浅谈对矿用防爆变频器的几点认识

浅谈对矿用防爆变频器的几点认识作者：秦国栋来源：《科技创新与应用》2013年第22期摘要：本文谈到了矿用防爆变频器在神东煤炭集团的应用和防爆变频器的关键技术，并分析了电压等级、散热、电磁兼容等问题。

关键词：防爆变频器；散热；电磁兼容1 煤矿生产采用变频调速的必要性变频调速是一种高效率、高性能的调速方式，采用异步电动机（或同步机），使其在整个工作范围内保持在正常的小转差率下运转，实现无级平滑调速，静止变频器的容量可以从零点几到上万千瓦，能满足各种生产机械的要求。

随着电力电子技术及微电子技术的发展，现代控制理论特别是矢量控制技术以及近年来交流调速系统的数字化技术的应用，使得变频调速已得到广泛应用，在煤矿使用变频调速已成为当前矿用设备调速的趋势。

采用矿用变频器在煤矿井下应用，归纳起来有以下几个优点：（1）能解决大功率电机高精度的转矩控制；（2）能实现大功率电机的软起、软停和过程控制；（3）实现多机联动时的功率平衡；（4）四象限运行时的再生制动和能量回馈；（5）替代CST等软起动机械设备，净化环境，安全生产；（6）减小高科冲击，延长机械设备使用寿命；（7）节能；（8）利用可编程控制器轻松实现各种工况的配合控制，等优点。

煤矿使用变频调速技术发展较晚，这与煤矿特殊的工作环境，极高的安全性要求，煤矿设备的特殊性有关。

煤矿井下潮湿、高温、易燃易爆气体、煤岩尘大等问题，要求煤矿井下必须使用防爆变频器。

防爆变频器就需要解决电气爬电、功率器件散热、安全控制、电磁干扰、特殊的工作电压及功率大等技术问题。

2 防爆变频器的关键技术2.1 矿用防爆变频器的电压等级低压通用变频器一般电压等级为220V、380V，有些厂家如西门子公司生产的变频器可用于660V。

国外没有1140V的电压等级，而且国外把1000V～3000V以上的电压等级归入中压，故给国内煤矿用户的选型带来一定的困难，加上煤矿井下环境恶劣，有甲烷等爆炸性气体和煤尘存在，终因防爆散热问题难以解决，使变频器在煤矿井下使用受到限制。

随着矿井的生产能力不断提高，生产过程中设备的单机功率不断增大，越来越多的设备采用1140V电压等级，防爆变频器不仅需要大功率，其1140V工作电压尤为需要。

随着科学技术的发展和煤矿装备水平的不断提高，综采面机械化程度越来越高，机电设备的装机容量在不断增加，工作面电压等级也不断提高，高压3300V变频技术在煤矿井下应用的需求也越来越迫切。

近几年来，我国在防爆交流变频器方面作了大量的研究工作，比如提高变频器的电压等级、提高变频器的功率。

2.2 矿用防爆变频器的防爆散热一般变频器的结构是与外界相通，通过与空气的自然交换，实现变频器的散热。

由于防爆变频器的防爆标准要求，防爆型变频器的电子器件密封于防爆壳体的主腔内，热量在固定的防爆腔体内循环，如果通过隔爆外壳与外界的热交换，热量是不能及时散出的。

如果采用增大隔爆腔的体积，将会使生产成本增加而且将会受到使用空间的限制。

防爆变频器的功率越大，防爆散热问题越突出，散热问题解决不好将直接影响变频器性能的稳定性和使用寿命。

这就要求我们根据实际情况合理的选择防爆变频器的散热方式。

2.3 矿用防爆变频器的电磁兼容性防爆变频器大多运行在恶劣的电磁环境下，其内部的电力电子设备由功率器件、电子元器件及计算机芯片等组成，容易受到外界的电气干扰，在变频器的输入侧和输出侧的电压、电流又含有高次谐波，所以防爆变频器在运行时既要防止外界电磁干扰，又要防止它自身的电磁干扰。

