大功率刮板機防爆變頻器設計及應用研究

封安波++李俊強++靳寧寧

摘 要：傳統大功率刮板輸送機的驅動以調速型液力耦合器為主，可以實現軟啟動，但系統復雜，維護工作量大，維護成本高，且不可以長時間工作在低速模式下。隨著科技的不斷發展，變頻技術在工業領域的應用日趨普及，變頻技術應用于煤礦刮板輸送機也日益成熟。變頻技術的引入便于實現礦井自動化控制，實現斷鏈保護停機及電動機功率平衡等，省去了調速型液力耦合器，采用直接對輪聯接，提高設備的機械效率。

關鍵詞：防爆變頻器；刮板機；設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.186

1 技術特點

（1）采用先進的三電平交直交變頻方式，結構簡單，效率高。為了保證變頻器高可靠性，主回路采用最新IGBT，電容器采用干式電容（標稱壽命200000小時）。（2）采用三電平主回路拓撲結構，產生5階輸出線電壓，電流畸變率低、電磁噪聲小、動靜態性能優良，且開關頻率低、損耗小、效率高。（3）能完成速度閉環、電流閉環、磁鏈閉環、速度觀測、矢量控制等功能，實現電機的高性能轉矩控制和功率控制，完全滿足刮板輸送機控制系統的工況要求。（4）采用層疊母線進行功率器件連接，具有低阻抗、電磁兼容特性好、可靠性高等特點。

2 變頻器電氣設計方案

（1）總體結構。礦用隔爆兼本質安全型高壓變頻器總體結構包括：12脈波整流單元、直流母線電壓濾波單元、三電平逆變單元、輸出du/dt濾波單元、水冷單元、低壓控制單元。（2）整流器方案。鑒于煤礦井下供電系的所具有的特殊性，且刮板輸送機變頻控制系統不需要將能量回饋電源（根據技術要求），故整流器采用12脈波二極管整流橋串聯結構，交流側連接移相變壓器輸出具有30°相位差的三相交流電壓。此結構不僅把整流電路脈沖數由6脈波提高到12脈波，而且大幅降低了5次、7次諧波電流對電網的干擾；二極管整流電路在自然換相點換相，系統的功率因數相對較高，節約了電能；由于直流母線電容容量較大，可有效減少母線紋波電流含量，進一步降低了整流側諧波含量。另外，該結構對上、下直流母線電壓平衡的控制具有良好的動態響應，為三電平逆變器提供平穩的電平，提升了變頻器的調速性能，同時電路結構簡單，具有低成本高可靠性的優點。（3）逆變器方案。設計采用成熟可靠的二極管箝位式三電平拓撲做為逆變單元的基本組成形式，其基本結構如下圖所示，采用二極管箝位式三電平拓撲，逆變器輸出電壓du/dt大大降低，等效開關頻率相比于兩電平提高一倍（從功率器件平均開關損耗和輸出電壓畸變率角度），降低了功率器件開關應力，同時減小了對電機的慢性損壞。（4）PWM控制方式：在三電平結構逆變系統中，鑒于三電平SVPWM控制方式比SPWM控制方式具有更高的直流電壓利用率，可有效減小無源器件的尺寸，現已成為變頻器調制算法的首選。而三電平變頻器自身結構的復雜性導致其SVPWM調制算法也比兩電平要復雜得多。為了兼顧控制器性能及提高系統的整體運行效率，本系統采用簡化的SVPWM調制算法。三電平電壓空間矢量可視為由6個兩電平電壓空間矢量構成的小六邊形相互疊合而成。對于某一給定的參考電壓矢量，必能選擇一個小六邊形區域，使之位于其內部，因此判斷參考電壓矢量所在的位置只需判定其所處的小六邊形。在判定參考電壓矢量所在的小六邊形之后，經過參考電壓矢量進行修正及坐標平移即可將三電平電壓矢量平面簡化為兩電平電壓矢量平面。

3 散熱方案

裝置采用水-水交換方式，內循環水采用純水+乙二醇做循環介質，元器件損耗經過水冷散熱器進行熱交換，主循環泵將置換出的熱量由內循環水通過水-水熱交換器，將熱量交換到外循環水系統。水循環系統內部壓力、流量可以保持一個恒定的運行狀態，內部增加一個水風交換器，可對輸出電抗器、電阻等內部元器件進行水冷散熱，為系統提供良好的運行環境；由于內水管路不與大氣相接觸，并且水循環系統設有相應去離子系統，可以去除冷卻介質內的游離電子、優化水質，有效的預防管道與設備結垢、腐蝕、電離等現象的發生，以保證系統的安全運行。本裝置由水-水熱交換器（水冷部分）、主循環水泵、膨脹水罐、補水裝置、去離子系統及監測控制系統等組成組成。

4 機芯結構方案

變頻器機芯整體由一套整流機芯、三套逆變機芯、一套水冷機芯等結構體組成，分別進行機芯模塊化設計，機芯組件可實現其相應的完整電氣功能。水冷采用水-水交換方式，該系統經過本公司礦井提升機項目產品驗證，在可靠性，可維護性，應用性能方面有足夠的保障和安全裕量。設計完成機芯整體結構更加緊湊，布局相對完善合理。優化功率單元結構，去掉功率單元絕緣外殼結構，為配合對接公差，配套直流母線設計成單層疊裝方式（對接方式考慮快速接頭等其他待選方案）；機芯整體增加水風散熱器，用于LC濾波電抗器、電容散熱及變頻器內部熱循環；整流母線不同功率等級結構兼容設計。

5 隔爆殼體方案

整體結構采用直筒式方案，柜體兩側開門，側門上進出線采用快速電纜連接器方式，同時在柜門上根據電氣要求設計相應操作端口；變頻器機芯機芯安裝固定在移動小車上，通過延伸導軌從一側整體推入隔爆殼體安裝。

6 結束語

變頻器已然成為電力傳動領域的生力軍，已被運用到煤礦的各種傳動機械中，而傳統大功率刮板輸送機的驅動以調速型液力耦合器為主，因此亟需國內企業推出相應產品來滿足這部分市場需求。

參考文獻：

[1]張智永.礦井提升機電控系統的研究與設計[D].安徽理工大學，2015.

[2]上海華菱電站成套設備有限公司.一種中壓變頻雙控制器冗余裝置：中國，CN201320595246.9[P].2014-3-12.