絞車用整體抽屜式低壓防爆變頻器的研究

曹權勇，孫崇君，蔡爽，賀東利

(沈陽防爆電器制造有限公司，遼寧 沈陽 110141)

1 引言

隨著電氣傳動領域發生重大的技術變革，交流調速技術獲得了飛速發展，變頻器由初期的變壓變頻(VVVF)調速方案，到目前的矢量、直接轉矩控制方案，使變頻控制不僅具有穩態的控制特性，而且具有良好的動態性能，可以與直流調速系統相媲美。因此我國煤礦井下絞車電控系統也正在由傳統的轉子串電阻調速改為變頻調速。

2 防爆變頻器國內技術現狀

由于煤礦井下具有爆炸性氣體的特殊環境，通用變頻器不允許直接下井使用，因此，目前通用的辦法是將通用變頻器外殼去掉，安裝防爆變頻器特殊散熱方式和結構將變頻器內部元件拆解后安裝在防爆外殼內。該方式需要對變頻器進行拆分后重新安裝，導致在拆解和安裝過程中極易損壞變頻器元件，影響變頻器性能，同時安裝時零散擺放也影響美觀。因此，設計一款整體式專用于安裝在防爆殼體內的變頻器整體抽屜式機芯成為當務之急。

3 整體抽屜式變頻器技術

3.1 散熱技術

散熱是防爆變頻器遇到最大的難題。在變頻器內部:逆變模塊是發熱最多的器件，據專家詁計:它約占整個變頻器所有散熱量的一半;整流模塊也是發熱相當多的，它所發的熱量約占整個變頻器的45%;而剩下的5%則是電解電容、充電電阻、均壓電阻以及印制板上的發熱元件等所發生的熱量。

圖1 采用水－銅熱管散熱器示意圖

熱管(如圖1)是一種傳熱性極好的人工構件，它利用“相變”傳熱的原理與金屬銅、鋁等實體材料和天然傳熱方式完全不同。其有效導熱性是銅、鋁等有色金屬的成百上千倍。常用的熱管由三部分組成:主體為一根封閉的金屬管，內部有少量工作介質和毛細結構，管內的空氣及其他雜物必須排除在外。熱管工作時利用了三種物理學原理:(1)在真空狀態下，液體的沸點降低;(2)同種物質的汽化潛熱比顯熱高得多;(3)多孔毛細結構對液體的抽吸力可使液體流動。與熱源靠近的一段(蒸發段)內的液體吸熱而蒸發，蒸汽攜帶汽化潛熱經空腔流向另一段(冷凝段)，汽體經管壁與外界冷媒體換熱放出潛熱而完成了傳熱任務，冷凝成液體，經毛細結構的抽吸或重力回流到蒸發段進入下一個工作循環。

熱管散熱器就是利用熱管技術對散熱器進行改進而制作出來的新品。對于雙面散熱的分立電力電子器件，風冷的全銅或全鋁散熱器的熱阻只能達到0.04℃/W。而這種熱管散熱器的熱阻達到0.01℃/W。在自然對流冷卻條件下，熱管散熱器比實體散熱器的性能可提高10倍以上。熱管散熱器可以采用自冷的方式，無需風扇，沒有噪音，免維修，安全可靠。

