防爆變頻器在煤礦應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)

劉東耀 宋青東 高俊梅

[摘 ? ?要 ]隨著我國(guó)電子技術(shù)的飛速發(fā)展以及和科學(xué)技術(shù)的迭創(chuàng)新與進(jìn)步，防爆變頻器在我國(guó)眾多領(lǐng)域中運(yùn)用廣泛，卻在煤礦應(yīng)用中存在著一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題亟待解決。主要針對(duì)防爆變頻器在煤礦應(yīng)用中的電壓等級(jí)問(wèn)題、散熱問(wèn)題、電磁兼容性問(wèn)題、逆變器轉(zhuǎn)換效率問(wèn)題展開(kāi)詳細(xì)論述，并針對(duì)上述問(wèn)題有針對(duì)性地提出了防爆變頻器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、優(yōu)化控制策略，以供相關(guān)技術(shù)與研究人員提供一些借鑒與參考。

[關(guān)鍵詞]防爆變頻器;煤礦;實(shí)際運(yùn)用;關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題;控制策略探究

[中圖分類(lèi)號(hào)]TD684 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）06–00–02

[Abstract]With the rapid development of electronic technology in our country and the continuous innovation and progress of science and technology， explosion-proof frequency converters are widely used in many fields in our country， but there are some key technical problems in coal mine applications that need to be solved urgently. It mainly focuses on the voltage level issues， heat dissipation issues， electromagnetic compatibility issues， and inverter conversion efficiency issues of explosion-proof inverters in coal mine applications. In response to the above problems， the circuit topology of explosion-proof inverters， Optimize the control strategy to provide some reference and reference for related technology and researchers.

[Keywords]explosion-proof frequency converter; coal mine; practical application; key technical issues; control strategy research

1 防爆變頻器在煤礦應(yīng)用中的電壓等級(jí)問(wèn)題

目前，在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)以及人們實(shí)際生活中最為常用的電壓等級(jí)有兩種：220V和380 V。然而，在煤礦工業(yè)生產(chǎn)、制造與加工環(huán)節(jié)中，在其特殊的生產(chǎn)制造與施工作業(yè)條件之下，煤礦井在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中所使用的電壓等級(jí)隨著生產(chǎn)制造環(huán)境難度的加大，對(duì)供電電壓也提出了更高的要求。一般情況下，煤礦應(yīng)用中所使用到的供電電壓等級(jí)比平常的工業(yè)生產(chǎn)以及民用生活所使用到的電壓等級(jí)多出2倍，其電壓等級(jí)一般選用660 V或1140 V。在實(shí)際的煤礦生產(chǎn)、制造、加工以及實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，隨著我國(guó)生產(chǎn)能力的不斷提高，我國(guó)能源消耗量逐年增加，對(duì)于煤礦生產(chǎn)能力的要求也隨之不斷拔高，對(duì)于煤礦生產(chǎn)、制造與加工環(huán)節(jié)中的機(jī)械裝置、生產(chǎn)設(shè)備的功率需求也隨之不斷攀升。很多大型或中型的煤礦綜采工作面或綜采平臺(tái)的供電電壓的等級(jí)較之于平常使用的660 V以及1140 V有所提高，一些中型的煤礦綜采工作面或綜采平臺(tái)的供電電壓的等級(jí)已提升至3300 V，一些中型的煤礦綜采工作面或綜采平臺(tái)的供電電壓的等級(jí)已提升至6 kV，甚至有一些極少部分的大型或中型的煤礦綜采工作面或綜采平臺(tái)的供電電壓的等級(jí)已提升至10 000 V等。然而，目前在煤礦供電系統(tǒng)最常使用的供電電壓等級(jí)還是以660 V或1140 V為主導(dǎo)電壓等級(jí)。比如，煤礦井下的帶式、刮板輸送裝置、煤井通風(fēng)設(shè)備、煤礦礦井供給水泵裝置等機(jī)械裝置都選取該電壓660 V或1140 V這兩類(lèi)主導(dǎo)電壓等級(jí)進(jìn)行電力供應(yīng)。在針對(duì)實(shí)際煤礦應(yīng)用中的電壓等級(jí)問(wèn)題進(jìn)行研究時(shí)，通過(guò)電氣控制系統(tǒng)對(duì)防爆變頻器予以變頻改造過(guò)程中，對(duì)防爆變頻器的電壓等級(jí)應(yīng)該首選660 V和1140 V2個(gè)電壓等級(jí)，選擇并改造出能夠適配于660 V和1140 V這兩個(gè)電壓等級(jí)的防爆變頻器。

