光控電力電子器件在高瓦斯礦井的應用

文/陳重儀

光控電力電子器件在高瓦斯礦井的應用

文/陳重儀

目前，采用光控全控型電力器件，利用LED或LD光源通過耦合器啟動安全電壓控制無觸點開關在復雜條件礦井中的應用，可大大降低和避免瓦斯事故，為煤礦井下安全生產提供了先進設備資源。

一、應用背景探討

現有隔爆電氣設備還不能從根本上杜絕二次重燃引起的躥火，從而引發更大的災害。災害氣體、煤塵和電氣設備的使用時刻威脅著礦工的生命安全。據有關部門統計，近幾年國內發生的礦井災害近30%是由電氣設備二次重燃引發的。因此，電氣設備也是降低煤礦災害的重要物質條件。但是目前國內對于解決電氣設備二次重燃尚無有效對策。

二、利用光控全控隔爆

1.可關斷晶閘管（GateTurn-OffThyristor）

簡稱GTO，亦稱門控晶閘管。其主要特點為，當門極加負向觸發信號時，晶閘管能自行關斷。

如果普通晶閘管靠門極正信號觸發以后，撤掉信號時也能維持連通狀態。要將它關斷，必須切斷電源，使其正向電流低于維持電流IH，或者施以反向電壓強迫關斷。這需要增加換向電路，不僅使得設備體積和重量增大，而且會大大降低效率，產生噪聲和波形失真。關斷晶閘管能避免上述缺陷，不僅保留了普通晶閘管耐壓高、電流大的優點，又保證能自動關斷，使用方便，是理想的高壓、大電流開關器件。

目前，GTO已達到8000A、12000V的容量，導通6微秒、關斷30微秒的速度。大功率可關斷晶閘管已廣泛用于礦山斬波調速、變頻調速、逆變電源等領域。尤其是采用光耦合器啟動控制技術，實現了光電隔離，避免因高壓竄入低壓可能帶來的事故，增加了控制回路安全的可靠性。

將GTO作為井下饋電高壓開關或高壓電機的控制設備，其主要優點是徹底消除了二次重燃。就安全性能來講，是目前使用的真空高壓防爆開關無法比擬的，為高瓦斯礦井安全用電提供了先決條件。

2.絕緣柵雙極晶體管 （Insulated Gate bipolar Transistor）

簡稱IGBT，是20世紀80年代出現的新型復合器件。既有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩定性好和驅動電路簡單等特點，又有通態電壓低、耐壓高和承受電流大等優點。在電機控制、中頻和開關電源以及要求快速、低損耗的領域大受歡迎。

目前，IGBT的生產水平為2500V、1000A，而研制水平可達4500V、2500A。IGBT的發展趨勢是高電壓、低損耗，趨向于將控制和數控邏輯集成于一體，散熱器也引入功率模塊。

IGBT和GTO的相同之處，都是光控全控型電力電子器件，都是無觸點開關，從原理上杜絕了二次重燃。采用光電耦合器開啟電壓2～6V，導通時間1～2微秒，關斷時間1～1.5微秒，能實現輸入電流正弦無波，電壓、電流過零切換。IGBT優良的技術性能完全能夠滿足井下低壓電氣設備控制需要。

三、結論

綜上所述，GTO和IGBT這兩種光控電力電子器件，若作為煤礦井下的高低壓防爆開關，或作為高低壓電機的控制設備，其原理上是安全的，其基本技術性能完全滿足高瓦斯或更為復雜條件礦井安全生產需要。同時，該技術的應用也將使目前笨重的防爆外殼減輕重量，可節約大量鋼材，也符合國家節能減排和低碳發展政策。若將其變為現實并普及開來，全國高突礦井的安全生產將大大向前推進，將為建設和諧礦區、和諧社會做出較大貢獻。

窯街煤電集團）

李元）