1000kW礦用隔爆兼本質安全型交流變頻器

韓麗民

（大同煤礦集團機電裝備制造有限公司 中央機廠，山西 大同 237001）

0 引言

隨著煤炭資源的高產能開采，大功率采、掘、運設備不斷增加，其電壓等級也逐步升高。目前礦井綜采工作面大多數以1 140 V作為供電系統的主導電壓,設備也由單機拖動改為多機驅動，單機容量已達1 000 kW，起動方式有調壓軟起動器、液力耦合器、雙速電機。這些方式起動力矩小，當設備處于重載下（膠帶機、刮板機突然斷電出現壓煤時）不能將設備起動，不能對多驅設備進行功率平衡調節，不能實現恒壓供液，采用變頻技術將有效解決大功率膠帶輸送機、刮板輸送機、乳化液泵等設備的重載軟起動、調速、功率平衡、恒壓供液等問題。為此，大同煤礦集團機電裝備中央機廠對國內煤礦帶式輸送機、刮板輸送機、乳化油泵等設備使用狀況、現存問題進行調研，經過綜合分析論證,決定研制1 000 kW/1 140 V礦用隔爆兼本安型變頻器，用于帶式輸送機、刮板輸送機、乳化油泵等設備的變頻調速控制。該變頻器具有起動轉矩大、調速性能好、控制功能齊全、性價比適中，對確保礦井安全生產，提高機械設備使用壽命，提高礦井生產自動化水平，節能降耗，推動煤炭行業技術進步具有極其重要的意義。

1 研究內容和技術難點

本項目的主要研究內容包括：隔爆外殼的設計、主回路設計（包括輸入濾波器、整流單元、逆變單元、光線分配單元），以及與主回路相關的輔助功能（包括欠壓保護、先導、漏電閉鎖等功能），同時需要解決散熱、EMC等問題。從調速裝置方案、調速裝置主電路設計、控制策略、保護電路設計、本安關鍵電路設計、防爆系統設計、軟啟動功能設計、防爆功能和系統監控與通訊系統設計等9個方面著手，采用ABB直接轉矩控制技術和英飛凌的高壓大容量IGBT技術及CONCEPT驅動技術，研制出1 140 V/1 000 kW防爆調速裝置，適用于煤礦井下帶式輸送機、刮板輸送機、乳化液泵等設備的變頻調速裝置，實現節能和自動化運行，滿足現代化礦井大型設備的需要。實現大功率隔爆變頻器的設計目標，要重點解決如下技術難點：

1）功率器件散熱方式：開放式水冷、寬水道曲路設計增加了導率，有效地防止了水道堵塞。水垢主要是鈣鹽和鎂鹽，它們隨溫度升高溶解度降低，冷卻水水溫控制不超過50℃，結垢量將大大降低，針對煤礦普通用水，可保證5年不堵塞。

2）直接轉矩控制：ABB公司的直接轉矩控制技術，已經在青島天信電氣有限公司低壓和中壓變頻器產品中得到了充分的認證和應用，具有良好的低速大轉矩特性。

3）整流電路。采用六脈波整流，降低了器件功率，有效降低了對電網的干擾。

4）LCL濾波器的設計。LC參數的選擇考慮對EMI的抑制，保證各項指標符合國標要求。

5）整機散熱方式。整機的發熱主要來自IGBT和功率電抗器，IGBT產生的熱量被循環水帶走，而電抗器在隔爆箱體內熱量不能及時散走，故將電抗器安裝在獨立隔爆殼體內，使其產生的熱量不影響變頻器主機的正常運行。

6）功率器件及驅動。功率器件選用英飛凌公司1200A/3300V IGBT，驅動選擇CONCEPT公司產品，設計開發轉換單元，將Infineon大功率模塊驅動技術與ABB變頻控制技術進行完美結合。

