井下礦用變頻器的種類及用途

魏昊

（平煤股份一礦，河南 平頂山 467000）

變頻器的概念將固定不變的工頻交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置，變頻器是一種調速設備，驅動電動機產生動力。并根據負載和工藝要求進行調速，根據負載和應用場合的不同可以分為不同的變頻器類型。風機水泵型，風機水泵屬于立方型負載，一般應用在基頻以下。對變頻器要求不高屬于最基本的機型，采用V/F控制方式。常見負載類型：市政供水泵組、壓風機、鼓風機、灌溉水泵等。恒轉矩型，負載大小和速度沒有關系，此類負載對變頻器要求較高，經常需要帶負載起動所以常用到矢量型變頻器。常見負載類型：電梯、提升機、機車、輸送帶等。

一、礦用變頻器實質:礦用變頻器的實質與一般通用變頻器在電路構成方面沒有特殊的地方。礦用時，只是要將通用變頻器放置在一個特殊 密封的防爆腔體內即可，所以礦用時有關的技術知識和通用的一致，只是礦用時，要解決好對箱體的隔爆方面的技術要求，以及有關散熱技術要求 和條件即可。防爆原理：鈑金厚度；隔爆面；連接法蘭；固定螺栓；非快開門將電氣設備的帶電部件放在特制的外殼內，該外殼具有將殼內電氣部件產生的火花 和電弧與殼外爆炸性混合物隔離開的作用，并能承受進入殼內的爆炸性混合物被殼內電氣設備的火花、電弧引爆時所產生的爆炸壓力，而外殼不被破壞；同時能防止殼內爆炸 產生物向殼外爆炸性混合物傳爆，不會引起殼外爆炸性混合物燃燒和爆炸。 本質安全原理：本安接線腔；本安鍵盤 本質安全型電路是指在規定條件下（包括正常工作和規定的故障條件下）產生的任 何電火花和熱效應均不能點燃規定的爆炸性氣體環境的電路。---主要是指控制、信號、通信裝置和檢測儀表。外殼形狀構造原理：----方形；連通腔 大量的研究和試驗證明，在相同的容積，不同形狀的防爆外殼中，非球形外殼的 爆炸壓力比球形外殼壓力低，球形最大，方形最小。另外，容積對耐爆性無影響當一個空腔里的爆炸性混合物發生爆炸時，會產生壓力重疊現象，也就是當一個空腔里的爆炸性混合物爆炸時，會使另一空腔的爆炸性混合物受到壓碎，會使壓力增高 其他工藝要求煤安認證、防爆本安認證、美觀、設計參數等。

二、電壓型變頻器與電流型變頻器的區別；電流型變頻器的直流環節采用了電感元件而得名，其優點是具有四象限運行能力，能很方便地實現電機的制動功能。缺點是需要對逆變橋進行強迫換流，裝置結構復雜，調整較為困難。另外，由于電網側采用可控硅移相整流，故輸入電流諧波較大，容量大時對 電網會有一定的影響。電壓型變頻器由于在變頻器的直流環節采用了電容元件而得名，其特點是不能進行四象限運行，當負載電動機需要制動時，需要另行安裝制動電路。功率較大時，輸出還需 要增設正弦波濾波器。高電流型變頻器它采用GTO，SCR或IGCT元件串聯的辦法實現直接的高壓變頻，目前電壓可達10KV。由于直流環節使用了電感元件，其對電流不夠敏感，因此不容易發生 過流故障，逆變器工作也很可靠，保護性能良好。其輸入側采用可控硅相控整流，輸入電 流諧波較大。變頻裝置容量大時要考慮對電網的污染和對通信電子設備的干擾問題。均壓和緩沖電路，技術復雜，成本高。由于器件較多，裝置體積大，調整和維修都比較困難。逆變橋采用強迫換流，發熱量也比較大，需要解決器件的散熱問題。其優點在于具有四象限運行能力，可以制動。需要特別說明的是，該類變頻器由于較低的輸入功率因數和較高的輸入輸出諧波，故需要在其輸入輸出側安裝高壓自愈電容。

