淺談對礦用防爆變頻器的幾點認識

摘 要：本文談到了礦用防爆變頻器在神東煤炭集團的應用和防爆變頻器的關鍵技術，并分析了電壓等級、散熱、電磁兼容等問題。

關鍵詞：防爆變頻器；散熱；電磁兼容

1 煤礦生產采用變頻調速的必要性

變頻調速是一種高效率、高性能的調速方式，采用異步電動機（或同步機），使其在整個工作范圍內保持在正常的小轉差率下運轉，實現無級平滑調速，靜止變頻器的容量可以從零點幾到上萬千瓦，能滿足各種生產機械的要求。隨著電力電子技術及微電子技術的發展，現代控制理論特別是矢量控制技術以及近年來交流調速系統的數字化技術的應用，使得變頻調速已得到廣泛應用，在煤礦使用變頻調速已成為當前礦用設備調速的趨勢。采用礦用變頻器在煤礦井下應用，歸納起來有以下幾個優點：（1）能解決大功率電機高精度的轉矩控制；（2）能實現大功率電機的軟起、軟停和過程控制；（3）實現多機聯動時的功率平衡；（4）四象限運行時的再生制動和能量回饋；（5）替代CST等軟起動機械設備，凈化環境，安全生產；（6）減小高科沖擊，延長機械設備使用壽命；（7）節能；（8）利用可編程控制器輕松實現各種工況的配合控制，等優點。

煤礦使用變頻調速技術發展較晚，這與煤礦特殊的工作環境，極高的安全性要求，煤礦設備的特殊性有關。煤礦井下潮濕、高溫、易燃易爆氣體、煤巖塵大等問題，要求煤礦井下必須使用防爆變頻器。防爆變頻器就需要解決電氣爬電、功率器件散熱、安全控制、電磁干擾、特殊的工作電壓及功率大等技術問題。

2 防爆變頻器的關鍵技術

2.1 礦用防爆變頻器的電壓等級

低壓通用變頻器一般電壓等級為220V、380V，有些廠家如西門子公司生產的變頻器可用于660V。國外沒有1140V的電壓等級，而且國外把1000V～3000V以上的電壓等級歸入中壓，故給國內煤礦用戶的選型帶來一定的困難，加上煤礦井下環境惡劣，有甲烷等爆炸性氣體和煤塵存在，終因防爆散熱問題難以解決，使變頻器在煤礦井下使用受到限制。隨著礦井的生產能力不斷提高，生產過程中設備的單機功率不斷增大，越來越多的設備采用1140V電壓等級，防爆變頻器不僅需要大功率，其1140V工作電壓尤為需要。隨著科學技術的發展和煤礦裝備水平的不斷提高，綜采面機械化程度越來越高，機電設備的裝機容量在不斷增加，工作面電壓等級也不斷提高，高壓3300V變頻技術在煤礦井下應用的需求也越來越迫切。近幾年來，我國在防爆交流變頻器方面作了大量的研究工作，比如提高變頻器的電壓等級、提高變頻器的功率。

2.2 礦用防爆變頻器的防爆散熱

一般變頻器的結構是與外界相通，通過與空氣的自然交換，實現變頻器的散熱。由于防爆變頻器的防爆標準要求，防爆型變頻器的電子器件密封于防爆殼體的主腔內，熱量在固定的防爆腔體內循環，如果通過隔爆外殼與外界的熱交換，熱量是不能及時散出的。如果采用增大隔爆腔的體積，將會使生產成本增加而且將會受到使用空間的限制。防爆變頻器的功率越大，防爆散熱問題越突出，散熱問題解決不好將直接影響變頻器性能的穩定性和使用壽命。這就要求我們根據實際情況合理的選擇防爆變頻器的散熱方式。

2.3 礦用防爆變頻器的電磁兼容性

防爆變頻器大多運行在惡劣的電磁環境下，其內部的電力電子設備由功率器件、電子元器件及計算機芯片等組成，容易受到外界的電氣干擾，在變頻器的輸入側和輸出側的電壓、電流又含有高次諧波，所以防爆變頻器在運行時既要防止外界電磁干擾，又要防止它自身的電磁干擾。