2 應用情況及創新點

2.1 應用情況

1 000 kW/1 140 V大功率防爆變頻器以其突出的最大起動轉矩和調速范圍大、調速精度高、節能效果好、運行可靠、維護方便等優勢，將廣泛應用于煤礦井下帶式輸送機、刮板輸送機、乳化液泵等設備,實現大轉矩零速啟動、恒壓供液、功率平衡；同時，通過標準的現場總線通訊鏈，將設備運行狀態和參數實時傳輸給地面調度系統，并可通過地面調度系統進行起停車操作、參數設定、生產運行統計等，大大提高了自動化的水平；同時采用變頻器后減少了設備的機械磨損和沖擊，減少了維修費用和工時，延長使用壽命，降低了生產成本，具有廣闊的推廣應用前景，必將帶來顯著的經濟、社會效益。煤礦井下帶式輸送機、刮板輸送機、乳化液泵等設備采用變頻調速后的經濟效益主要體現在以下幾個方面：1）采用變頻調速裝置后功率因數可達0.95以上，降低了無功功耗；2）采用變頻調速裝置后，電機與減速器之間可直接聯接，去掉液力耦合器后傳遞效率可提高5%～10%；3）多電機驅動設備（帶式輸送機、刮板輸送機）采用變頻調速裝置后，變頻器具有動態脫并機功能，可根據負荷量狀況進行脫機和并機控制，實現節能；4）采用變頻調速裝置對乳化液泵實行恒壓供液控制，解決了壓力波動和管路沖擊問題，減少了高壓管件的損耗，更重要的是實現了安全可靠的經濟運行，避免了泵站電機空載運行造成的電能損耗。

2.2 主要技術特點

1）采用ABB公司原裝控制主板，其控制功能達到ABB公司ACS800系列變頻器的全部功能；2）采用ABB公司DTC直接轉矩控制技術，可實現零速滿轉矩起動，最大起動轉矩不低于220%的電機額定轉矩，而其他廠家產品最大不超過200%；3）選用英飛凌1 200 A/3 300 V IGBT作為逆變功率元件，具有2倍以上的安全系數，變頻器可在120%過載狀態下長時間運行，因此可按電機功率選擇同功率變頻器，而其他廠家產品必須按高于電機功率一個功率段選擇變頻器；4）變頻器輸出電纜允許長度550 m，而其他廠家產品最大不超過50 m，因此本公司產品可應用在膠帶及刮板輸送機上，實現輸送機的變頻軟起和調速運行；5）可組成長距離（5 km以內）多點多臺變頻器的聯臺控制系統，實現多機程序控制和功率平衡調節；6）具有動態脫并機功能，多機驅動一臺膠帶輸送機，將某臺從機設為備投機，膠帶輸送機起動運轉后，主機根據負荷量狀況（根據電機電流計算）進行脫機和并機控制，實現節能；7）具有低速運行驗帶功能，以便對膠帶進行檢查；8）具有過載、短路、過電壓、欠電壓、缺相、過熱、漏電、接地、電動機超溫等保護功能；9）配有10.4 in彩色液晶顯示屏，可顯示系統圖形、運行參數、故障信息、歷史記錄的查詢；10）具有強大的軟件功能，通過選取不同的應用宏，完成對不同設備的調速控制，并可通過鍵盤進行應用參數的選擇、整定和讀取；11）具有對冷卻水系統進行調節控制和溫度檢測功能；12）具有多種上傳通訊接口，可與各種通訊協議匹配，可與礦井信息化系統對接，實現遠程控制；13）具有數字量控制接口和模擬量檢測接口，可對輔助設備進行控制和檢測。

3結語

變頻調速是近年來迅速發展且應用勢頭良好的交流電機調速方法,變頻調速裝置的核心是變頻器,其結構和種類很多,但功能基本一致。變頻調速是今后交流電機調速電控裝置發展的主要方向。

［1］ 龐寶良,邱錦川,韓菊娣.交流變頻器在煤礦井下應用的現狀及其前景［J］.煤炭科學技術，2003（10）：54-56.

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