煤矿井下变频器滤波装置的优化研究

煤矿井下变频器滤波装置的优化研究

肖磊

山东能源新汶矿业集团孙村煤矿机电队

摘要：随着煤矿综采装备技术水平的提高，井下多类型驱动电机均采用变频驱动，对供电系统的供电稳定性提出了更高的要求，高压变压器在对电压进行变压的过程中会产生不稳定电压，而且由于供电距离不同，导致实际传输到变频电机处的电流存在一定波动，导致变频驱动电机在运行过程中由于电流存在杂波信号而产生异常运行噪声。目前多数生产企业均在变频器的输出端增加了滤波装置，用于降低变频器输出变频电流内的杂波，但这些滤波装置主要采用RL滤波器，普遍存在工作效率低、滤波性能差、可靠性不足的缺陷，无法满足井下变频驱动电机平稳运行的工作需求。

关键词：煤矿井下；变频器；滤波装置；优化策略

本文分析了变频器滤波装置的滤波原理和总体结构，并通过仿真分析和实际验证，分析了变频器的实际运行效果。结果表明，新型变频器滤波装置具有较高的工作稳定性，能有效消除电源电压中的电压尖峰，解决驱动电机运行中的异常噪声，提高变频驱动电机的运行稳定性。

1变频器的工作原理

所有变频器的工作原理基本相同。其主要原理是三相交流电经桥式整流变为直流电，通过限流电阻给电容充电饱和时，接触器吸合，电阻被短接，然后直接充电到变频器的额定电压。变频器的CPU当接到启动信号时，发出触发信号，使驱动电路工作触发IGBT，将直流电压变成频率可调的三相交流电，驱动电机。

2异常现象分析

对变频驱动电机的运行异常情况进行分析发现，其典型的运行异常表现为驱动电机在运行过程中变频器的功率元件故障报警率高，而且电机在运行过程中出现显著的“尖叫”和运行抖动情况，现场对驱动电机的布置情况进行调查，驱动电机的额定电压为1140kV，运行时的额定功率为400kW，控制电机运行的变频器距离电机的长度为0.5km。通过对其运行异常现象的分析，异常原因主要包括以下几个方面:

1）变频器自身结构影响：变频器的逆变器采用了二极管钳位式三电平拓扑结构，而变频器的功率元件运行时的开关频率明显超过了系统的基波频率，因此导致了变频器输出的变频电流中含有幅值和频率尖锐的谐波，这些谐波进入变频电机后，造成电机转子运行时的电动势能增加，使得电机内的磁场产生涡流，进一步产生了大量的附加转矩，使电机运行时产生振动和噪声，影响运行稳定性。

2）供电距离影响：电流在电缆内传输时会产生谐波电流，而且传输的距离越远，谐波电流在电缆内的叠加就越严重，导致到达变频电机处的电流为多次叠加后的紊乱电流，影响电机的运行稳定性。

3变频器滤波装置设计

结合对供电系统中异常现象的分析，为了有效地滤除系统中的不稳定电流和谐波，提出了一种新型的变频滤波装置，重点对变频滤波装置中的功率器件进行了优化。由于功率器件中的电压变化率很大，如果不经处理直接将峰值电压加载到电机上，很容易对电机绝缘系统造成损坏。因此，在其输出端添加了一个低通滤波器。

当两个电源设备接通时，电流将进入电容器CF，电容器开始充电。同时，系统中的所有电压都加载到系统电感LF上。在这种情况下，系统中变频电机lload的驱动电压由系统中的LF和CF共同决定，具有更好的稳定性和更强的调节能力。

为了解决不同电缆长度对供电稳定性的影响，系统采用了根据电缆长度准确设置变频器滤波装置参数、一机一配的原则，以满足精确控制的需要。结合井下供电系统的实际情况，主要采用中性点接地的控制方式。因此，为了满足精确调控的需要。

由于作用在下变频电机上的驱动电压由系统中的LF和CF共同确定，因此在设置滤波器的工作参数时确定LF和CF的参数。电抗器参数的选择主要采用系统压降法，可根据满足驱动电机最大工作要求的电抗器工作电流进行设置。滤波装置电容器工作参数的选择主要取决于变频器逆变单元截止频率的计算公式，其设定值一般为总电容的30%。

4仿真分析与验证

为了分析变频滤波装置的实际应用效果，利用仿真分析软件建立了井下变频电源滤波装置的仿真电路，输入了井下驱动电机运行时的实际输入电压和电路参数，研究了输出电压波形。

仿真结果表明，采用新型滤波装置后，输出电压波形稳定，谐波引起的电压尖峰得到有效消除，提高了电源的稳定性。

5应用效果

为了进一步提高井下应用效果，对变频器进行了改进，增加了滤波装置。为了满足井下复杂防爆工作环境的要求，对过滤装置的外壳进行了优化。反应器上侧加装排气装置或采用内循环水冷反应器，防爆壳体后侧加装水冷装置，加快过滤装置散热，提高应用可靠性。

变频器与驱动电机的距离设定为0.6km，变频器工作电压1140V，额定输出功率500kW，驱动电机额定电压1140V，额定工作功率400kW。在正常工作过程中，使用旧的过滤装置和新的过滤装置。

从实际验证结果可以看出，采用传统的滤波装置方案，输出电压和电流中存在明显的谐波，但采用新的滤波装置后，输出电压和电流中的谐波基本消失，消除了电机运行过程中电流和电压波动引起的异常噪声，可显著提高变频电机的运行稳定性和可靠性。

6变频器技术发展趋势

随着科技的进步，微机控制和人工智能技术大量的应用到生产中，因此未来变频器的技术必然会向微机自动控制和人工智能方向发展，具体发展方向如下：采用微机编码功能实现多元化的功能设置，如：整流和逆变启动、频率设置、运行方式切换、加减速时间设置、转矩设置、制动方式选择等。利用微机计算确定整流、逆变开关元件的开通和关断时间，使逆变器按输出标准的正弦波电压。

通过外部传感器、内部接口电路、微机计算机形成闭环的调速控制系统，可实现根据压力、流量等外部物理量的变化进行自动转速调节，结合变频器自身完善的保护功能，从而形成完整的闭环自动控制系统。

变频器向智能化发展，利用人工智能技术实现在线自诊断和人机对话，构建故障诊断系统，建立强大的数据库，对每一种故障现象进行存储和分析比对，达到快速准确诊断故障的目的，而且能在故障发生前提前预测发生故障的可能性，针对性的进行预防性维修。同时还可以建立变频器全寿命周期模型，根据变频器的不同使用阶段自动提醒应该采取的维护措施。另外还可以建立变频器的远程维护专用软件，与手机进行绑定，通过手机随时观察变频器的各项运行参数。

结论

变频器的功率元件运行时的开关频率超过系统的基波频率及谐波电流在电缆内的叠加是导致变频电机出现运行不稳定的主要原因。新的变频器滤波装置，重点对变频器滤波装置内的功率器件进行优化，在输出端增加低通滤波器，提升系统工作稳定性和可靠性。为了解决不同电缆长度对供电稳定性的影响，采用了按电缆长度精确设置变频器滤波装置参数的原则，一机一匹配，满足精确控制的需求。采用新的滤波装置后，输出电压和电流上的谐波基本消失，能够显著地提升变频电机的运行稳定性和可靠性。

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