礦用防爆型中高壓變頻器的設計與應用研究

楊華松

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.撫順中煤科工檢測中心有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

隨著煤礦生產領域的發展，一些大型和中型煤礦生產儀器單機功率有著大幅度的增加，這樣給礦井帶來了一定的安全隱患，很容易引發安全事故。基于此，為了減少安全事故的發生，確保各項生產設備的穩定性，設計出了防爆型高壓變頻器，并且將其應用到其中，這樣不僅可以對生產設備進行實時調節，還起到了綜合保護作用，降低了對能源的消耗。總的來說，防爆型高壓變頻器可以有效減少礦用生產設備故障的產生，實現良好的生產效率和生產效益，促使煤礦領域可以安全、穩定的發展。

1 高壓變頻器分析

在防爆型高壓變頻器設計之前，要對高壓變頻器的結構原理以及優勢等相關內容有一定的了解和掌握，可以更加從容地展開防爆型高壓變頻器設計，實現預期的設計效果[1]。那么，高壓變頻器的結構原理和優勢具體內容如下。

1.1 結構原理

高壓變頻器是以多個功率單元串聯多電平輸出高壓為主，其結構為交流電、直流電。交變流電為主，并且是由高壓開關設備、移相變壓器、功率單元、控制單元、冷卻設備等方面組成。其中，高壓開關設備在高壓變頻器中，主要是接通斷開的輸入電源以及負載，切換工頻，滿足高壓變頻器運行對電流的需求；移相變壓器主要是將高壓變頻器中高壓進行轉換，生成多組低壓，并且針對各副邊應當采用延邊三角連接方式；功率單元屬于高壓變頻器的核心，一般都是以多重電路結構為主，并且將其分為三組，每組為一相，每個單元可以將三相電流進行整流儲存，濾波逆變以后，可以輸出單相低壓交流電。由于每組對各功率單元輸出以后形成高壓，這樣各個單元可以實現自檢、自動退出功能，以此起到了保護的作用，避免造成不必要的損失；控制單元在高壓變頻器中，主要是對主回路起到了檢測、保護等作用，并且對于傳輸、接受的指令以及參數進行嚴格的控制，以此減少異常現象的產生[2]。另外，控制單元通過利用光纖，對每一個功率單元進行整流、逆變控制以及檢測等，從而實現電氣隔離。冷卻風扇在高壓變頻器中，主要是起到降溫的作用，避免產生高溫運行，并且是一般安裝高壓變頻器柜頂，利用往外抽風的方式進行冷風降溫。

1.2 優勢

高壓變頻器憑借自身的優勢，在很多行業領域中都有著廣泛的使用，所帶來的效益是非常可觀的。對此，下面就對高壓變頻器的優勢展開了簡單的研究。

1.為了保證礦用設備的運行效率，提高產量，對設備運行速率進行調整，但是礦用設備速度的增加，使得控制難度增加，安全事故極容易發生。同時，隨著高壓變頻器的發展，逐漸加大對其的應用力度，礦用設備的運行速度得以很大的提升，例如：帶式輸送機、提升機等，并且在礦用設備運行期間，高壓變頻器可以對其進行精準把控，以此減少異常問題的產生。

2.煤礦生產與其他生產領域有著很大程度上的不同，尤其是生產環境，不僅粉塵污染相對較大，還存在大量易燃氣體，存在較大的安全隱患[3]。因此，高壓變頻器在應用期間，為了提升其使用壽命，在原有的基礎之上進行了改善和研究，形成防爆型高壓變頻器。另外，由于防爆型高壓變頻器的控制相對較為簡單，后期維護也相對較為便利，所以很適合用于煤礦開采的復雜環境中，減少礦用設備安全故障的產生。

2 防爆型高壓變頻器設計思路

設計思路始終貫穿于整個防爆型高壓變頻器設計工作中，具有一定的指導性作用，以此保證防爆型高壓變頻器設計效果。防爆型高壓變頻器設計思路主要包括以下幾點內容。

1.防爆型高壓變頻器設計主要結合現用的高壓變頻器結構以及使用情況，對防爆型高壓變頻器進行升級和改善，提升其綜合性能，從而保證礦用設備運行的穩定性。同時，防爆型高壓變頻器主要是由PLC 控制器、開關、熔斷器、濾波器、電抗器、散熱器、機芯及顯示屏等組成，并且變頻是以轉矩控制為主，其應用范圍相對較廣，響應速度也相對較快[4]。另外，將二極管應用到其中，主要是因為其性能較為穩定性，安裝也相對較為方便，可以有效提升防爆型高壓變頻器的綜合使用性能。

