矿用低压防爆变频器的应用研究

矿用低压防爆变频器的应用研究

1 引言

我们煤矿井下带式输送机、刮板输送机、风机、水泵、绞车的电气控制广泛使用隔爆型交流鼠笼电动机，由于控制方式简单，均为直接控制，对电机和机械传动装置造成很大的损害。近几年，尽管可控硅交流降压调速技术得到了一些应用，但由于交流降压软起动自身起动特性较差，对电网的冲击大，对移动变电站的容量要求也大，使其使用场合受到一定限制。

随着电气传动领域发生重大的技术变革，交流调速技术获得了飞速发展，变频控制方式克服了以上的问题，并具有良好的调速特性和节能效果。变频器由初期的变压变频（VVVF ）调速方案，到目前的矢量、直接转矩控制方案，使变频控制不仅具有稳态的控制特性，而且具有良好的动态性能，可以与直流调速系统相媲美，不仅解决了风机、泵类等负载的拖动，而且也解决了带式输送机、刮板输送机、绞车、提升机等低速大扭矩等场合的控制。由于煤矿井下具有爆炸性气体的特殊环境，通用变频器不允许直接下井使用，因此，设计研制防爆变频器非常关键。

2 关键技术思考

（1）电压等级

低压通用变频器不论是国产的（包括国内组装），还是进口的，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。目前我国煤矿普

遍使用的电压等级为660V、1140V，随着煤矿生产能力的不断提高，生产设备单机功率的不断增大，防爆变频器不仅需要大功率，其1140V工作电压尤为需要。

（2）防爆散热

通用变频器的散热一般采用风冷或水冷方式。由于防爆要求，变频器的所有电子器件封于防爆壳体的主腔内，风冷无法实现；水冷需要水循环系统和散热器，体积大安装和维护不方便，特别对于煤矿井下的工况环境条件，此种散热方式也不宜使用。因此，防爆变频器的功率越大，防爆散热问题越突出，解决不好，将直接影响变频器的使用寿命和性能的稳定性。

3）电磁兼容性

变频器大多运行于恶劣的电磁环境，作为电力电子设备，内部由功率器件、电子元器件及计算机芯片等组成，易受外界的一些电气干扰，其输入侧和输出侧的电压、电流含有不等的高次谐波，投入运行既要防止外界干扰它，又要防止它干扰外界，即所谓的电磁兼容性。防爆变频器电磁兼容性问题解决的好坏，很大程度取决于变频调速传动系统以及外围设备运行的可靠性。

3 技术对策

（1）功率器件的选择

决定变频器电压等级的主要因素是主回路逆变电路的功率器件，主要是解决660

V和1140V的电压等级的功率器件问题。在低压交流电动机的传动控制中，应用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT 和智能模块IPM ，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，其集射电压V ce < 3V，频率可达20k Hz，内含的集射极间超高速二极管Trr可达150ns,现在，采用沟道型栅极技术、非穿通技术大幅降低集电极-发射极间饱和电压的第四代IGBT已问世，它的开关器件发热减少，将曾占主回路发热50%〜70%的器件发热降低了30%，同时它是高载波控制，使输出电流波形有明显改善，驱动功率、体积都较以前减小。应用此种功率器件使得防爆变频器的性能有了很大的提高，现国外已有耐压5000V、电流达1200

A的IGBT，可以适用于煤矿井下1140V的系统。因此，只要认真对相关的驱动控制电路进行技术攻关，就能解决防爆变频器的电压等级问题。

（2）防爆散热的解决

煤矿防爆产品中大功率器件的散热是一大难题，变频器主回框路图见图1 所示。一般变频器的功耗为其容量的4% 〜5% ，其中逆变部分约占50% ，整流及直流回路约占40% ，控制及保护电路占10%左右。因此，需要解决如何将逆变、整流回路高发热器件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，而热管散热器则是一种较为实用合理的技术途径。

热管是一种传热性极好的人工构件，它利用“相变”传热的原理，与金属铜、铝等

实体材料和天然传热方式完全不同。其有效导热性是铜、铝等有色金属的成百、上千倍。

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品，对于双面散热的分立电力电子器件，风冷的全铜或全铝散热器的热阻只能达到0.04 C /W, 而热管散热器的热阻可达0. 01 C /W。在自然对流冷却条件下，热管散热器比实体散热器的性能可提高10倍以上。热管散热器可以采用自冷的方式，无需风扇，没有噪音，免维修，安全可靠。图2所示为采用水-铜热管散热器（以水为介质，铜为管壳材料），其蒸发段以压装方式装入铜材制成的基座，基座平面固定功率器件，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，从而就解决了较大功率防爆变频器的散热问题。

1—整流回路；2—逆变回路

图2采用水-铜热管散热器示意图

1—功率器件；2—基板；3—防爆壳体；4—散热片；5—热管

(3)电磁兼容性措施

变频器的输入部分为整流电路，输出部分为逆变电路，它们都是由起开关作用的非线性元件组成，在开断电路的过程中，都要产生高次谐波，由于功率较大，对系统其它设备干扰性较强，其干扰途径主要为传导、电磁辐射及感应耦合。为防止干扰，可从硬件和软件两个方面入手，硬件抗干扰的原则就是要抑制和消除干扰源，切断干扰的耦合通道和降低系统干扰信号的敏感性。因此，可以采取隔离、滤波、屏蔽、接地等措施，将干扰抑制在相关标准允许的范围内。

1)串接电抗器或安装谐波滤波器

在电源输入端串接合适的电抗器或安装LC 型谐波滤波器，以吸收谐波和增大电源或负载阻抗达到抑制谐波的目的。

2)接地分开

通过共用的接地线传播干扰是干扰传播的最普遍的方式。将动力线的接地与控制线的接地分开是切断这一途径的根本方法，即将动力装置的接地端子接到地线上，将控制装置的接地端子接到该装置的金属外壳上。

3)布线分离

信号线靠近有干扰源电流的导线时，干扰会被诱导到信号线上，使信号线上的信号受到干扰，布线分离对消除这种干扰行之有效。把动力电缆、控制电缆以及信号电缆分开走线，在有限的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。

4)采用变压器隔离

采用隔离变压器将电源与控制回路隔离，隔离变压器可应用具有隔离层的隔离变压器。

5)屏蔽

将计算机控制单元予以屏蔽，IGBT 的驱动单元和控制单元之间使用光纤进行信号传递。

4 结语

(1) 通过分析研究，矿用低压防爆变频器的整体结构需要重新设计，在保证变频器性能的前提下，主要解决防爆散热、电磁兼容性等关键技术。

(2)目前额定电压1140V、额定功率200kVA及以下的防爆变频器在煤矿井下风机、带式输送机、绞车的控制系统中已得到广泛的应用，随着生产设备单机功率的不断增大，需