一種大功率防爆變頻裝置研究

王 玲

（兗州東方機電有限公司，山東 鄒城 273500）

兗州東方機電有限公司是高低壓成套開關設備、礦用防爆開關設備、自動化監控設備及其系統方案解決的專業化公司，自2006 年開始研制成功礦用防爆變頻調速裝置以來，生產1140V500kW 及以下功率段的防爆變頻調速裝置已非常成熟，在全國各地的煤礦企業中得到大規模應用，技術的先進性及可靠性得到全面檢驗，利用現有變頻器技術再加上并聯技術，完全可以實現1140V630kW 及以上規格的大功率變頻器的成功開發。

1 系統設計

本文研究內容是1140V 變頻器的并聯技術，確定用兩臺1140V 315kW 的變頻功率單元并聯實現1140V 630kW 的拖動功能，從而研發出1140V 630kW 的四象限變頻器，在此基礎上研發出大功率礦用防爆變頻調速裝置。

變頻單元并聯技術的主要難點是確保多臺小功率的變頻器功率器件同步工作，具體表現為功率器件的觸發同步、變頻單元的保護整合為一、變頻單元的電流平衡、變頻單元故障情況下的降載運行。解決方案為：利用同一個主控板控制多臺功率單元的觸發運行、多臺功率單元的電流信號疊加后送主控板進行信號處理、多臺功率單元在電抗器等主回路元件的獨立性。

運用的關鍵技術：利用一個主控板控制兩臺變頻單元的統一平衡同步控制、功率單元電流信號的疊加及分別檢測、單一功率單元故障情況下確保剩余功率單元的減載無故障運行。

具體的技術路線為：利用一個控制板將控制信號同時發給兩個功率單元，控制板程序為1140V 630kW 版本，將兩臺功率單元看作一臺變頻器來控制。兩臺功率單元分別配置獨立的電流檢測回路，電流信號經過一個電路板整合為一個電流信號供給主控板，作為變頻器控制及保護的信號源。

該技術過程中的實施過程為：變頻器主控板發出的功率器件控制信號經過一個信號控制擴展板分為兩路同步控制信號，分別傳送給兩路功率單元，確保功率單元的控制同步。變頻單元分別配置獨立的電抗器、直流母線回路、預充電回路、短路保護回路，保證功率單元可單獨運行。每個功率單元采用市場上用量最大的功率器件：CM800-66H，驅動電路為標準的1140V 變頻驅動板。變頻器散熱方式為傳統的熱管散熱器強制風冷方式，由于單個功率單元功率不大，其散熱采用現有散熱技術完全可以實現，保證了散熱可靠性及通用性。

2 基于雙機(多機)并聯拖動技術的大功率防爆變頻裝置設計

煤礦井下含有甲烷等混合氣體，具有爆炸性。根據使用場所的條件和確定的技術路線，確定研制ZJT 系列礦用隔爆兼本質安全型變頻設備。對交流50Hz、額定電壓1140V 的供電電網，具有起動電流小、輸出力矩大、調速平滑、對電網沖擊小、易于實現集控等優點，完美解決異步電動機重載軟起軟停、無級調速等問題，達到節能和減少機械設備磨損的目的。

該變頻調速裝置共分5 個箱體組成，分為ZJT-630/1140ZL 整流箱、ZJT-630/1140ZL 整流箱、ZJT-630/1140R1 輸入濾波器箱1、ZJT-630/1140R2 輸入濾波器箱2、輸出濾波器。各部分機構運行原理及指標如下：

2.1 變頻器

變頻器共分兩個箱體，分別是ZJT-630/1140ZL整流箱、ZJT-630/1140 變頻箱。

（1）ZJT-630/1140ZL 整流箱

ZJT-630/1140ZL 整流箱作用為：給變頻箱內逆變單元提供穩定的直流電源，當能量由電源向電機端流動時，整流箱內整流單元將電源電壓整流成直流電壓，并對直流電壓值進行精確控制，確保直流電壓平穩，其電壓值為Uac×1.35×1.1；當能量由電機向電源流動時（即電機處于制動狀態或發電狀態），整流單元將直流母線多余的能量返回電源端，并保證電流相位與電網一致、電流波形為正弦波。

（2）ZJT-630/1140 變頻箱

ZJT-630/1140 變頻箱作用為：將直流母線電壓通過開關控制，輸出根據特定頻率、電壓調制的PWM（脈寬調制波）電壓波形，該波形電氣性能與特定頻率、電壓的正弦波一致，從而給電機提供驅動電源。