2.為保證防爆型高壓變頻器內部構件運行的可靠性，在防爆型高壓變頻器設計的時候，需要利用抗沖擊性強的防爆型外殼，并且為了避免長期運行產生熱量集中引發異常，需要根據情況，利用水冷方式進行散熱，這樣主要是將其溫度控制在合理的范圍內。另外，在防爆型高壓變頻器設計的時候，一定要優化設備的過載性能，更好地滿足礦用設備安全、穩定生產的需求。

3 防爆型高壓變頻器設計要點

在掌握設計思路以后，需要對煤礦生產環境進行綜合考慮，以此優化防爆型高壓變頻器性能[5]。另外，在防爆型高壓變頻器設計的時候，其設計內容較為復雜，所以一定要掌握各項設計要點，確保其設計的準確性，提升設計效果。

3.1 硬件和機芯

硬件和機芯作為防爆型高壓變頻器設計中的一項重點內容，其設計內容如下：

1.硬件主要包括主控、接口、現實版、PLC 控制器及防爆按鈕等方面，其中顯示板主要是利用網線與通信接口進行連接，以此實現良好的通信功能，便于各項工作人員對實時情況的了解。同時，由于PLC 控制器相對較為穩定，運行能力也相對較強，所以在設計的時候，可以實現多接口傳輸，這樣可以有效提升防爆型高壓變頻器的綜合性能。

2.機芯在防爆型高壓變頻器中，屬于核心組件，對此在設計的時候，需要利用逆變器變壓實現高功率輸出，并且為了保證運行的穩定性，需要以采用功率單元并聯的方式為主，其實就是將兩個小功率逆變器進行串聯，這樣可以有效完成驅動兩個大功率電機共同輸出，達到防爆型高壓變頻器安全、穩定運行的效果[6]。另外，在機芯設計的時候，需要將二極管與逆變器、整流器、接觸器以及充點電阻等進行連接，這樣可以有效避免產生電流沖擊的問題，減少安全隱患的產生。

3.2 電氣設計

電氣設計對于防爆型高壓變頻器穩定運行來說，起到了至關重要的作用，在設計的時候，變頻器的額定功率和電壓一般為630kW、140V，但是還需要根據實際情況展開設定，避免給防爆型高壓變頻器運行造成異常。同時，在設計的時候，需要利用整流電源和逆變單元共同形成主回路，這樣交流電可以由外部真空接觸器進入，然后進入整流單元形式直流供電。在生成直流供電以后，需要經過逆變單元通過利用功率器件形成適應頻率，從而完成電動機的供電，確保防爆型高壓變頻器運行的穩定性。另外，在設計的時候，考慮到節能效果，將晶閘管所組成的整流單元和逆變單元應用到其中，這樣不僅可以降低對能源的消耗，也可以根據實際運行情況進行實時調速，減少異常情況的產生。

3.3 驅動電路設計

驅動電路設計，可以選擇用直接轉矩對驅動進行控制，并且根據其原理，驅動電路轉矩通常不是利用電流控制和磁等量間接實現的，而是利用轉矩直接進行控制，這樣可以有效提升驅動電路的性能。同時，在設計的時候，需要利用電動機定子坐標系，直接生成電動機受控數學模型，這樣可以得出電動機鉆轉矩和磁鏈，并且在利用磁通給定轉矩的結果以及矩值，這樣可以有效控制轉矩波動進行，將其控制在合理的范圍內[7]。另外，在設計的時候，可以利用脈寬調值信號，對開關信號進行控制，這樣可以對轉矩輸出結果進行完善，提升良好的設計效果。

