TMEIC MVe2系列变频器在矿用绞车上的应用

• 关键词：三电平功率单元,四象限变频器,绞车
• 作者：曹永刚 邵贤强 李海涛
• 摘要：绞车使用国产的单元串联多电平四象限变频器调速，在国内已经有近10年的应用历史，但是这些变频器均使用了两电平H桥逆变输出的功率单元，TMEIC公司2014年推向中国市场的MVe2系列四象限变频器，采用了三电平输出的功率单元，减少了单元数量，减少了故障点数量，大大提高了可靠性。

1.概述

山西潞安集团公司古城矿桃园立井，位于山西长治市屯留县境内，2014年10月份，对原凿井时的3.5m绞车改造为4.0m双滚筒缠绕式绞车。改造后的系统参数如表一所示：

表一现场系统参数

古城矿井深652.5m，矿井设计年生产能力为800万吨/年，采用双层罐笼提升，一个罐笼宽度为1.8米，另外一个宽度为1.6m。

现场配套使用了TMdrive-MVe2-2720kVA-6kV/6kV四象限变频器。该变频器为TMEIC的MVG2新一代升级产品，是使用三电平功率单元的四象限变频器。

2.国内主流的变频器和MVe2变频器的产品介绍和对比        

2.1国内主流的变频器产品

目前在国内市场上应用较多的用于绞车的国产单元串联多电平变频器的功率单元多是两电平H桥逆变结构，采用有速度传感器的矢量控制或者采用改良V/f控制的方式，国内采用V/f控制占主流，功率单元采用IGBT的AFE的方式实现四象限运行，电网侧的整流控制在功率单元内的控制电路上实现，造成单元整流侧的保护不完善，使得功率单元对电网电压的波动十分敏感；功率单元的逆变由变频器主控系统统一控制，逆变侧的保护功能比较完善。功率单元的拓扑图如图一所示：

图一 H桥逆变功率单元拓扑结构图

国内使用比较多的变频器使用的电容多为400V85℃的铝电解电容，均为三组电容串联，采用电阻均压的方式，电解电容对电压波动比较敏感，在电能大量从电机灌回变频器时，经常因为AFE前端来不及将大量的能量回馈到电网而导致功率单元直流母线电压升高，造成铝电解电容过压损坏。受到电解电容耐温和IGBT过热保护的影响，一般单元过温保护阀值为80℃~85℃。铝电解电容为湿式电容，长时间不用，铝箔会发生钝化，所以长时间放置的内置铝电解电容的变频器或者功率单元，在使用前需要激活，如果没有激活过程而直接使用，变频器或者功率单元损坏的几率非常大。两电平H桥逆变的切换过程如图二所示：

图二 两电平H桥逆变的切换过程

两电平H桥逆变，在输出端产生SPWM波形，两电平H桥逆变输出的波形示意图如图三所示：

图三 H桥SPWM逆变输出波形

国产四象限高压变频器的功率单元输入侧均配有电容和电抗器组成的滤波器，用来滤除IGBT的AFE SPWM整流产生的电压和电流谐波。因为功率单元需要检测输入侧的电压和电流作为AFE控制的信号，所以滤波器是必须的，这样不但增加了系统的复杂性，同时也给输入侧功率因数带来影响，在变频器空载时，电网侧的功率因数为超前的，空载无功电流比较大，在变频器重载时，变频器的功率因数是滞后的，一般在20%负载以上变频器的电网侧功率因数为0.95以上，电网侧功率因数随负载波动而变化，不能完全由功率单元控制。滤波器的拓扑结构如图四所示：

图四 电容和电抗器组成的滤波器

采用H桥逆变的6kV变频器由一台隔离移相降压变压器，15组或18组电容和电抗器组成的滤波器，15组或18组功率单元组成。一般变压器一次绕组为Y型接法，二次绕组采用延边三角形接法，这种接法，可以使功率单元整流产生的谐波大部分在变压器内部相互抵消掉，减小变频器电网侧谐波含量，同时，这种延边三角形的接法，也在变压器内部增加了很多的接头，一般每个功率单元需要变压器内部增加三个接头，18个功率单元的变频器，变压器内部需要增加48个接头，降低了变压器的可靠性。6kV15个功率单元输出的H桥逆变的变频器拓扑图如图五所示：

图五 6kV输出的H桥逆变的变频器拓扑结构

2.2TMEIC MVe2变频器^[1][2]

TMEIC公司的TMdrive-MVe2变频器，采用的是三电平结构的功率单元，采用单相输入单相输出方式，功率单元采用指月的自愈式金属薄膜电容，金属薄膜电容耐压高，耐过压能力强，一般1.7倍额定电压不会损坏，特别适合急加速急减速的负载。自愈式金属薄膜电容寿命非常长，在20年的变频器使用寿命周期内，不需要更换功率单元内部的电容，并且自愈式金属薄膜电容没有钝化现象，长期放置不会导致电容性能指标变差。功率单元的拓扑图如图六所示：

