3.3kV礦用組合高壓防爆變頻器設(shè)計(jì)探究

吳世均

（上海偉肯實(shí)業(yè)有限公司，上海201806）

煤礦采掘面驅(qū)動刮板機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)的設(shè)備，都要求無極調(diào)速、低頻大轉(zhuǎn)矩特性，傳統(tǒng)的液力偶合器調(diào)速系統(tǒng)根本無法滿足工況要求。采掘面3.3KV 供電系統(tǒng)早已得到應(yīng)用,3.3KV 防爆高壓變頻器應(yīng)運(yùn)而生。本文以模塊化思路實(shí)現(xiàn)高壓防爆變頻器設(shè)計(jì)，規(guī)避共整流方式的缺點(diǎn)，滿足變頻器故障不停運(yùn)，快速維修的要求，為煤礦可靠地實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)做出一定貢獻(xiàn)。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)3.3kV 組合防爆高壓變頻器，包括兩組合、三組合兩個(gè)大的類型，每一個(gè)類型包括1250kW 和2000KW 兩個(gè)功率段的變頻器，由于涉及到多種變頻器，而同功率的兩組合和三組合變頻器，物料類型相同，所以變頻器主回路采用多個(gè)單獨(dú)主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且對主回路進(jìn)行劃分，形成了5 個(gè)功能模塊。控制回路也進(jìn)行劃分，形成內(nèi)控和外控兩大模塊。相同功率的變頻器，就可以直接使用這些功能模塊，既減少了設(shè)計(jì)工作量，又利于提高生產(chǎn)和售后服務(wù)效率。

2 整機(jī)設(shè)計(jì)

礦用組合高壓防爆變頻器主回路采用交直交電壓型拓?fù)洌魍負(fù)浣Y(jié)構(gòu)采用串聯(lián)12 脈動整流或者6 脈動三相橋式整流、直流采用模塊式薄膜電容、逆變采用一字型三電平拓?fù)洹Ｈ鐖D1所示的12 脈動的3.3KV 單臺高壓防爆變頻器主回路拓?fù)鋱D。在三組合變頻器中，含有三臺相同的變頻器，三臺變頻器的主回路完全相互隔離，其中任何一臺變頻器出現(xiàn)故障，可以直接斷掉電源，啟動備用變頻器，或者剩下的變頻器投入運(yùn)行，不影響煤礦的生產(chǎn)。可將圖1 的主回路劃分為5 個(gè)模塊：（1）功率輸入單元：包括高壓繼電器、預(yù)充電電阻、主真空接觸器KM1 和KM2。（2）模組Z+U：包括整流部分、均壓電阻和逆變U 相。（3）模組V+W：包括逆變V 相和逆變W 相。（4）儲能單元，包括C1-C6 的薄膜電容。（5）功率輸出單元，也就是輸出電抗器，如圖2 所示。

在整機(jī)布局中，可以將組合變頻器的所有功率輸入單元統(tǒng)一放入外控腔，將剩下部分放置在變頻腔中，這樣組合變頻器就由一個(gè)外控腔和多個(gè)變頻腔構(gòu)成。如圖3 所示，是三組合變頻器，由一個(gè)外控腔和三個(gè)變頻腔構(gòu)成。

圖1 12 脈動單臺3.3KV 高壓防爆變頻主回路拓?fù)?/p>

圖2 單臺高壓變頻器主回路模塊劃分方案

圖3 三組合整機(jī)防爆變頻器

主回路所有的單元，在單體、兩組合、三組合防爆變頻器中，同功率段的單元相同，彼此之間相互共用，減少庫存和配件種類。變頻器逆變側(cè)控制部分，包含變頻器主控板、信號板、相應(yīng)的開關(guān)電源、給驅(qū)動供電的開關(guān)電源等，構(gòu)成了內(nèi)控盒，顯然一個(gè)變頻器腔需要一個(gè)內(nèi)控盒。組合變頻器中，為了接受外部電控控制、監(jiān)控組合變頻器使用情況、適應(yīng)現(xiàn)場工況設(shè)置多種控制模式，構(gòu)成以PLC為核心外控盒。這樣變頻器控制回路就分成外控和內(nèi)控兩大模塊，如圖3 所示，由一個(gè)內(nèi)控盒，三個(gè)外空盒構(gòu)成。內(nèi)控盒到模組之間的控制線和光纖、外控盒到內(nèi)控盒的控制線可以預(yù)先設(shè)計(jì)成快插形式的多芯電纜，由線束廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，杜絕了因?qū)Ь€連接不當(dāng)造成的故障。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