3.4 散熱設計

一般情況下，常見的防爆型高壓變頻器散熱方式主要包括：制風冷散熱、熱管散熱、自然散熱及水冷散熱等，并且熱管散熱方式的運行成本相對較高，配套性材料在散期間很容易產生失效的現象，影響最終的散熱效果。水冷散熱方式在應用的時候，需要配置配套的散熱器和水循環系統，但是設備體積相對較大，且后期安裝和維護的難度也相對較大。防爆型高壓變頻器在長期運行期間，由于所使用的晶閘管功率相對較大，并且殼體為防爆設計，這樣熱量的排出就會相對較為困難，防爆型高壓變頻器處于高溫的運行狀態，勢必啟動保護停機功能，嚴重影響煤礦生產[8]。對此，在防爆型高壓變頻器散熱設計的時候，為了降低對能源的消耗，實現良好的散熱效果，可以利用強制冷風散熱裝置，這樣可以有效釋放晶閘管內部元器件的熱量，避免防爆型高壓變頻器處于高溫的運行狀態。

3.5 防爆殼設計

防爆型高壓變頻器設計內容諸多，防爆殼設計屬于一項不可忽略的內容，做好該方面可以有效提升防爆型高壓變頻器的綜合性能，并且起到良好的保護作用。在防爆殼設計的時候，首先需要利用三維軟件和有限仿真軟件進行模型構建，這樣便于分析防爆性能；其次，需要遵循從左到右展開設計，主要表現為：變壓器腔、功率單元腔、水冷系統腔、控制單元腔，并且需要以一體化設計為主，以此形成一個總的防爆殼，這樣還可以有效解決各腔體搜引發的電纜連接問題，也可減小設備體積，便于礦井內生產使用需求。另外，在防爆殼設計的時候，針對功率單元腔，可以采用公路單元模塊化的方式，主要是在絕緣框架設計單元抽出式結構，這樣每個單元都可以單獨進行拆卸，為后期檢修和維護提供了相對便利的條件，降低成本。

3.6 濾波設計

由于防爆型高壓變頻器的運行環境相對較為特殊，所以晶閘管功率相對較大，并且在避免以及整流處理以后，輸出的波形的標準正弦波特點失效，轉變成電磁諧波特點，這樣很容易引發電磁輻射的產生[9]。對此，在濾波設計的時候，需要根據情況將抗干擾裝置應用到其中，并且在電源和變頻器之間設置降噪聲隔離變壓器，在共模濾波器和正弦波濾波器安裝變頻器電源側和電動機側，這樣不僅能有效隔離電磁的干擾，抑制電流跳變，還可以降低能耗，使變頻器的功率得以提升，提升防爆型高壓變頻器的綜合性能。

4 應用檢測

防爆型高壓變頻器設計完成以后，需要在正式使用之前進行測試，主要是分析控制功能、信號傳輸功能、過電壓過電流保護功能等方面。同時，防爆型高壓變頻器的應用測試時間是設定為半年，其具體分析內容如下。

4.1 檢測內容

1.為了確保防爆型高壓變頻器運行的穩定性，需要分析其接收到命令以后是否能夠有效執行電動機啟動和停止以及轉速和轉向等控制。同時，防爆型高壓變頻器應用測試的時候，需要檢測是否出現變頻器短路、發熱等現象，如果有則需要立即解決，避免產生異常。

2.需要分析所發出的信號，是否可以快速、準確地傳輸到接收電機中，確保防爆型高壓變頻器運行的穩定性。

3.防爆型高壓變頻器在長期運行期間，如有出現過電流、短路等情況，判斷內部是否能及時斷開接觸器，并且起到良好的保護作用[10]。

4.2 測試結果

根據測試可知，防爆型高壓變頻器的穩定性以及使用性能，甚至使用壽命都優于傳統的高壓變頻器，在具體運行中具有良好的調速性能，可以有效避免安全隱患的產生，為提升煤礦生產效益提供了基礎性保障。

5 結語

綜上所述，防爆型高壓變頻器在煤礦生產中占據著重要的地位，可以有效保證煤礦生產的安全性，提升生產效率。但是，由于煤礦生產環境較為特殊，所以需要結合實際情況，對防爆型高壓變頻器進行合理的設計，從而提升器綜合性能，減少安全隱患的產生，確保其長期處于穩定的運行狀態，滿足煤礦安全、高效、高質生產的需求，實現良好的煤礦生產效益。