三、工作狀態轉換原則：VT1與VT3不能同時導通，它們是邏輯非的關系，驅動信號互補，同理，VT2與VT4也不能同時導通。同時，在開關管的觸發控制上必須加上一定的死 區時間，防止在狀態轉換時使單個開關管瞬間承受直流母線電壓而造成損壞；相電位不應在+Udc/2與-Udc/2直接變化，而一定要通過中心電位0的過 度，即三種工作狀態的轉換只能在P與O或O與N之間進行。這樣避免了一相橋臂四個開關管同時導通而導致直流母線電壓瞬間短路的可能；當采用SVPWM作為控制策略進行三相開關管狀態變化時，應盡量減少 開關動作，具體來說就是僅使逆變輸出一相進行開關動作，其他兩相狀態保持不變，這樣有利于減少開關管的開關損耗，減少發熱量；滿足直流端電容間充放電的平衡。二極管箝位式三電平變頻器在工作時，隨著開關器件的狀態轉換，直流母線端的電容間不停的進行著充電或放電過程，其上的電壓也不停的變化，通過合理分配電壓矢量作用時間，使電容的充放電平衡，維持電容上的電壓恒定，也就是使中點電位平衡。

四、三電平優勢：輸出電壓波形更接近正弦波，輸出波形失真度減小，諧波含量較小； 開關器件開關時du/dt為兩電平的1/2；單個開關器件開關頻率降低、損耗低； 開關器件直流側耐壓值為兩電平的一半；尖峰電壓約為2500V，降低對電機絕緣沖擊；電機噪聲更小、溫升更低、可延長電機的使用壽命 輸入端干擾較兩電平降低20db。諧波的危害：使電源電壓畸變，電壓品質下降，造成線損增大；使電動機發熱增大（電流諧波增加銅耗，電壓諧波增加鐵耗），效率下降，功率因數cosφ減小；使電動機振動增大，轉速產生抖動，不穩定；電機噪聲增加；諧波與電線電容諧振產生過電壓，危害絕緣，耐壓降低，以致造成過電壓擊穿，（線路長時更危險）。對電容器產生過熱，增加損耗，以致產生電擊穿或熱擊穿。干擾系統正常工作，對電子線路設備造成不穩定工作狀態。備注：增加輸入電抗器、增加輸出電抗器、輸出濾波器、不共用地線、分開供電電源（變頻器、易受干擾設備）、屏蔽電纜（四芯線）、電動機外殼接地、變頻器單獨接地、縮短線路長度。

五、電壓變化率（du/dt）和波反射：半導體器件的快速開關動作，會導致變頻器的輸出電壓波形在上升沿和下降沿的du/dt很高。受變頻器直流母線和器件開關速度兩方面因素的 影響，在某些情況下，du/dt設置會超過10000V/us。輸出電壓過中過高 的du/dt可能導致電動機繞組之間局部放電，過早出現絕緣老化問題。另 外，過高的du/dt還會在變頻器與電動機的電纜上產生電磁輻射，影響附近敏感電子設備的正常工作。更糟糕的是，由于長電纜的波反射效應，過高的du/dt會使的電動機端電壓波形的上升/下降的伏值加倍。波反射現象是由阻抗不匹配引起的，即變頻器和電動機端的阻抗與電纜的線路阻抗不匹配。當電纜超過一 定值時，每個開關暫態過程中，電動機側的電壓就會與反射電壓疊加，達到兩倍伏值。當du/dt為500V/us時，連接電纜的臨界長度約為100m;當du/dt為1000V/us時，連接電纜的臨界長度約為50m;當du/dt為10000V/us時，連接電纜的臨界長度約為5m;

六、故障處理：變頻器設有輸入缺相、過流、欠壓、過壓、電機過熱、漏電檢測等故障保護，確保控制變頻器安全運行。當出現上述任一故障時，變頻器就進入自鎖停機保護狀態，顯示屏顯示故障內容，當故障排除后需復位（停止鍵）才能重新進入待機狀態，如果故障沒有解除則無法進行復位。下表列出了本變頻器常見 的一些故障現象，并分別給出了相應的故障原因分析以及針對性的處理方法，當故障發生后，可以通過故障代碼表給出的方法找出并處理故障。

總結：變頻器是針對永磁同步變頻電動機原理特性，采用矢量控制技術研發而成，具有啟 動轉矩大、啟動電流小、過載能力強、對電網沖擊小等特點，可在多種復雜工況下驅動 永磁同步變頻電動機、三相異步電動機長期穩定運行。