3 防爆变频器关键技术的解决措施3.1 防爆变频器功率器件的选择防爆变频器的电压等级主要由主回路逆变电路的功率器件决定，主要是解决660V、1140V、3300V的电压等级的功率器件。

目前在低压交流电动机的变频传动控制中，应用较多的功率器件有GTO、GTR、IGBT和智能模块IPM，其中后两种是目前通用变频器中最广泛使用的主流功率器件，特别是IGBT功率器件，集射极电压Vce3.2 防爆变频器散热的解决措施矿用防爆变频器的功率器件散热是一大技术要点，一般来讲，变频器的功率损耗为其容量的4%-5%，其中逆变单元部分约占50%，整流单元及直流回路约占40%，控制单元及保护电路占10%左右。

因此，如何解决将逆变单元、整流单元电力电子器件散发的热量迅速、有效地通过防爆壳体散发出去，保证功率器件的正常工作温度是关键。

目前，通过水冷方式散热和热管散热是防爆变频器散热中使用比较多的两种散热方式。

防爆变频器采用水冷散热，设计时需将需要冷却的整流单元、逆变单元组件安装在铝制板或铜制板上，再将铝板或铜板嵌入到防爆外壳的内腔上，通过外壳中设置的水道把热量带出防爆变频器腔体，这使得防爆变频器的结构可以更为紧凑，因此水冷变频器较空冷型变频器可节省70%的体积。

水冷变频器体积的减小，使得相同容积的隔爆型壳体能够放下更大功率的功率器件，有利于大功率防爆变频器在防爆行业的发展和应用。

采用水冷方式散热需要考虑冷却回路（水道）的压力要求，设置合理的水道压力和流量对于防爆变频器的正常运行和防爆标准要求都至关重要。

同时在设计的初期就要考虑到水冷变频器隔爆腔体内的冷凝现象，这种现象对于大量功率元件和电子线路板都是致命的。

为了防止冷凝的产生，在水冷变频器内腔一般需用采用加热元件，在变频器停止不使用时用来维持变频器的内腔温度。

单纯的水冷对于煤矿用的隔爆变频器有许多不合适的地方：一是有很多煤矿缺水；二是水质差，宜结垢；三是简单的水冷却会造成水资源浪费并且使设备的维护和使用很不方便。

针对以上三点分析，采用配置冷却水箱的水循环单元是比较合适的。

水冷方式散热的效率极高，可以大大提高功率元件的容量，由于普通水的电气绝缘性能较差，水中存在的杂质离子会在高电压下导致电腐蚀和漏电的现象，一般用于低压等级变频器。

高压变频器采用内循环去离子水和外循环冷却水之间通过水水交换器进行热交换的冷却原理，水水交换器按GB3836.2的要求设计，满足隔爆要求。

高压变频器具有冷却系统保护功能，一旦出现水温、水压或电导率超标，系统将停止运行并发出报警信号。

热管是一种传热性极好的人工构件，热管散热器就是利用热管技术对散热器进行改进而制作出来的新产品，是以水为介质铜为管壳材料的水-铜热管散热器。

热管的蒸发段采用压装方式装入铜材制成的基座，基座平面上固定电力电子功率器件，在热管的冷凝段压装铝质散热片形成热管散热器，可有效地将功率器件在防爆腔体积聚地热量传导到壳体外并通过散热片快速散发，从而解决较大功率防爆变频器的散热问题。

虽然采用热管散热的效率很高，但热管的技术难度比较大，工艺复杂，使用时如果设计不当会使热管与基座的接触面积不够大，散热效果可能要打很多折扣。

散热效果好坏直接影响防爆变频器的防爆性能，这对防爆电气产品来说是很重要的问题。

3.3 防爆变频器电磁兼容性的解决措施防爆变频器的输入部分为整流电路，输出部分为逆变电路。

它们都是由电力电子开关元件组成，在开断电路的过程中，都会产生高次谐波。

由于开关器件功率较大，对系统其它设备干扰性较强。

防爆变频器的干扰途径主要有传导、电磁辐射及感应耦合。

为了防止电磁干扰，应从变频器的拓扑结构和谐波传播途径采取措施来减少谐波的干扰。

改变变频器结构是从变流器本身出发，通过拓扑结构改变，减少谐波。

解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离，解决辐射干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行电磁屏蔽，来实现切断传播干扰的耦合通道和降低系统干扰信号的敏感性。

