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矿用变频器IGBT尖峰电压抑制的协调优化方法

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工矿自动化 2022年第12期48卷 129-136,143页

作者：王越史晗荣相蒋德智中煤科工集团常州研究院有限公司江苏常州213015 天地(常州)自动化股份有限公司江苏常州213015

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... 详细信息

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。

关键词：矿用变频器绝缘栅双极型晶体管尖峰电压抑制栅极驱动电阻二极管钳位式吸收电路 BP神经网络−带精英策略的非支配排序遗传算法

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矿用变频器电磁兼容传导干扰测试研究与分析

矿业研究与开发 2022年第11期42卷 195-199页

作者：刘碧芋翟守忠长沙矿山研究院有限责任公司湖南长沙410012

电气智能设备能提高矿山开采效率,被大量应用到矿山开采之中,但其产生的电磁干扰对矿山生产带来了很大的安全隐患。基于已有的电气传动试验系统,搭建了电磁兼容传导干扰测试实验平台,对4组矿用变频器开展了传导干扰实验测试,研究矿用变... 详细信息

电气智能设备能提高矿山开采效率,被大量应用到矿山开采之中,但其产生的电磁干扰对矿山生产带来了很大的安全隐患。基于已有的电气传动试验系统,搭建了电磁兼容传导干扰测试实验平台,对4组矿用变频器开展了传导干扰实验测试,研究矿用变频器产生传导干扰的特征以及分布规律。研究结果表明,所测传导电磁干扰均存在波峰,且在0.4 MHz频率附近占主导地位;所测变频器的传导干扰均低于限值,满足电磁兼容测试要求。该方法对矿用变频器电磁兼容测试以及整改具有指导意义。

关键词：矿用变频器传导干扰电磁兼容电气智能设备

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矿用变频器电磁辐射干扰特性与抑制措施研究

矿用变频器电磁辐射干扰特性与抑制措施研究

作者：隋龙鹏北京交通大学

学位级别：硕士

我国正在加速实现智慧煤矿的总体目标,煤矿系统智能化水平提升对井下电磁环境有了更高的要求。变频器由于高效节能的特点,在煤矿井下掘进机、通风机、输送机等得到广泛使用。但因为井下空间狭小,各设备摆放紧密,变频器会对周围的监测、... 详细信息

我国正在加速实现智慧煤矿的总体目标,煤矿系统智能化水平提升对井下电磁环境有了更高的要求。变频器由于高效节能的特点,在煤矿井下掘进机、通风机、输送机等得到广泛使用。但因为井下空间狭小,各设备摆放紧密,变频器会对周围的监测、传感等设备造成严重的电磁辐射干扰,使其无法正常工作。基于此,本文以ACS-510变频器为研究对象,建立电磁辐射天线模型并分析其频域下的近场和远场骚扰特征,通过仿真与实验的对比验证了该模型的有效性,最终提出电磁干扰抑制措施。全文主要内容如下:本文首先对井下电磁辐射骚扰以及干扰抑制方法展开调研,明确本文的重点在于变频器电磁辐射干扰及抑制措施的研究,阐述了变频器的电路结构和变频调速原理,分析煤矿井下电磁辐射干扰机理并确定变频器的主要干扰源为开关过程产生极高电压电流变化率的IGBT器件,确立本文采用矩量法和天线模型理论对变频器电磁辐射问题进行分析。为研究变频器内部IGBT器件的电磁辐射特性,首先通过仿真得到IGBT开关过程的时域电压波形及其频谱图,并对IGBT模块进行精细化建模,仿真得到IGBT模块近场辐射骚扰特性和远场辐射方向特性。根据搭建的IGBT模型,建立了变频器天线模型,仿真得到典型频点下变频器内部、外部散热孔周围等多个位置的电场分布以及远场的电场辐射方向,总结得出变频器电磁辐射干扰规律,为后续抑制措施地提出指明方向。通过仿真获取了变频器输入线缆和输出线缆等位置在0.1MHz～40MHz的辐射干扰频谱图,并与实验测量结果进行对比发现二者辐射场强范围基本一致,从而验证了变频器天线模型的有效性。为抑制变频器产生的电磁辐射干扰,首先探究了不同散热孔形状的机壳对电磁辐射干扰的影响,在仿真确定传统的矩形散热孔、3×12矩形散热孔阵、圆形散热孔散热效果一致的前提下,根据三种散热孔机壳外空间的辐射电场强度计算其电场屏蔽效能,最终发现圆形散热孔机壳的屏蔽效果最优。其次,提出以场路耦合原理计算变频器空间电磁辐射对不同类型线缆干扰的方法,对比线芯中感应电压和感应电流大小,证明了屏蔽层、芯线对绞均能抑制电磁辐射干扰,且施加屏蔽层的抑制效果要更优,这为抑制变频器的辐射干扰设计优化提供了参考。