綜合考慮電阻功率消耗，放電時(shí)間等因數(shù)，每個(gè)均壓電阻取值為200KΩ，同時(shí)主回路增加放電單元。根據(jù)公式(3),放電15 分鐘后，母線電壓值約為200V，此時(shí)由外控PLC 控制投入放電單元，快速放掉剩余電能。C7、C8 是無感薄膜吸收電容，作用是吸收U-T1 至U-T4 四個(gè)IGBT 在關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰值。根據(jù)

根據(jù)文獻(xiàn)[2]結(jié)論，PWM 變頻器輸出電壓在長電纜中將產(chǎn)生行波反射現(xiàn)象。將嚴(yán)重影響電機(jī)和電纜的絕緣。根據(jù)文獻(xiàn)[3]結(jié)論，輸出電抗器的直接作用即為延長PWM 電壓脈沖上升時(shí)間，可以較好解決電機(jī)端過壓問題。同時(shí)電感基本作用是阻礙電流的變化，當(dāng)變頻器發(fā)生II 次短路時(shí)，能有效減少電流的變化率，防止大電流對IGBT 的沖擊。因此在本項(xiàng)目中，統(tǒng)一設(shè)計(jì)輸出電抗器，當(dāng)電機(jī)超過1000 米時(shí)，還會增加RC，構(gòu)成RLC 低通濾波器。

3.2 散熱設(shè)計(jì)

首先要考慮模組V+W 散熱設(shè)計(jì)，在負(fù)載2000KW 時(shí)，該模組散熱量是15kW，綜合考慮導(dǎo)熱率、耐水壓、價(jià)格因數(shù)和加工難度，最終選擇鋁板，但鋁水冷板水壓最高不能超過1MPa，因此要求供水水壓范圍為0.4～1MPa。通過實(shí)測，煤礦井下供水水壓范圍0.8～3MPa 之間，因此水冷輸入端必須安裝減壓閥和安全閥，井下水質(zhì)較差，還需安裝過濾閥，防止水垢等堵塞水道。

3.3 安全性設(shè)計(jì)

采掘類負(fù)載，電機(jī)導(dǎo)線隨設(shè)備列車伸縮運(yùn)動，很容易被尖銳物體刮破。因?yàn)閷?dǎo)線長，變頻器發(fā)生II 次短路時(shí)，變頻器保護(hù)有延時(shí)。所以本項(xiàng)目中，在變頻器中線上設(shè)置在線絕緣監(jiān)視儀，實(shí)時(shí)檢測檢測整個(gè)系統(tǒng)的絕緣值。在3.3KV 系統(tǒng)中，國標(biāo)規(guī)定絕緣電阻小于120KΩ 報(bào)漏電故障，通過在線絕緣監(jiān)視儀實(shí)時(shí)檢測，可以將漏電絕緣提高到10MΩ，大大整個(gè)供電系統(tǒng)安全性。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 模組水冷實(shí)驗(yàn)

2000KW 三組合變頻器，在額定負(fù)載，水流量60LPM，近口水溫25℃，模組V+W 的水冷仿真實(shí)驗(yàn)，水冷基板最高溫度48.8℃，溫升23.8℃。通過實(shí)際滿載溫升實(shí)驗(yàn)，與仿真結(jié)果一致。

4.2 短路試驗(yàn)

W-T1 對中線短路的II 次短路試驗(yàn)波形，CH3 通道是IGBT的集電極電流，CH4 通道是Vce 電壓值，分析可知，最大電路電流4.72KA，半母線電壓2600V，電壓過沖值。

4.3 整機(jī)實(shí)驗(yàn)

整機(jī)實(shí)驗(yàn)包括水壓實(shí)驗(yàn)、爆炸實(shí)驗(yàn)、耐潮實(shí)驗(yàn)、壓頻比實(shí)驗(yàn)、溫升實(shí)驗(yàn)、EMC 實(shí)驗(yàn)等，均通過了上海防爆站驗(yàn)證，取得了防爆合格證。產(chǎn)品在小保當(dāng)?shù)榷鄠€(gè)煤礦得到應(yīng)用，運(yùn)行良好。

5 結(jié)論

3.3 kV 礦用組合高壓防爆變頻器，通過合理拓?fù)鋭澐郑蓪⒅骰芈泛涂刂苹芈愤M(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，使得單體、兩組合和三組合變頻器可以共用相同模塊，簡化了設(shè)計(jì)工作量，提高了生產(chǎn)效率，也方便了煤礦對設(shè)備的維護(hù)，整機(jī)布局合理、性能可靠，滿足煤礦對高可靠性、無極調(diào)速和低頻大轉(zhuǎn)矩的要求。