因此，采取改变防爆变频器的拓扑结构、隔离、滤波、屏蔽、接地等措施，可以实现将电磁干扰控制在相关标准允许的范围之内。

3.3.1 运用多重移相叠加的拓扑结构抑制谐波多重移相叠加技术是将两个或两个以上输出频率相同、输出波形也相同的整流电路或逆变电路按一定的相位差叠加起来，使它们的交流输入或交流输出波形的低次谐波相位差180°而相互抵消，从而得到谐波含量较少的准正弦阶梯波的一种技术。

采用多重移相叠加技术不仅可以有效的减少交流输入电流的谐波，同时也可以有效的减小直流输出电压中的谐波幅值和脉动。

多重化结构作为变频器整流侧普遍采用的拓扑结构，已经能满足不同场合、不同电压等级的需要，但当重数增加时，虽然谐波抑制效果明显，但装置的结构复杂，变压器损耗增加，故普遍采用12、18脉动结构。

3.3.2 运用多电平逆变器的拓扑结构抑制谐波采用多电平技术的逆变器与传统的两电平技术的逆变器相比，多电平逆变器由于输出电平数增加使得输出波形具有更好的谐波频谱和较小的dv/dt，使得每个开关器件承受的电压应力较小，特别适合于高压大功率场合，图3为三电平逆变器结构。

多电平逆变器主要有三种基本结构：二极管箝位式、飞跨电容式以及级联式，其中二极管箝位式多电平逆变器因为其不要求相互独立的直流电源来维持每个电平电压，所以不需要变压器就可以与电网直接连接，因而比其他结构具有更广范的应用领域。

将多电平逆变器的拓扑结构和基本控制策略运用于变频器的整流输入侧，可以构成高功率因数的整流器，同时可以大大减少网侧谐波电流。

3.3.3 加装串接电抗器或加装谐波滤波器通过在电源输入端选用合适的电抗器或安装LC型谐波滤波器，来吸收谐波或增大电源、负载阻抗，实现抑制谐波的目的。

3.3.4 将控制接地与系统接地分开电磁干扰极易通过共用的接地线传播，采用将动力线的接地与控制线的接地分开能有效的消除这类干扰。

3.3.5 将动力与控制、信号线缆分离布线控制、信号线缆靠近有干扰电流的导线时，干扰会被感应到信号线上，使信号线上的信号受到干扰，采用布线分离对消除这种干扰非常有效。

将动力电缆、控制电缆以及信号电缆分开走线，在空间内保持一定间隔，尽量增大干扰源与受扰电路间的距离。

模拟量、低电平、高电平信号采用屏蔽双绞线连接并单独占用走线槽，控制电缆最好与其主回路线以垂直的方式走线。

3.3.6 采用隔离变压器将电源与控制回路隔离应用具有隔离层的隔离变压器将电源回路与控制回路隔离开，减少电磁干扰。

3.3.7 采用光电转换技术消除电磁干扰在IGBT的驱动单元和控制单元之间使用光纤进行信号传递，将计算机控制单元予以屏蔽，消除电磁干扰。

4 结束语在煤矿生产中采用防爆变频器能有效的解决各种工况的电动机起停及调速，能有效解决煤矿生产过程中的节能问题，而防爆变频器的电压等级、散热、电磁兼容等问题也得到了有效的解决，值得推广使用。

防爆变频器的产生和发展，离不开我国致力于煤炭事业发展的电气科研单位和生产厂家，同时也见证了他们为我国煤炭事业发展作出的不懈努力和巨大贡献，相信在我们自己的一代代煤炭电气人的推动下，未来的矿用电气产品会更上一个台阶。

作者简介：秦国栋（1980，5-），男，内蒙古乌兰察布市人，2003年7月毕业于内蒙古工业大学信息工程学院自动化专业本科，2010年于内蒙古工业大学控制理论与控制工程专业工程硕士毕业。