2 防爆變頻器在煤礦應(yīng)用中的散熱問(wèn)題

將防爆變頻器在實(shí)際煤礦運(yùn)用活動(dòng)中最關(guān)鍵的問(wèn)題就是機(jī)械設(shè)備的散熱問(wèn)題。一般情況下，通常使用的變頻器功耗大約為變頻器容量3%～6%，逆變部分功耗大約為變頻器容量的45%左右，整流及直流回路功耗大，約為變頻器容量的35%左右，控制及保護(hù)電路功耗大約為變頻器容量的1/10左右?，F(xiàn)如今，在變頻器中廣泛使用的主流功率器件有1GBT（絕緣柵雙極型晶體管）以及智能功率模塊IPM（將功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且其內(nèi)部還集成有過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)熱等故障檢測(cè)電路，并可將檢測(cè)信號(hào)送到CPU）。其中，絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)熱量約為主回路發(fā)熱總量的1/2～7/10。因?yàn)?，防爆變頻器中的電氣元器件一般被密閉保存在隔爆腔體，根本不能在自然條件下冷卻，如果通過(guò)水冷的方式將防爆變頻器中的電氣元器件予以冷卻，則應(yīng)該運(yùn)用水循環(huán)系統(tǒng)以及散熱器裝置冷卻防爆變頻器中的電氣元器件，以保證其正常運(yùn)作。然而，由于防爆變頻器的外殼裝置體積沉重，因此，在防爆變頻器的外殼裝置中進(jìn)一步完善并健全水管設(shè)備以及散熱裝置必然會(huì)進(jìn)一步加大防爆外殼的體積和重量，使其不堪重負(fù)，極大地限制了防爆變頻器安裝和維護(hù)工作的正常進(jìn)行與順利完成。由此可見(jiàn)，科學(xué)、快速、高效、合理地對(duì)防爆變頻器進(jìn)行有效散熱并使熱量快速脫離防爆殼成為防爆變頻器設(shè)計(jì)與建造的核心。

就現(xiàn)階段而言，一方面，防爆變頻器中的電氣元器件一般被密閉保存在隔爆腔體，根本不能在自然條件下冷卻;另一方面，由于防爆變頻器的外殼裝置體積沉重，因此，在防爆變頻器的外殼裝置中進(jìn)一步完善并健全水管設(shè)備以及散熱裝置必然會(huì)進(jìn)一步加大防爆外殼的體積和重量，并極大地限制了防爆變頻器安裝和維護(hù)工作的正常進(jìn)行與順利完成。在這種條件下，熱管散熱器憑借其優(yōu)良性能，一躍成為一種防爆變頻器有效散熱并使熱量快速脫離防爆殼的高效方式。隔熱型熱管散熱器可利用工作介質(zhì)不斷地進(jìn)行冷凝和汽化操作，進(jìn)而將各類(lèi)機(jī)械裝置零部件以及防爆變頻器的熱量予以傳導(dǎo)，隔熱型熱管散熱器熱阻可達(dá)0.01℃/W，較之于普通散熱器的自然冷卻，隔熱型熱管散熱器的散熱性能是普通散熱器的自然冷卻效果10倍左右。將隔熱型熱管散熱器運(yùn)用于雙面散熱的電子器件，能夠高效地將防爆腔中的各類(lèi)機(jī)械裝置零部件在實(shí)際運(yùn)作環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的熱量迅速傳至防爆變頻殼體之外，并在散熱片的作用之下使熱量快速散失，以便于防爆變頻器高效快速散熱。防爆型熱管散熱器的主要有3個(gè)部分構(gòu)成：①防爆型散熱管;②防爆型散熱片;③防爆型基板。

對(duì)于防爆變頻器而言，運(yùn)用防爆型熱管散熱器可以將變頻器的各類(lèi)機(jī)械裝置零部件在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱能、熱量在基板的作用之下，從熱管的這一邊在通道介質(zhì)中在飽和蒸汽的作用下被傳導(dǎo)到熱管的另一邊，這一邊也就是冷凝段所處的具體位置。在飽和蒸汽的作用之下熱量由熱管一端被傳導(dǎo)至冷凝段，在冷凝段位置進(jìn)行散熱片的安置工作，并確保散熱片結(jié)構(gòu)完好并能正常發(fā)揮其應(yīng)有的作用。散熱片可以將變頻器的各類(lèi)機(jī)械裝置零部件在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)對(duì)流或有輻射的熱量傳導(dǎo)形式，將熱量傳導(dǎo)到各類(lèi)機(jī)械裝置零部件以及防爆變頻器的環(huán)境空間，在工作介質(zhì)的飽和蒸汽的作用之下，順利地將氣體轉(zhuǎn)換為液態(tài)，并利用熱管內(nèi)管芯毛細(xì)結(jié)構(gòu)的抽吸回流作用，將飽和蒸汽的作用之下的液體成功地傳輸至熱管蒸發(fā)段。需要特別注意的是：在防爆變頻器中安置熱管應(yīng)該將熱管稍稍上揚(yáng)，以便于介質(zhì)液體抽吸回流工序的正常進(jìn)行并順利完成。

3 防爆變頻器在煤礦應(yīng)用中的電磁兼容性問(wèn)題

目前，應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)、制造與生產(chǎn)的各類(lèi)電力電氣機(jī)械裝置明目眾多，且電力電氣設(shè)備的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程較為繁復(fù);因此，防爆變頻器特別容易被電磁擾亂，且在實(shí)際運(yùn)用中的防爆變頻器不僅要產(chǎn)生噪聲，而且又必須作為噪聲的收納裝置，必須保證兩者能夠合理兼容，即電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility）。防爆變頻器的電路組成主要由3大部分構(gòu)成：①整流電路;②逆變電路;③控制電路。

