中压防爆变频器设计与研究

田云泉 李艳玲 朱彦丽

(山西汾西机电有限公司，山西 太原030027)

0 引言

针对我国煤机装备制造业发展现状，根据《国家经济和社会发展第十二个五年规划纲要》和《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》精神，为了加快智能制造装备的创新发展和产业化、推动煤机装备制造业转型升级、公司提出并组织中高压变频调速控制系统、智能监测与诊断的研究；公司多年从事变频器的研究、开发与生产并具有开发大功率变频器的实力，对此领导积极要求变频器研发部和工程部针对刮板输送机专用变频器要求作出相应科学方案，力争把这个项目做成精品，力争达到国际先进水平。

1 产品组成

本解决方案提出了应用于刮板输送机专用变频器解决方案，整个变频器包括负责整流部分、逆变部分、卸荷电路部分、输出滤波部分、水冷系统及控制部分组成。主回路单元的核心部分是DFE整流单元和逆变单元，还包括隔离开关、预充电电路、输入电抗器、支撑电容组、放电电路、输出滤波器等。控制系统包括PLC控制器、操作面板及显示屏、功率处理单元、光纤耦合单元以及辅助控制电路。变频器系统构成如图1所示：

图1 变频器系统构成

2 电气设计方案

2.1 主电路方案

2.1.1 主电路拓扑

主电路方案如图2所示，整流器单元采用的是DFE二极管12脉波拓扑结构，逆变单元采用的是三电平NPC拓扑结构。

图2 主电路方案

2.1.2整流单元

整流单元主要包括输入接线端子、12脉波二极管整流电路以及输入电流传感器。输入电流传感器用以保护整个输入电路，控制系统根据输入电流传感器的采样数据对上游电路的输入断路器进行分励及合闸动作。

2.1.3 逆变单元

逆变单元主要由三相功率模块组成，如图3所示，每一相的功率模块由四个IGBT模块、两个钳位二极管以及相应的门级驱动电路和吸收电容组成，上述部件通过叠层母排互相连接。逆变单元利用脉宽调制模式（PWM）形成IGBT的触发波形，具体调制模式采用了空间矢量调制模式（SVPWM）。除功率模块之外，逆变单元还包括三相输出电流传感器。

图3 功率模块方案

2.1.4 直流母线

直流母线包括直流支撑电容、电压传感器以及放电电路，变频器停止运行后在5分钟内将直流母线的电压泄放到安全范围内。

2.1.5 卸荷电路

变频器根据具体应用需要配置卸荷电路，卸荷电路可以在电机制动或者系统失电等工况下平抑直流母线的电压波动。

2.1.6 输出滤波单元

输出滤波单元为LC滤波器加上相应的阻尼电路构成，输出滤波单元将平抑变频器输出的dV/dt，以及由于dV/dt造成的电缆波反射过冲电压。如果变频器电缆到负载电机的距离超过1000米，为了抑制由于器件开关在电缆波反射过程中所造成的过冲电压，输出滤波单元将考虑采用正弦滤波器。

2.2 控制系统方案

2.2.1 控制系统软件设计

变频器控制软件包括：主控制器软件、PLC软件、和OP面板软件。

主控制器软件主要任务是对来自远程和现地的控制指令进行处理；更新系统控制参数设置；完成变频器状态量的采样，完成变频器整流单元和逆变单元的控制算法；完成PWM控制信号的输出；完成变频器内部的各种保护功能；

PLC软件主要对变频器的各种I/O信号进行逻辑控制，完成内部温度等信号的采样，完成与外部控制分站的通讯。

OP面板软件主要是对变频器的各种操作状态、运行参数进行显示。PLC软件主流程图如图4所示。

2.2.3 控制系统拓扑及组成

变频器的控制系统拓扑结构如图5所示，整个控制系统包括PLC、电力接口电路、光电耦合单元、各类输入输出端子、Profibus端子以及显示屏等用户界面模块。

电力接口电路产生驱动逆变器单元IGBT的脉宽调制PWM信号。光电耦合单元将逆变器功率单元的PWM脉冲信号转换为光纤信号进行传输，以保证PWM信号的抗干扰能力。PLC同时利用Profibus端子与用户系统进行通信，获得并且反馈控制和应用参数。

2.2.4 控制算法

整个系统的算法基于矢量控制算法。如图6所示，整个控制系统由两个控制环组成，外环负责根据编码器的速度反馈信号完成电机转速的控制，并且输出电机转矩参考值；内环负责根据电机转矩参考值和转矩观测器的输出完成电机转矩的控制，以达到调速的目的。电机控制算法可以根据用户需求采用矢量控制方法或者简单压频比控制。

图6 控制算法结构

3 结构设计方案

变频器外壳设计如图7：

图7 整体结构

4 结束语

随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，促进了电气传动的技术革命。交流调速取代直流调速，计算机数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。交流电机 变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高效率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被公认为最有发展前途的调速方式。变频器和交流电机组成的交流调速系统具有更宽的允许电压波动范围、更小的体积、更强的通讯能力，更优良的调速性能，在煤矿企业中得到了广泛的应用变频器并趋于大功率，大型化发展。所以本文主要介绍了中压防爆变频器的设计研究。

［1］周明宝.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社.

［2］陈坚.电力电子学-电力电子变换和控制技术[M].北京：高等教育出版社.

［3］王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社.

［4］孟朔.适用于变频调速系统的异步电机设计与分析方法的研究[D].清华大学.

［5］吕汀，石红梅，编.变频技术原理与应用[M].北京：机械工业出版社.

［6］王廷才，主编.变频器原理及应用[M].北京：机械工业出版社.

［7］何超，主编.交流变频调速技术[M].北京：北京航空航天大学出版社.