寄生电感引起的系统超调、震荡现象,使LRC滤波器达到较理想的滤波效果。

基于电力电子变压器隔离变压的复合矿用变频器

目前矿用变频器与工频变压器分离放置,占用过多井下工作空间,且变频器输出电压谐波含量高、波形质量差。针对上述问题,分析了变压器工作频率与体积的理论关系,得出在传输功率相同的情况下,与工频变压器相比,高频变压器的尺寸更精简,体积更小,功率密度更高。用电力电子变压器(包含高频变压器的DC-DC变换器)取代常见拓扑中的中间滤波电容,提出了一种基于电力电子变压器隔离变压的复合矿用变频器拓扑结构,该拓扑中全控型开关器件IGBT的数量仅为全部功率器件数量的一半,变频器结构更紧凑、体积更小,且减少了开关损耗,降低了硬件复杂度和生产成本,提升了效率和可靠性。给出了该拓扑中三相整流输入级、中间隔离变压传输级和三相变频输出级的控制策略,采用120°坐标系下快速空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法控制输出级,以输出理想的可变频三相对称正弦交流电压。通过仿真和实验分析该变频器各级的稳态和动态特性,结果表明:该变频器可实现变频输出及电压等级的二次变换,输出调压范围更灵活;120°坐标系下快速SVPWM算法降低了输出电压谐波含量,输出的三相电压波形良好。

一种矿用变频器异步电动机参数离线辨识方法

在无速度传感器条件下,变频器调速性能与异步电动机参数密切相关,现有异步电动机参数离线辨识方法大多采用快速傅里叶变换等计算电流幅值和相位,存在频谱泄漏和栅栏效应,易导致测量误差。针对该问题,提出了一种将异步电动机等效电路作为负载的矿用变频器异步电动机参数离线辨识方法。采用稳态响应法辨识定子电阻,采用瞬态响应法辨识转子电阻和漏感;在此基础上,建立同步旋转坐标系下的电动机模型,在恒压频比空载运行状态下,对电流瞬时值进行旋转坐标变换,计算电流幅值和相位,进而辨识定转子互感和空载励磁电流,避免了频谱泄漏和栅栏效应。Matlab/Simulink仿真结果表明,转子电阻和漏感参数辨识结果与给定的电动机模型参数相符,验证了参数辨识方法的准确性。380 V/2.2 kW电动机参数辨识实验结果表明,变频器施加给电动机的电压信号得到了正确的电流响应,与仿真结果一致,且电动机参数辨识过程可重复性较好,辨识精度较高。搭建660 V/90 kW矿用变频器机芯,将辨识出的电动机参数用于矿用变频器矢量控制系统,实测结果表明,变频器能够在额定转矩下带载启动并持续稳定运行,电动机参数辨识结果可满足矿用变频器矢量控制要求。

矿用变频器IGBT尖峰电压抑制的协调优化方法

目前常用优化母排结构参数、改变栅极驱动电阻、设计吸收电路等方法抑制因杂散电感引起的矿用变频器中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)尖峰电压,但现有研究未揭示各方法之间的协调统一关系及协调优化准则。针对该问题,以BPJ5−630−1140型矿用四象限变频器为研究对象,在分析杂散电感对IGBT电−热性能影响的基础上,提出了IGBT尖峰电压抑制的协调优化方法:①分析母排结构参数、栅极驱动电阻对IGBT尖峰电压和功率损耗的影响,结果表明,随着交流母排长度增大、宽度减小,IGBT尖峰电压和功率损耗均增大;随着栅极驱动电阻增大,IGBT尖峰电压减小,功率损耗增大。②设计二极管钳位式吸收电路,通过试验验证了该电路可降低IGBT尖峰电压和功率损耗。③考虑到交流母排宽度对IGBT布局和散热性能无影响,选择栅极驱动电阻和交流母排长度为决策变量,采用BP神经网络−带精英策略的非支配排序遗传算法(BP−NSGAⅡ)实现IGBT尖峰电压、最高结温及散热器表面最高温度的多目标极值寻优。试验结果表明:在散热器表面最高温度为55~65℃、IGBT最高结温为74~80℃时,IGBT尖峰电压最小值为1861 V,相应的栅极驱动电阻为5Ω,交流母排长度为300 mm、宽度为200 mm;优化后BPJ5−630−1140型变频器IGBT尖峰电压为1856 V,较优化前的2856 V降低了35%,有效抑制了IGBT尖峰电压,提高了矿用变频器运行可靠性。

基于滑模变结构的矿用变频器矢量控制研究

为提高矿井提升机变频器调速系统的响应速度和控制精度,提出了一种基于滑模变结构的矿用变频器矢量控制策略。介绍了滑模变结构的基本原理和设计了滑模速度控制器。该控制策略在煤矿异步电机转子磁链定向矢量控制的基础上将滑模变结构控制器应用于矿井提升机的控制系统,在电机参数变化和负载扰动时都具有较好的鲁棒性。最后建立了仿真模型,验证了所提控制策略的可行性和有效性。