2.2 輸入濾波器

輸入濾波器共分為兩部分：ZJT-630/1140R1 輸入濾波器箱1、ZJT-630/1140R2 輸入濾波器箱2。

輸入濾波器的主要作用如下：

兩臺箱體內的元件共同組成LCL 濾波電路，將變頻器產生的干擾諧波能量吸收掉，避免變頻器對電網造成諧波污染，保證滿足GB/ T 14549-1993《電能質量 公用電網諧波》等國家標準；輸入濾波器箱內安裝有EMC 濾波器，將150kHz 到1000MHz的騷擾電壓擬制到國家標準（GB12668.3-2003《調速電氣傳動系統 第3 部分：產品的電磁兼容性標準及其特定的試驗方法》）以內。

2.3 輸出濾波器

該輸出濾波器中內裝濾波電抗器，擬制變頻器輸出到電機的諧波干擾，從而降低電機噪音，保護電機絕緣，保證電機溫度正常。

通過以上五部分組成的變頻調速裝置其整體設計成效符合設計指標，其整體技術指標：

額定電壓：1140V；額定功率：630kW；變頻運行方式：四象限運行；變頻調制方式：SPWM 調制；變頻分單元規格：1140V 315kW；變頻散熱方式：熱管散熱器強制風冷散熱；變頻器過載能力：1.5倍過載一分鐘；變頻器起動轉矩：0.5Hz 1.7 倍額定轉矩。

3 基于雙機(多機)并聯拖動技術的大功率防爆變頻裝置散熱設計

隨著現代科技的發展，電子元件集成度越來越高，功能也越來越強大，體積越來越小，發熱量也越來越多。而目前大功率電子模塊常有的散熱方式主要有IGBT 表面公差處理、水冷、翅片冷卻系統和熱管散熱系統。

本文研究內容采用水冷和熱管散熱相結合的方式進行設計，通過溫度控制防止凝露的發生，解決了大功率元器件的散熱問題。一般情況下，裝置通過熱管自然風冷或強制風冷散熱，當溫度檢測裝置檢測到溫度升高到預定值，熱管散熱能力不足時，溫度控制器將進水口的電磁閥緩慢打開，水量隨著電磁閥的緩慢打開會不斷增大，水通過熱的交換方式不斷被加熱，大量的熱量被水帶走。導熱基板在冷水和熱管雙重作用下，溫度不斷下降，使電子元器件的溫度保持在正常工作溫度中。當溫度低于預定值時，溫度控制器將電磁閥緩慢關閉，僅用熱管工作。由于電磁閥緩慢打開/關閉，不會引起內部溫度的急劇變化，加上內部風扇的作用，促進了箱體內部空氣的流動，防止了氣體的凝結，避免了凝露的產生。水冷和熱管散熱既滿足了大功率設備的散熱要求，又彌補了熱管散熱和水冷散熱各自的缺點，實現了優勢互補。

4 防爆送審和電氣性能試驗

變頻調速裝置進行了嚴格的性能試驗，包括：特性曲線、輸出電壓、各項電機保護、溫升、制動特性曲線、制動溫升、EMC（射頻和傳導）檢測等。測量結果表明，變頻調速裝置特性曲線近乎完美，V/F 曲線近乎直線；輸出電壓高于輸入電壓的97%，保證了輸出力矩；電機保護功能齊全；工作溫升也在標準要求之內。變頻調速裝置進行了回饋制動試驗，試驗過程中先將直流加載機啟動，此時加載機拖動交流電機轉動；再啟動變頻調速裝置，設定其速度低于加載機，則變頻調速裝置處于制動狀態。調節加載機輸出力矩到額定力矩，根據各個速度點測量的電壓電流繪制出特性曲線。測量結果顯示，各個頻率下，變頻調速裝置都可穩定地輸出制動力矩，并將能量回饋電網。國家采煤機械質量監督檢驗中心委托上海電科所對變頻調速裝置進行了EMC 檢測。試驗包括射頻干擾和傳導干擾兩部分，在滿載情況對變頻調速裝置進行測量，其結果符合相應國標要求。其他部件的性能試驗與出廠試驗完全一致，詳情請參考檢驗報告。

5 結語

基于雙機(多機)并聯拖動技術的大功率防爆變頻裝置的研究建立和投入使用，可以完善現有的大功率防爆變頻系統，能夠解決現有防爆變頻系統因一些固有因素而造成的一些問題，能為企業在防爆變頻上提供更多的選擇，保障生產的順利進行，提高勞動生產效率，增強企業的競爭力。總之，基于雙機(多機)并聯拖動技術的大功率防爆變頻裝置的研制成功，實現了技術的創新，科技含量高，性能先進，可靠性高，不僅可應用于煤礦井下舊絞車電控系統的現代化改造及新增絞車電控系統，其技術也可應用于煤礦所有1140V 大功率交流電機的驅動系統。該系統的推廣應用必將提高煤礦生產的安全性及生產效率，提高礦井現代化水平，降低煤礦生產成本，產生極大的社會效益及經濟效益。