张兴国

（晋能控股煤业集团草垛沟煤业有限公司， 山西 大同 037102）

引言

矿用驱动电机变频器的应用，极大地提高了设备工作效率以及使用寿命，改善了电力系统的电能质量。实际上我国煤炭开采行业电量消耗巨大，而电能所占其生产成本的比例也比较大，因此迫切需要提高相关设备的效能。为了提高设备的运行效率以及可靠性，逐渐发展出来的驱动电机高压变频器，既可以减小启动电流，也可以增大启动转矩。

随着技术的进步，高压变频器控制系统发展出了矢量控制、直接扭矩控制等控制特性的变频器。变频器具有较好的稳态特性，解决了带式输送机、提升机等大型煤矿用电机驱动设备启动与停车冲击大等问题。高压变频器的应用具有以下优点：系统可靠性提高、噪声低、操作人员工作环境改善；减小冲击，机器运行平稳；对电流载荷要求降低，启动电流冲击小，不对电网造成较大影响；无极调速控制，方便操作，同时提高设备运行效率[1]。

1 矿用变频器研究现状

为了提高煤矿设备的工作效率，常采用提高设备运行速率的方法，但速度的增加使得设备对速度的控制更难。随着变频器技术的不断发展与应用，使得带式输送机、矿用提升机等设备的效率得到了极大提高，尤其是中高压超大容量变频器的出现，使矿用设备逐步向高速、重载、精准控制等方向发展。一般矿用变频器主要是指矿井、矿山所使用的变频器，常见的设备包括提升机、带式输送机、大型绞车等。

由于煤炭行业设备工作环境恶劣，粉尘污染严重，同时存在可燃性气体，因此对设备的防爆能力提出了更高的要求。变频器控制简单，易于维护，因此非常适用于煤矿开采环境。基于现有带式输送机上的异步驱动电机，设计一套变频控制器，以提高设备运行的效能，对于保障设备使用寿命具有重要意义[2]。

2 三相异步电机驱动模型

该带式输送机采用三相异步电动机驱动，首先需建立其数学模型，以研究提高带式输送机的调速性能。主要应用矢量控制技术，将驱动电机的转子、定子绕组中的电流等信息与电机电磁通量等驱动电机参数进行矢量变换。在异步电机变频控制的数学模型中，将其视为理想模型，需假定定子与转子结构均匀且对称，同时电机的气隙变化规律呈三角函变化分布、忽略电磁泄漏等。

如图1 所示，为三相异步电机的结构示意图，目前绕组式电机可一般包括两种，即绕组式和笼型式，根据其物理模型可构建电机参数之间的数学关系。其中A、B、C 分别表示电机三相静止电极；a、b、c 分别表示旋转的转子三个相；转子转速可以用ω 表示；θ 表示定子与转子各相之间的夹角，夹角的微小分量用dt表示，则有关系θ=∫ωdt；异步电机在A、B、C 三个定子电极坐标上的数学模型可表示为ui=Rsin+pψt，其中矩阵ui表示电机各项定子间的电压，in表示定子间的电流，矩阵ψt表示每相绕组的全磁链[3]。

图1 三相异步电机物理模型

3 三相异步电机矢量控制原理

3.1 驱动电机数学模型

异步电动机变频调速实际上是通过对电机转矩的调控，从而达到对电动机输出功率的控制。根据三相电机驱动模型，建立反映电机转矩的方程，从而建立起电机驱动运行系统方程。

式中：Tl为电动机负载端转矩；Te为电机电磁转矩，Te=CTIaIf，其中Ia为电动机定子各相绕组电流；If为电动机动子各相三绕组电流。n 为电动机的转速，r/min；GD2/375 为电机转动惯量系数。

根据上述关系可以确定电动机电流特性，是矢量控制的基础与前提[4]。

3.2 矢量坐标转换

矢量控制的前提是需要先将电动机的电动特性信号转换为数学矩阵的计算，矢量坐标系转换是实现异步电动机转矩等效转化为直流电机转矩矩阵的重要方法。本技术主要基于Clark 坐标变换，将电动机转子的三相电流表示在（α、β）的两相二维坐标系中，与之对应的可以将各相电流进行拆分，坐标转换的原则是iαβ=CiABC，其转换关系如图2 所示。

图2 三相坐标系转换

3.3 矢量控制

将与M-T 垂直的方向设定为平面旋转坐标系，首先将电动机的定子电流分解到M-T 方向，由于两者之间相互垂直可实现安全解耦，因此可实现像控制直流电动机那样控制异步电动机。与直流电机一样，T垂直于M 轴，如图3 所示，为定子磁场矢量控制原理[5]。

图3 定子电磁矢量控制原理

4 三电平高压变频器的结构设计

4.1 变频器的主电路结构

如图4 所示为三电平高压变频器主电路图，三电平变频器输出端可实现三种电压状态的输出，实现了对异步电动机的驱动控制。根据变频器电路图可知，其输入端是两个相对独立的三相流桥通过并联而形成12 脉冲整流电路。

图4 三电平高压变频器主电路

该三电平变频器结构简单，电路分布规整，可有效降低交流侧输入电流的谐波效应，变频器直流端设计了两个较大的电容，电路的逆变端则设置了逆变器，该逆变器基于三相二极管技术[6]。

变频器主电流侧的电压值表示为Udc，变频器可输出三种电压，变频器每个桥臂由两个IGBT 串联和两个续流二极管连接构成，变频器的结构设计具有以下优势：首先，串联的两个IGBT 可有效提升电路的抗冲击能力、降低电动机的功耗；其次，输出由两电平变为三电平，由此可使电压变化减小和电流脉动减小，极大缩短电机调控的响应速率。

4.2 变频器的工作原理

变频器电流方向规定为从逆变器流向驱动电机的方向为正方向，系统中电气设备、开关视为理想型设备，不考虑设备对电机电磁通量的影响。三电平变频器在实际工作中需要注意设备在状态切换时可能存在一定的时间间隔，变频器设计时应将该时间间隔纳入考虑。如此结构设计可以有效防止一个开关还未完全闭合的情况下将另外的开关打开，而导致一些电路设备上电压过高而产生的损坏。

如图5 所示为变频器内部A 相处于“I”状态时开关的内部结构原理图，当1、2 号开关处于接通状态，同时3、4 号开关处于闭合状态时，电路此时对电容C1 进行充电。同理当A 相处于“0”状态时，2、3 号开关处于结合状态，1、4 号开关断开，根据电流方向的不同，实现对不同电容的充电，若电流是正向的，则C1 处于充电状态；若电流为负的，则实现对电容C2的充电。

图5 变频器工作原理

5 实际应用效果分析

后期对该结构的高压变频器进行了仿真计算分析与实验测试，得到的结果均显示基于该矢量控制计算的三电平变频器可有效降低设备开关频率，降低电机输出端电波畸变特性，因此有效降低了谐波的产生，提高了设备的抗干扰能力，提高了电动机的功率因数，提高了设备的抗过载能力。由此说明该结构的高压变频器达到设计目标，对实际变频器结构设计具有重要参考与借鉴意义。

6 结语

研究提高矿用电机的启动特性、抗干扰能力对保障煤矿的生产具有重要意义，以现有矿用多电机带式输送机驱动控制为研究对象。对高压变频器发展现状与趋势，三相异步电机驱动的数学模型与矢量控制技术，变频器的结构设计，其中主要是高压变频器主电路的结构设计进行分析。设计并搭建高压变频器，经后期的仿真分析与实验测试，结果均显示高压变频器达到设计要求，可为后续高压变频器结构设计提供重要参考，对提高保障设备的使用寿命具有重要意义。