关键词：矿用变频器矩量法 IGBT 辐射干扰干扰抑制

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基于一体化模型的矿用变频器散热性能分析

工矿自动化 2023年第2期49卷 115-124页

作者：王越史晗荣相蒋德智中煤科工集团常州研究院有限公司江苏常州213015 天地(常州)自动化股份有限公司江苏常州213015

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... 详细信息

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。

关键词：矿用变频器一体化模型散热性能温度场特性功率器件

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基于频域分析的矿用变频器电磁骚扰特征研究

基于频域分析的矿用变频器电磁骚扰特征研究

作者：贾肖倩北京交通大学

学位级别：硕士

近些年来,随着煤矿装备科技水平的不断提升,井下的电气设备趋于多元化。其中,变频器因其节能、高效和智能化的特点在井下大功率通风机、采煤机、掘进机、输送机、提升机等机电设备中得到了大量应用。然而,矿用变频器在工作时会产生大量... 详细信息

近些年来,随着煤矿装备科技水平的不断提升,井下的电气设备趋于多元化。其中,变频器因其节能、高效和智能化的特点在井下大功率通风机、采煤机、掘进机、输送机、提升机等机电设备中得到了大量应用。然而,矿用变频器在工作时会产生大量的电磁骚扰,并且产生的骚扰频谱较广,可能会造成安全监控系统、传感器等周围电气设备的不正常工作,带来的电磁问题比较复杂。因此,研究矿用变频器频域内的电磁骚扰特征具有重要的意义。本文以一种典型的ZJT系列矿用隔爆兼本质安全型交流变频器为研究对象,针对其频域内的电磁骚扰特征进行研究。首先,分析矿用变频器的工作原理、基本电路结构与特殊型结构;根据矿用变频器的电路结构明确其主要的电磁骚扰源为逆变电路中的IGBT器件,分析得到IGBT开断瞬间产生的高du/dt和di/dt能够引发大量的电磁骚扰;针对传导、辐射两种耦合路径,本文选择对辐射电磁骚扰进行研究。其次,研究矿用变频器的主要电磁骚扰源即IGBT的电磁骚扰特征,并探究散热器对IGBT电磁骚扰特征的影响。使用基于有限积分理论的电磁场仿真软件搭建单个IGBT模块、IGBT与散热器组合体的仿真模型;通过施加变化的激励源波形模拟IGBT开断过程的变化,采用求解器进行求解,得到模型中心正上方100mm处的电磁骚扰时频仿真结果,仿真结果同时对所建立的模型进行了验证;通过比较上述两个模型的骚扰时频结果,得出散热器对IGBT电场骚扰及磁场骚扰特征的影响。然后,针对整个矿用变频器进行建模与仿真,得到0-200MHz频域内矿用变频器内部、输入输出端、近场切平面及远场的电磁骚扰特征,并结合现场实测数据进行分析。仿真计算得到变频器内部电磁骚扰幅值随频率的变化情况,比较变频器输入端与输出端的电磁骚扰强度,研究变频器近场位置的电磁骚扰幅值随距离变化的趋势;仿真计算得到变频器四周0.6m处近场切平面的最大骚扰幅值,提出需重视输出端的电磁骚扰;观察远场仿真云图中典型频点电磁骚扰的幅值与方向随频率变化的结果;描述矿用变频器的测试方案,基于Matlab软件导出频谱图,再与实测数据分析结果对比以验证矿用变频器建模与仿真的正确性。最后,对实测电磁骚扰数据进行特征参数分析与统计分析。针对每组骚扰数据分析特征参数并进行汇总;通过W检验方法进行正态性检验以验证数据的可用性,并运用贝塞尔统计和80%/80%准则进行统计分析,所得结果对制定矿用变频器周围设备或系统的抗扰度试验标准具有一定的指导意义。

