礦用防爆型變頻器的設計及應用研究

廉 杰

（霍州煤電集團團柏煤礦，山西 霍州 031412）

引言

隨著國家對煤礦資源的大量開采，整個煤礦行業呈現出快速發展的趨勢，越來越多的煤礦設備被應用到了煤礦開采中。其中，煤礦開采設備中會配置相應的電動機，以實現對設備的驅動，而變頻器則是實現電機驅動的關鍵控制設備[1]。當前，在煤礦設備電機驅動中所采樣的變頻器一般是以660 V低壓為主，額定功率在400 kW以上，但具有控制邏輯單一、保護電路薄弱、整體穩定性較弱、價格較貴等問題，一旦變頻器出現了故障問題，將會使設備的電機無法正常運行，從而導致設備無法進行煤礦開采作業，嚴重影響著煤礦的開采率及井下作業安全[2]。不斷對變頻器進行升級設計，在保證產品質量前提下降低變頻器的價格，有效保障變頻器的綜合性能及運行安全性顯得十分重要。

1 變頻器應用的優勢

目前，國內變頻器經過多年的發展，整體技術水平已較為成熟，整體的自主設計水平已相對較高，在實際運行過程中也應用得較為穩定及成熟，已在煤礦帶式輸送機、刮板輸送機、提升機等設備的電機控制中進行了成功應用[3]。與傳統的電機控制器相比，變頻器結構簡單，價格合理，控制接口豐富，能通過內部程序精準地對電機轉速及轉矩進行實時控制。同時，變頻器解決了電機啟動瞬間所產生較大沖擊電流的問題，對電機及線路進行了有效保護。另外，變頻器的調速方式采用了在額定轉速情況下進行恒轉矩輸出調速，整體調速范圍相對較高，起動轉矩較大。變頻器上充足的電氣接口，可實現于多種通訊接口之間的信號傳輸，在后期設備的升級設計中，能實現對設備控制功能的有效擴展[4]。變頻器的成功應用，不僅提高了設備電機的運行效率，減少了電機的耗電量，也大大提高了電機及設備的運行安全性，使得電機的故障率明顯降低。由于變頻器存在諸多技術優勢，加上當前控制技術的不斷發展，不斷對變頻器的控制性能進行設計，已成為當前考慮的重點方向。

2 變頻器總體設計

通過對市場上變頻器的結構分析，開展了變頻器的升級設計。所設計的變頻器包括了各類開關、PLC控制器、快速熔斷器、輸入濾波器、輸入電抗器、機芯、輸出電抗器、顯示屏、散熱器等組成，其結構框架圖如圖1所示。變頻器中的控制器采用了市場上成熟的西門子S7-300控制器，變頻器采用了DTC來對電機的電流進行控制，以此實現電機轉矩的控制，具有控制響應速度快、轉矩控制范圍廣等特點[5]。同時，變頻器采用了英飛凌公司的二極管及高壓塑封無感貼層母排，具有安裝方便、性能穩定的特點。另外，為實現對變頻器內部部件的有效保護，設計了防爆型隔爆殼，該殼體能承受來自外部的較大爆炸性氣體和沖擊波作用而不損壞。為解決變頻器作業時的熱量集中問題，在變頻器內部設計了水冷方式進行散熱，該散熱方式不僅能使變頻器的熱量控制在合理范圍內，還能在增加變頻器的過載能力及延長使用壽命等方面起到重要作用。所設計的變頻器能更好地滿足煤礦設備中電機的驅動控制需求。

圖1 變頻器總體結構框架圖

3 變頻器關鍵部分設計

3.1 變頻器機芯設計

變頻器機芯為整個變頻器中的核心部分，需通過逆變器變壓方式，實現變頻器的高功率輸出。故經過查閱資料和調研，選用了功率單元并聯方式進行機芯設計。該方式主要是通過兩個較小功率逆變器的相互并聯，以此來驅動兩個較大功率電機作業和較小功率同時輸出。所設計的變頻器機芯回路主要包括了整流器、逆變器、主接觸器KM1、充電電阻R等組成，采用了二極管全橋的整流方式進行控制[6]。其中，主控接觸器和充電電阻組成了機芯的充電部分，可有效抑制上電初期的較大初始電流沖擊問題。在上電初期，主接觸器KM1處于斷開狀態，當檢測到直流母線電壓時，電路則發出命令，接觸器吸合，以實現對較大電流的保護。變頻器機芯的主回路圖如圖2所示。

圖2 變頻器機芯主回路圖

3.2 變頻器硬件設計

如圖3所示，整個變頻器的關鍵硬件部分包括主控PCB板、接口PCB板、顯示PCB板、PLC控制器、隔爆按鈕等，通過各元器件的相互配合，實現變頻器的內部硬件控制。其中，PLC控制器則選用了西門子的S7-300系列控制器，該控制器運行能力強、運行穩定、能實現各元器件之間多種信號及接口的傳輸；主控PCB板選用了ACS800型主控板，利用8芯網線和RS485接口與接口板進行通訊連接；組態顯示屏則選用了通泰公司的TCP7062TI型7寸顯示屏，電壓平臺為24 V，與接口板之間可通過RS485進行信號傳輸；隔爆按鈕也通過RS485接口與接口板進行連接。

圖3 硬件部分組成框架圖

3.3 驅動保護電路設計

驅動保護系統是變頻器中的關鍵部分，可在完成變頻器驅動信號采集后，根據變頻器的使用情況對其進行驅動保護，以防止變頻器出現過流、過壓等故障現象。因此，所設計的驅動保護電路主要由光電轉換板、驅動板、功率接口板等組成，其中，功率接口板采用了ABBACS800板件，其型號為AINT-14C，其電路圖如圖4所示。圖中，X1、X2、X3為三相逆變橋臂的反饋接口，采用了雙排20針接口結構，X6則為主控接觸器控制端口，輸出電壓為DC24V；X7則為電流傳感器信號接口，可與選用的LF505霍爾電流觸感器進行通訊連接。光電轉換板則同樣采用了雙排20位插座以及DC直流輸入端子，可實現與功率接口板之間的通訊連接。

圖4 功率接口板電路圖

4 變頻器的現場應用測試

為掌握其綜合性能，對所設計的變頻器基本性能進行了測試。主要是將該變頻器與DTL120帶式輸送機中電動機進行了聯動測試，測試周期為5個月。在此期間，主要對變頻器的基本控制功能、過流保護、過壓保護、信號傳輸性等方面進行了聯動測試。經過測試可知，變頻器運行正常，能根據控制命令對電機的轉速、啟停、正反轉等操作進行控制，整個控制期間未出現變頻器發熱、短路等異常現象，同時，變頻器的信號能準確無干擾的傳輸至電機中。另外，也測試了電機的過流情況，當電機運行時出現了過流現象，變頻器能及時對內部的主接觸器進行斷開操作，與電機內部的過流保護電路一起，實現對電機的有效保護。據人員介紹，該變頻器的使用壽命與之前的傳統控制器相比，使用壽命更長，運行穩定性更好，能更好地滿足礦用變頻器的使用需求，達到了預期效果。由此，驗證了該變頻器的可行性。