3 防爆變頻器關鍵技術的解決措施

3.1 防爆變頻器功率器件的選擇

防爆變頻器的電壓等級主要由主回路逆變電路的功率器件決定，主要是解決660V、1140V、3300V的電壓等級的功率器件。目前在低壓交流電動機的變頻傳動控制中，應用較多的功率器件有GTO、GTR、IGBT和智能模塊IPM，其中后兩種是目前通用變頻器中最廣泛使用的主流功率器件，特別是IGBT功率器件，集射極電壓Vce<3V，開關頻率可達20KHz，內含的集射極間超高速二極管開關時間可達150ns，目前采用溝道型柵極技術、非穿通技術大幅度降低集電極-發射極間飽和電壓的第四代IGBT，使開關器件發熱減少，將占主回路發熱50%-70%的器件發熱降低了30%，同時它是高載波控制使輸出電流波形有明顯改善，驅動功率、體積都較以前減小。應用第四代IGBT功率器件使得防爆變頻器的性能有了很大的提高，現國外已有耐壓5000V、電流達1200A的IGBT，可以適用于煤礦井下1140V的系統。近幾年發展起來的礦用防爆高壓變頻器一種是利用低壓IGBT功率器件串聯組成串聯型多電平變頻器，彌補功率器件耐壓能力不足；另一種是采用新型功率半導體器件 IGCT（ 集成門極換流型晶閘管）。IGCT 具有IGBT（ 絕緣門極雙極性晶體管） 的高開關頻率特性，同時還具有GTO （可關斷晶閘管）的高阻斷電壓和低導通損失率特性。因此IGCT 是無須串聯即可直接應用于高壓電網的高速低損耗的功率半導體器件。IGCT 繼承并超越了IGBT 技術和GTO 技術。IGCT 同時具備以下特點：（1）續流二極管集成一體；（2）無需吸收電路；（3）門極電路與功率器件集成一體；（4）高可靠性；（4）高功率密度；（5）自保護功能以防破壞性故障。BPJV1-2000/3.3礦用隔爆兼本質安全型高壓變頻器就是采用IGCT器件的三電平變頻器，系統原理見圖3，為了進行三電平切換運行，三相逆變器的每個橋臂由2個IGCT組成，IGCT的輸出電壓在正直流電壓、中性點（NP）和負直流電壓之間切換。

3.2 防爆變頻器散熱的解決措施

礦用防爆變頻器的功率器件散熱是一大技術要點，一般來講，變頻器的功率損耗為其容量的4%-5%，其中逆變單元部分約占50%，整流單元及直流回路約占40%，控制單元及保護電路占10%左右。因此，如何解決將逆變單元、整流單元電力電子器件散發的熱量迅速、有效地通過防爆殼體散發出去，保證功率器件的正常工作溫度是關鍵。目前，通過水冷方式散熱和熱管散熱是防爆變頻器散熱中使用比較多的兩種散熱方式。

防爆變頻器采用水冷散熱，設計時需將需要冷卻的整流單元、逆變單元組件安裝在鋁制板或銅制板上，再將鋁板或銅板嵌入到防爆外殼的內腔上，通過外殼中設置的水道把熱量帶出防爆變頻器腔體，這使得防爆變頻器的結構可以更為緊湊，因此水冷變頻器較空冷型變頻器可節省70%的體積。水冷變頻器體積的減小，使得相同容積的隔爆型殼體能夠放下更大功率的功率器件，有利于大功率防爆變頻器在防爆行業的發展和應用。采用水冷方式散熱需要考慮冷卻回路（水道）的壓力要求，設置合理的水道壓力和流量對于防爆變頻器的正常運行和防爆標準要求都至關重要。同時在設計的初期就要考慮到水冷變頻器隔爆腔體內的冷凝現象，這種現象對于大量功率元件和電子線路板都是致命的。為了防止冷凝的產生，在水冷變頻器內腔一般需用采用加熱元件，在變頻器停止不使用時用來維持變頻器的內腔溫度。單純的水冷對于煤礦用的隔爆變頻器有許多不合適的地方：一是有很多煤礦缺水；二是水質差，宜結垢；三是簡單的水冷卻會造成水資源浪費并且使設備的維護和使用很不方便。針對以上三點分析，采用配置冷卻水箱的水循環單元是比較合適的。水冷方式散熱的效率極高，可以大大提高功率元件的容量，由于普通水的電氣絕緣性能較差，水中存在的雜質離子會在高電壓下導致電腐蝕和漏電的現象，一般用于低壓等級變頻器。高壓變頻器采用內循環去離子水和外循環冷卻水之間通過水水交換器進行熱交換的冷卻原理，水水交換器按GB3836.2的要求設計，滿足隔爆要求。高壓變頻器具有冷卻系統保護功能，一旦出現水溫、水壓或電導率超標，系統將停止運行并發出報警信號。

熱管是一種傳熱性極好的人工構件，熱管散熱器就是利用熱管技術對散熱器進行改進而制作出來的新產品，是以水為介質銅為管殼材料的水-銅熱管散熱器。熱管的蒸發段采用壓裝方式裝入銅材制成的基座，基座平面上固定電力電子功率器件，在熱管的冷凝段壓裝鋁質散熱片形成熱管散熱器，可有效地將功率器件在防爆腔體積聚地熱量傳導到殼體外并通過散熱片快速散發，從而解決較大功率防爆變頻器的散熱問題。雖然采用熱管散熱的效率很高，但熱管的技術難度比較大，工藝復雜，使用時如果設計不當會使熱管與基座的接觸面積不夠大，散熱效果可能要打很多折扣。散熱效果好壞直接影響防爆變頻器的防爆性能，這對防爆電氣產品來說是很重要的問題。