关键词：频域矿用变频器电磁骚扰 IGBT 特征分析

矿用变频器起动时前级馈电开关漏电保护动作原因的分析

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电子世界 2022年第2期 43-44,47页

作者：张少杰中煤科工集团重庆研究院有限公司

近两年来,很多客户咨询负载电网中未出现漏电现象,但矿用变频器起动时,前级馈电开关漏电保护动作的原因。本文依据与多个馈电开关生产商和变频器生产商的讨论以及查询相关文献资料分析了矿用变频器起动时前级馈电开关漏电保护动作原因,... 详细信息

近两年来,很多客户咨询负载电网中未出现漏电现象,但矿用变频器起动时,前级馈电开关漏电保护动作的原因。本文依据与多个馈电开关生产商和变频器生产商的讨论以及查询相关文献资料分析了矿用变频器起动时前级馈电开关漏电保护动作原因,并提出了相应的解决措施。

关键词：矿用变频器动作原因漏电现象馈电开关漏电保护文献资料分析起动生产商

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矿用变频器远距离驱动滤波装置设计

内蒙古煤炭经济 2022年第8期 7-9页

作者：王越王超凡连超吴琦中煤科工集团常州研究院有限公司江苏常州213015 天地〔常州〕自动化股份有限公司江苏常州213015

矿用变频器的脉宽调制(Pulse width modulation,PWM)信号在远距离传输过程中,存在电压反射现象,电动机端产生较高的尖峰电压,加速了电动机的绝缘老化,降低了系统整体可靠性。本文利用ANSYS/Q3D提取电缆分布参数,在此基础上针对高压远距... 详细信息

矿用变频器的脉宽调制(Pulse width modulation,PWM)信号在远距离传输过程中,存在电压反射现象,电动机端产生较高的尖峰电压,加速了电动机的绝缘老化,降低了系统整体可靠性。本文利用ANSYS/Q3D提取电缆分布参数,在此基础上针对高压远距离变频驱动系统,分析了尖峰电压对电动机造成的危害。分析表明:电动机端尖峰电压与电缆长度正相关,电缆长度为200m时,尖峰电压已达到直流母线电压的1.7倍,严重制约了变频驱动距离,加速了电动机绝缘老化。根据上述分析,结合电缆长度和装置功率损耗,设计LRC滤波装置,以满足3000m电缆长度对尖峰电压的抑制需求,利用MATLAB/Simulink仿真验证其有效性。

关键词：矿用变频器远距离驱动尖峰电压 LRC滤波装置

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矿用变频器辐射电磁干扰特性分析

电工电能新技术 2021年第7期40卷 70-80页

作者：杨洋杨桢荣相史晗眭先明辽宁工程技术大学电气与控制工程学院辽宁葫芦岛125105 中煤科工集团常州研究院有限公司江苏常州213015 天地(常州)自动化股份有限公司江苏常州213015

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... 详细信息

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。

关键词：矿用变频器电磁干扰天线模型矩量法 FEKO

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矿用变频器性能测试系统设计

工矿自动化 2021年第5期47卷 9-15页

作者：荣相中煤科工集团常州研究院有限公司江苏常州213015 天地(常州)自动化股份有限公司江苏常州213015

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... 详细信息

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。

关键词：矿用变频器性能测试交流回馈加载恒转矩加载控制 WinCC组态软件