普遍而言，運(yùn)用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)對(duì)防爆變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，防爆變頻器在實(shí)際運(yùn)作環(huán)節(jié)出現(xiàn)的高次諧波可以通過(guò)傳導(dǎo)耦合、公共阻抗耦合以及電磁耦合這3種耦合方式予以干擾。然而，由于在實(shí)際運(yùn)作環(huán)節(jié)中耦合通道的差異性，防爆變頻器干擾區(qū)主要由共模干擾以及差模干擾構(gòu)成。其中，一般情況之下，共模干擾是由變流器中的功率開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)引起的du/di經(jīng)對(duì)地雜散電容間的耦合傳播干擾;反之，差模干擾是由功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)引起的di/dr經(jīng)輸入/輸出線(xiàn)間的導(dǎo)體傳播干擾。

現(xiàn)如今，我國(guó)對(duì)于防爆變頻器電磁兼容性問(wèn)題方面的研究主要從硬件結(jié)構(gòu)和軟件編程這兩個(gè)視角入手進(jìn)行研究，并且研究程度已經(jīng)逐漸深入。其中通過(guò)硬件結(jié)構(gòu)抗干擾的抗干擾原理是通過(guò)減少干擾源對(duì)防爆變頻器電磁兼容性產(chǎn)生的影響;并使用特定的方式切斷耦合通道，進(jìn)而降低系統(tǒng)干擾信號(hào)的敏感性。針對(duì)這一情況，應(yīng)該通過(guò)濾波、隔離、屏蔽、接地等方式把防爆變頻器的干擾抑制進(jìn)行嚴(yán)格管控。然而，在實(shí)際防爆變頻器的實(shí)際運(yùn)作環(huán)節(jié)中，因?yàn)?，防爆變頻器的內(nèi)部腔體內(nèi)包括主電路以及控制回路;因此，主電路以及控制回路非常容易被限制，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的弊端。由此可見(jiàn)，面對(duì)電磁兼容性問(wèn)題，首先應(yīng)該找到防爆變頻器出現(xiàn)電磁干擾的因素，即必須從干擾源、中間渠道出發(fā)。隨后，仔細(xì)分析其原因，從縮減電磁干擾源的干擾強(qiáng)度，阻礙電磁干擾進(jìn)行中間渠道傳播等角度出發(fā)提高防爆變頻裝置的電磁抗干擾度，比如針對(duì)防爆變頻器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)、合理地改進(jìn)與完善，優(yōu)化防爆變頻器的控制措施以及防爆變頻器的驅(qū)動(dòng)電路等。

4 防爆變頻器在煤礦應(yīng)用中的逆變器轉(zhuǎn)換效率問(wèn)題

要想真正解決防爆變頻器的散熱、電磁兼容性問(wèn)題，并提高逆變器轉(zhuǎn)換效率，則必須降低逆變器的功率損耗。一方面可以采取低損耗的功率器件;另一方面，可以通過(guò)改良、完善防爆變頻器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，優(yōu)化控制策略這兩種方式予以應(yīng)對(duì)。

5 改良防爆變頻器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，優(yōu)化控制策略

一般情況之下，防爆變頻器中的逆變器選取二電平結(jié)構(gòu)，極大地加大了逆變器的功率損耗，降低轉(zhuǎn)換效率。較之于二電平結(jié)構(gòu)，改變防爆變頻器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以用三電平結(jié)構(gòu)取代二電平結(jié)構(gòu)，降低逆變器損耗，逆變器損耗的減小也意味著變頻器的散熱問(wèn)題得到解決。三電平逆變器的絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor）普遍選用模塊化結(jié)構(gòu)作為支撐，其優(yōu)勢(shì)在于：反向阻斷電壓較低、芯片比二電平薄，具有更低的開(kāi)關(guān)損耗和正向壓降，單個(gè)橋臂的總損耗比二電平逆變器低六成左右。此外，三電平逆變器可有效減小耐壓水平，使其損耗降低，提高防爆變頻器的電磁兼容性，適用于三電平逆變器的控制策略采用空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)。三電平逆變器每相輸出狀態(tài)有正（P）、零（Z）、負(fù)（N）3種狀態(tài)，組合形成27種空間電壓矢量，在三電平逆變器中，可以選擇不同的矢量合成方法來(lái)實(shí)現(xiàn)SVPWM和中點(diǎn)電壓的平衡控制。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，可通過(guò)隔熱型熱管散熱器防爆變頻器可解決變頻器的防爆和散熱問(wèn)題;通過(guò)改變變頻器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并優(yōu)化控制策略等技術(shù)手段可解決變頻器的電磁兼容性問(wèn)題和能耗問(wèn)題，防爆變頻器，以滿(mǎn)足煤礦生產(chǎn)的現(xiàn)代化要求。

參考文獻(xiàn)

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