陕西长武亭南煤业有限责任公司 陕西省长武县 713600
摘要：目前我国在煤矿开采的过程中，电机的使用已经很普遍，电机在使用的过程中还会出现一些问题。本文针对煤矿电机调速系统长线驱动时的过电压问题，提出一种基于阻抗匹配dv/dt滤波器的过电压抑制策略。该策略采用阻抗匹配措施，使煤矿负载的反射系数接近0，以减小反射电压，同时在输出端增设dv/dt滤波器，可有效降低电缆线上的高频分量，从而实现煤矿电机过电压的抑制。最后在MATLAB仿真环境中建立仿真模型，结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。
关键词：矿用电机；长线驱动；阻抗匹配
引言
我国目前的电机一般都采用长线路连接，主要的电机包含煤矿提升机、水泵等电机和其驱动变频器。若出现负载电机的特性阻抗和长电缆的波阻抗不相匹配时，变频器输出的脉冲信号会在电机端发生电压反射现象，从而导致机端过电压，会恶化长线电缆以及电动机的绝缘能力和使用寿命，严重时还会烧坏电缆绝缘和电动机，接地不良的情况下还会带来安全事故隐患。针对上述问题，本文提出了一种基于阻抗匹配dv/dt滤波器的过电压抑制策略。首先根据传输线的相关理论，分析了电压反射现象和电机过电压的产生机理；其次介绍了阻抗匹配方法原理以及dv/dt滤波器抑制过电压的机理；最后在MATLAB仿真环境中建立仿真模型，对所提策略进行了仿真验证。
1机端过电压分析
我国目前的煤矿在采矿过程中的很多动力设备都是采用长线电缆的电机调速进行控制，其结构框图如图1所示。该长线电缆一般是几千米甚至几十千米的长距离，容易产生电压反射，进一步造成谐波谐振的过电压问题。主要是由于波传导终端连接点之间的阻抗不匹配而导致的波反射，长线电缆的响应频率与过电压密切相关，而长线电缆等效的LC网络在变频器开关PWM信号的作用下便会谐振，在谐振频率点处出现过电压。
根据电磁场的理论可以得知，长传输线的内部存在分布分布电阻和电感。同时因不完善的绝缘而存在分布电容和电导。传输线的波长在开关频率较低的情况下要远远大于线路长度，传输线上的电压、电流受线路的分布参数影响较小，因此可用集中参数对输电线路进行等效。而当PWM富含高频分量时，长线电缆的波长和线长相比较，此时的线路电压、电流分量受分布参数的影响较大，集中参数已不能完全表述线路的外特性，因此需采用分布参数进行输电线路的等效，长线电缆的分布参数如图1的长线电缆部分所示。电压反射过程的示意图如图2所示，PWM脉冲波从长线电缆的输入端进行传输，图2（a）是变频器端入射波的电压信号，图2（b）是电机端第1次发生反射的电压信号，图2（c）是变频器端发生第2次反射的电压信号，图2（d）是电机端再次发生第3次反射的电压波形，以此类推，反射电压朝向变频器不断循环的传播。
式中ZC———变频器端阻抗。在长线电缆中，PWM输出脉冲的传输时间
式中tr———变频器输出脉冲的上升时间；U———变频器的直流母线电压。从上述分析过程可知，电机终端电压的峰值与电机终端反射系数、变频器输出脉冲的上升时间以及电缆的长度相关。
2机端过电压抑制技术
当长线电缆达到一定的长度时，利用阻抗匹配技术可使负载端的反射系数接近于0，同时加装dv/dt滤波器以降低传输线上的高频分量，达到增大PWM信号的上升沿时间的目的，从而实现电机端过电压的有效抑制。本文提出的基于阻抗匹配dv/dt滤波器的过电压抑制策略结构示意图如图3所示，该策略主要包括两大功能：①阻抗匹配技术，使负载端的反射系数接近于0；②dv/dt滤波器的设计。本文将阻抗并联在电机侧实现一阶阻抗匹配，因为负载阻抗ZL要远远大于长线电缆阻抗Z0，可设计匹配的阻抗网络为Zm=Z0，那么结合式（1）可知，电机终端的反射系数
在实际煤矿生产中，长线电缆的长度是固定的，其分布参数可通过线缆手册查到。因此，结合上述分析便可求得Rm、Cm以及Lm的取值。
3仿真验证
根据上文的分析，在MATLAB/Simulink环境中建立了煤矿电机经长线电缆连接变频器的系统仿真模型，对提出的控制策略进行了仿真验证。对机端电压在不采取任何措施和增设阻抗匹配滤波器2种条件下输出电压波形进行了仿真对比，如图4和图5所示。从仿真对比的结果可以看出，通过增设本文提出的阻抗匹配滤波器，能够很好地抑制机端过电压幅值，使机端电压幅值大约降低了1/2。
结语
综上所述，本文根据煤矿电机-长线电缆-变频器的结构和长线电缆传输理论，分析了变频器PWM脉冲波在长线电缆上的传输过程以及反射电压产生机理，进一步分析了过电压产生的原因。基于过电压的机理，提出一种阻抗匹配网络和dv/dt滤波器相结合的煤矿机端过电压抑制策略，并说明了阻抗匹配和滤波器取值的原则。仿真结果表明，提出的控制策略能够有效抑制机端过电压。
参考文献：
［1］连东辉.探析煤矿电气中现代电力电子技术的应用［J］.河南科技,2014(15):87.
［2］杨勇.晶闸管软启动控制器与变频器在中小型煤矿大功率电动机上的选择与应用［J］.煤炭技术,2014,33(11):229-231.
［3］郭辉,吴卫国.高压变频器在煤矿主扇风机节能改造中的研究与应用［J］.煤炭技术,2015,34(5):226-228.
［4］丁百东,田锦钊,陈永刚.矿井提升机驱动系统双PWM变频器的应用研究［J］.科技与企业,2015(13):243.
［5］陈辉,田子建,汤文兵.矿用屏蔽电缆对电动机电压浪涌的影响［J］.煤矿安全,2015,46(1):92-94.
论文作者:卜建亮
论文发表刊物:《防护工程》2017年第22期
论文发表时间:2017/12/28
标签：过电压论文; 阻抗论文; 电缆论文; 变频器论文; 电机论文; 电压论文; 反射论文; 《防护工程》2017年第22期论文;