图六 TMEIC三电平功率单元拓扑图

TMEIC三电平单元逆变输出的切换过程如图七所示：

图七三电平切换过程

三电平输出的波形示意图如图八所示，通过和H桥SPWM逆变输出的波形图对比，可以看出，三电平输出的波形，相当于两个H桥SPWM逆变输出的波形的叠加。

图八 三电平输出的波形

6kV的MVe2变频器由一台隔离降压变压器，9组功率单元组成，一次回路非常简洁，隔离变压一次侧采用Y型接法，二次侧采用开环△接法。功率单元的整流和逆变全部由变频器的控制系统统一控制，变频器功率单元的整流侧保护和逆变侧保护均非常完善，单元的稳定性和可靠性均非常高。控制系统控制功率单元三电平SPWM整流，电网侧功率因数由功率单元功率因数决定，功率单元整流侧的功率因数恒为1.0，这使得变频器的输入侧功率因数恒定为1.0，变频器几乎没有无功电流。MVe2三电平功率单元逆变6kV变频器的拓扑图如图九所示：

图九 MVe2变频器一次拓扑结构

2.3预充电

由于IGBT整流的特性，需要有高压上电预充电电路，用以抑制电容器上电瞬间的瞬态冲击电流，减少冲击电流对IGBT的损害，通常的预充电有以下三种形式：

（1）功率单元内置低压预充电电阻预充电：充电电阻在单元内部，减小整个变频器的体积，但是由于每个单元都需要内置预充电回路，功率单元内部主回路变得的更复杂。国产高压变频器的某些厂商的小功率产品，采用这种预充电方式。

（2）变频器高压输入侧高压电阻预充电：在高压输入侧，变压器上口采用高压电阻限制高压上电的冲击电流，预充电完成采用高压接触器或者断路器将电阻短路。这种充电回路简单，但是电阻体积庞大，增大的变频器的体积。国产高压变频器的主流大功率产品，均采用这种方式。

（3）变频器高压输入侧高压电抗器预充电：在高压输入侧，变压器上口采用高压电抗器限制高压上电的冲击电流，预充电电完成采用高压接触器或者断路器将电抗器短路。这种充电回路简答可靠，体积比电阻预充电回路体积小。MVe2使用这种体积小，可靠性高的方式。

2.4铝电解电容和自愈式金属薄膜电容的对比^[3]

铝电解电容和自愈式金属膜电容对比表，见表二：

表二：铝电解电容和自愈式金属膜电容的对比

2.5国内主流产品和MVe2的对比

选取国内主流厂商的绞车用6kV适配1600kW电机的变频器产品做对比，见表三：

表三：国产主流四象限高压变频器和MVe2的比较

从上表的对比可以看出，MVe2产品设计理念先进，采用优质的元器件，具有优异的性能。适合提升机负载调速使用。

3.实际使用情况^[4]

潞安集团古城矿的变频器是2014年10月份安装调试的，从轻载调试，到重载调试，变频器运行稳定可靠，图十是重载提升速度图，包含给定的速度，反馈的速度，电机转矩电流和电机电流，从图中可以看出，变频器控制特性优异，电机加减速曲线非常平滑，低速运行时无速度波动，变频器低速特性非常优异。电机电流在启动瞬间最大，但不超过额定电流的110%时，转矩就能满足重载提升的需求，表明MVe2矢量控制算法非常完善。

图十重载提升的速度图

图十一是提升机变频器重载下放的速度图。在重载下放过程中，电机转矩由电动状态转换为制动状态，停机时，达到最大制动转矩。重载下放过程中，电机电流小于额定电流的110%就能满足电机转矩需求。

图十一 提升机变频器重载下放的速度图

图十二是MVe2变频器使用的矢量控制框图，通过框图看也看出，TMdrive-MVe2变频器可以使用无速度传感器和有速度传感器两种控制方式，为了获得更好的低速特性，在古城矿提升机项目中，使用的是有速度传感器的矢量控制方式。

图十二 矢量控制原理框图

图十三是用户现场的提升机及变频器。变频器布置在独立的房间内，通过空调保持室内温度，为变频器提供清洁的使用环境。大大提高了变频器的稳定性。

图十三现场的提升机及变频器

4.总结

MVe2变频器采用先进的控制技术，使用专用的PP7EX2控制芯片，把功率单元的整流侧和逆变侧全部控制起来，使得变频器的系统控制非常统一，保护非常完善，内部没有CL滤波器，接线简单，减少了变频系统的故障点，提高了变频器整机在我国矿山行业电网的环境条件下的稳定性和可靠性。减少了用户维护设备的工作量。

潞安集团古城矿井提升机四象限MVe2变频器投运至今，一直运行稳定可靠。MVe2变频器具有完善的保护，优异的性能和优秀的品质，给矿井提升机用户提供了一款性价比非常高的产品。

参考文献：

[1]东芝三菱电机工业系统（中国）有限公司. 《节能中压变频器TMdrive-MVe2系列》选型手册[R]，2014.

[2]东芝三菱电机工业系统（中国）有限公司，《J2CB0205rA.PDF》，2011

[3]http://www.avx.com/chinese/FilmTech%20Replace%20Electrolytic%20Tech.pdf，《替代电解电容的膜电容技术》，Gilles Terzulli，TPC, divisionof AVX Corporation。

[4]孙艳棚，东芝三菱电机工业系统（中国）有限公司，《TMEIC中压变频器调试报告》，2014

作者简介：

曹永刚（1975—），男，东芝三菱电机工业系统（中国）有限公司矿业事业部高级技术支持工程师，负责矿山变频器的技术研究和推广。

邵贤强，男，东芝三菱电机工业系统（中国）有限公司矿业事业部总经理，负责矿山变频器的技术研究、市场推广和销售管理。

李海涛（1978—），男，东芝三菱电机工业系统（中国）有限公司矿业事业部销售经理，负责矿山变频器的技术研究、市场推广和销售。