3.3 防爆變頻器電磁兼容性的解決措施

防爆變頻器的輸入部分為整流電路，輸出部分為逆變電路。它們都是由電力電子開關元件組成，在開斷電路的過程中，都會產生高次諧波。由于開關器件功率較大，對系統其它設備干擾性較強。防爆變頻器的干擾途徑主要有傳導、電磁輻射及感應耦合。為了防止電磁干擾，應從變頻器的拓撲結構和諧波傳播途徑采取措施來減少諧波的干擾。改變變頻器結構是從變流器本身出發，通過拓撲結構改變，減少諧波。解決傳導干擾主要是在電路中把傳導的高頻電流濾掉或者隔離，解決輻射干擾就是對輻射源或被干擾的線路進行電磁屏蔽，來實現切斷傳播干擾的耦合通道和降低系統干擾信號的敏感性。因此，采取改變防爆變頻器的拓撲結構、隔離、濾波、屏蔽、接地等措施，可以實現將電磁干擾控制在相關標準允許的范圍之內。

3.3.1 運用多重移相疊加的拓撲結構抑制諧波

多重移相疊加技術是將兩個或兩個以上輸出頻率相同、輸出波形也相同的整流電路或逆變電路按一定的相位差疊加起來，使它們的交流輸入或交流輸出波形的低次諧波相位差180°而相互抵消，從而得到諧波含量較少的準正弦階梯波的一種技術。采用多重移相疊加技術不僅可以有效的減少交流輸入電流的諧波，同時也可以有效的減小直流輸出電壓中的諧波幅值和脈動。多重化結構作為變頻器整流側普遍采用的拓撲結構，已經能滿足不同場合、不同電壓等級的需要，但當重數增加時，雖然諧波抑制效果明顯，但裝置的結構復雜，變壓器損耗增加，故普遍采用12、18脈動結構。

3.3.2 運用多電平逆變器的拓撲結構抑制諧波

采用多電平技術的逆變器與傳統的兩電平技術的逆變器相比，多電平逆變器由于輸出電平數增加使得輸出波形具有更好的諧波頻譜和較小的dv/dt，使得每個開關器件承受的電壓應力較小，特別適合于高壓大功率場合，圖3為三電平逆變器結構。多電平逆變器主要有三種基本結構：二極管箝位式、飛跨電容式以及級聯式，其中二極管箝位式多電平逆變器因為其不要求相互獨立的直流電源來維持每個電平電壓，所以不需要變壓器就可以與電網直接連接，因而比其他結構具有更廣范的應用領域。將多電平逆變器的拓撲結構和基本控制策略運用于變頻器的整流輸入側，可以構成高功率因數的整流器，同時可以大大減少網側諧波電流。

3.3.3 加裝串接電抗器或加裝諧波濾波器

通過在電源輸入端選用合適的電抗器或安裝LC型諧波濾波器，來吸收諧波或增大電源、負載阻抗，實現抑制諧波的目的。

3.3.4 將控制接地與系統接地分開

電磁干擾極易通過共用的接地線傳播，采用將動力線的接地與控制線的接地分開能有效的消除這類干擾。

3.3.5 將動力與控制、信號線纜分離布線

控制、信號線纜靠近有干擾電流的導線時，干擾會被感應到信號線上，使信號線上的信號受到干擾，采用布線分離對消除這種干擾非常有效。將動力電纜、控制電纜以及信號電纜分開走線，在空間內保持一定間隔，盡量增大干擾源與受擾電路間的距離。模擬量、低電平、高電平信號采用屏蔽雙絞線連接并單獨占用走線槽，控制電纜最好與其主回路線以垂直的方式走線。

3.3.6 采用隔離變壓器將電源與控制回路隔離

應用具有隔離層的隔離變壓器將電源回路與控制回路隔離開，減少電磁干擾。

3.3.7 采用光電轉換技術消除電磁干擾

在IGBT的驅動單元和控制單元之間使用光纖進行信號傳遞，將計算機控制單元予以屏蔽，消除電磁干擾。

4 結束語

在煤礦生產中采用防爆變頻器能有效的解決各種工況的電動機起停及調速，能有效解決煤礦生產過程中的節能問題，而防爆變頻器的電壓等級、散熱、電磁兼容等問題也得到了有效的解決，值得推廣使用。防爆變頻器的產生和發展，離不開我國致力于煤炭事業發展的電氣科研單位和生產廠家，同時也見證了他們為我國煤炭事業發展作出的不懈努力和巨大貢獻，相信在我們自己的一代代煤炭電氣人的推動下，未來的礦用電氣產品會更上一個臺階。

作者簡介：秦國棟（1980，5-），男，內蒙古烏蘭察布市人，2003年7月畢業于內蒙古工業大學信息工程學院自動化專業本科，2010年于內蒙古工業大學控制理論與控制工程專業工程碩士畢業。中級職稱，工程師。現在中國神華神東煤炭集團神東工程設計有限公司電氣室主要從事工業與民用供配電設計工作，科員。