防爆變頻器的散熱就采用這種熱管散熱器，將功率器件安裝在散熱器的蒸發段，同時密封在防爆殼內，熱量就通過蒸發段傳到冷凝段而散發出去。

3.2 抽屜式變頻器機芯

采用基板外置熱管散熱器對發熱量較大的功率器件進行散熱情況下，如果簡單的把通用變頻器外殼拆除，然后整體安裝在防爆殼體內，功率器件無法固定在散熱片上，同時因變頻器尺寸干涉等問題也不適用這種方法。所以目前國內很多防爆變頻器廠家均是將通用變頻器元件拆解后在防爆殼體內重新布置安裝。但在二次分解安裝過程中，限于裝配條件的有限性，極易對變頻器性能造成不良影響。且較多的元件安裝在殼體內部，在出現故障需要更換元件時，因防爆殼體空間狹小，操作很不方便。因此，我們需要研究一種變頻器安裝結構，即將所有變頻器元件固定在一個框架結構的可以入抽屜一樣從防爆殼體內抽出、推入的整體變頻器結構。所有變頻器元件在殼體外部安裝完畢，形成一個整體式變頻器機芯，然后將整體機型通過軌道推入防爆殼體，將機芯與熱管散熱器片固定在一起。在需要維修更換元件時，再將整體機芯拉出殼體。實現裝配，檢修快捷化操作。

3.3 安裝小車

安裝小車是該變頻器機芯的主體支撐結構，是金屬焊接結構，絕大數的變頻器元件都需要安裝在該小車上，主要包括功率模塊、電解電容、驅動板、控制板、開關電源、均壓電阻、吸收電容、電流互感器、電抗器、濾波器、熔斷器等。

安裝小車四角安裝有軌道輪，支撐整個安裝架，可以在防爆殼體內的軌道上自由推拉。

4 裝配關鍵技術

4.1 裝配準備工作

在組裝前，除了準備好需要用到的工具，例如:十字螺釘刀(頭部帶有磁性的最好)或者電動螺釘刀外，最主要的是對人體的放電處理。由于IGBT模塊為MOSFET結構，IGBT的柵極通過一層氧化膜與發射極實現電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達到20～30V。因此因靜電而導致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。因此在使用模塊時，盡量不要用手觸摸驅動端子部分，當必須要觸摸模塊端子時，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進行放電后，再觸摸。

4.2 安裝功率模塊(IGBT)

IGBT模塊安裝在小車的最內層，以便與防爆殼體背部的散熱器基板接觸固定，同時每組IGBT模塊都固定在安裝小車上的安裝基板上。安裝或更換IGBT模塊時，應十分重視IGBT模塊與基板、基板與散熱片的接觸面狀態和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，需要在IGBT模塊與基板、基板與散熱片間涂抹導熱硅脂。圖1所示是IGBT模塊實物安裝圖。

圖2 功率模塊(IGBT)

4.3 安全性能方面

這種模塊化抽屜式防爆機芯結構因結構較為緊湊，元件之間距離較近，因此必須保證相關防爆電器設備標準要求的電氣間隙和爬電距離。防止元件之間以及元件接線端子與安裝架之間距離過近，發生擊穿漏電現象。

圖3 機芯實物圖

5 可行性分折

防爆變頻器機芯的電氣設計原理、工藝構造都嚴格按通用變頻器的設計思路而得來，所以在電氣技術上是成熟的。在機械結構方面，借鑒了我國目前防爆開關大量應用的抽屜式芯架結構，該結構也經歷了多年的實踐檢驗，證明技術上也安全可靠的。基于上述原因，設計一款基于熱管散熱技術的整體抽屜式低壓防爆變頻器是完全可行的。防爆變頻器整體實物如圖4所示。

圖4 防爆變頻器實物圖

6 結論

絞車用整體抽屜式低壓防爆變頻器的設計，在保證變頻器性能的前提下，結構緊湊，造型美觀大方，實現了裝配、檢修過程的便捷性等關鍵技術。

［1］ 毛鑫.變頻技術、防爆變頻器的現狀及發展［J］.電氣開關，2009(6).

［2］ 白霞.變頻器原理與實訓［J］.北京:清華大學出版社，2012.

［3］ 陳伯時，陳敏遜.交流調速系統［M］.北京.機械工業出版社，2008.

［4］ 李方圓.變頻器行業應用實踐［M］.北京.中國電力出版社，2006.

［5］ 吳忠智，吳加林.變頻器應用手冊［M］.北京:機械工業出版社，2004.