防爆變頻器在煤礦應用中的關鍵技術

劉東耀 宋青東 高俊梅

[摘 ? ?要 ]隨著我國電子技術的飛速發展以及和科學技術的迭創新與進步，防爆變頻器在我國眾多領域中運用廣泛，卻在煤礦應用中存在著一些關鍵技術問題亟待解決。主要針對防爆變頻器在煤礦應用中的電壓等級問題、散熱問題、電磁兼容性問題、逆變器轉換效率問題展開詳細論述，并針對上述問題有針對性地提出了防爆變頻器的電路拓撲結構、優化控制策略，以供相關技術與研究人員提供一些借鑒與參考。

[關鍵詞]防爆變頻器;煤礦;實際運用;關鍵技術問題;控制策略探究

[中圖分類號]TD684 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）06–00–02

[Abstract]With the rapid development of electronic technology in our country and the continuous innovation and progress of science and technology， explosion-proof frequency converters are widely used in many fields in our country， but there are some key technical problems in coal mine applications that need to be solved urgently. It mainly focuses on the voltage level issues， heat dissipation issues， electromagnetic compatibility issues， and inverter conversion efficiency issues of explosion-proof inverters in coal mine applications. In response to the above problems， the circuit topology of explosion-proof inverters， Optimize the control strategy to provide some reference and reference for related technology and researchers.

[Keywords]explosion-proof frequency converter; coal mine; practical application; key technical issues; control strategy research

1 防爆變頻器在煤礦應用中的電壓等級問題

目前，在我國工業生產以及人們實際生活中最為常用的電壓等級有兩種：220V和380 V。然而，在煤礦工業生產、制造與加工環節中，在其特殊的生產制造與施工作業條件之下，煤礦井在實際生產過程中所使用的電壓等級隨著生產制造環境難度的加大，對供電電壓也提出了更高的要求。一般情況下，煤礦應用中所使用到的供電電壓等級比平常的工業生產以及民用生活所使用到的電壓等級多出2倍，其電壓等級一般選用660 V或1140 V。在實際的煤礦生產、制造、加工以及實際應用過程中，隨著我國生產能力的不斷提高，我國能源消耗量逐年增加，對于煤礦生產能力的要求也隨之不斷拔高，對于煤礦生產、制造與加工環節中的機械裝置、生產設備的功率需求也隨之不斷攀升。很多大型或中型的煤礦綜采工作面或綜采平臺的供電電壓的等級較之于平常使用的660 V以及1140 V有所提高，一些中型的煤礦綜采工作面或綜采平臺的供電電壓的等級已提升至3300 V，一些中型的煤礦綜采工作面或綜采平臺的供電電壓的等級已提升至6 kV，甚至有一些極少部分的大型或中型的煤礦綜采工作面或綜采平臺的供電電壓的等級已提升至10 000 V等。然而，目前在煤礦供電系統最常使用的供電電壓等級還是以660 V或1140 V為主導電壓等級。比如，煤礦井下的帶式、刮板輸送裝置、煤井通風設備、煤礦礦井供給水泵裝置等機械裝置都選取該電壓660 V或1140 V這兩類主導電壓等級進行電力供應。在針對實際煤礦應用中的電壓等級問題進行研究時，通過電氣控制系統對防爆變頻器予以變頻改造過程中，對防爆變頻器的電壓等級應該首選660 V和1140 V2個電壓等級，選擇并改造出能夠適配于660 V和1140 V這兩個電壓等級的防爆變頻器。

2 防爆變頻器在煤礦應用中的散熱問題

將防爆變頻器在實際煤礦運用活動中最關鍵的問題就是機械設備的散熱問題。一般情況下，通常使用的變頻器功耗大約為變頻器容量3%～6%，逆變部分功耗大約為變頻器容量的45%左右，整流及直流回路功耗大，約為變頻器容量的35%左右，控制及保護電路功耗大約為變頻器容量的1/10左右。現如今，在變頻器中廣泛使用的主流功率器件有1GBT（絕緣柵雙極型晶體管）以及智能功率模塊IPM（將功率開關器件和驅動電路集成在一起，而且其內部還集成有過電壓、過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送到CPU）。其中，絕緣柵雙極型晶體管的發熱量約為主回路發熱總量的1/2～7/10。因為，防爆變頻器中的電氣元器件一般被密閉保存在隔爆腔體，根本不能在自然條件下冷卻，如果通過水冷的方式將防爆變頻器中的電氣元器件予以冷卻，則應該運用水循環系統以及散熱器裝置冷卻防爆變頻器中的電氣元器件，以保證其正常運作。然而，由于防爆變頻器的外殼裝置體積沉重，因此，在防爆變頻器的外殼裝置中進一步完善并健全水管設備以及散熱裝置必然會進一步加大防爆外殼的體積和重量，使其不堪重負，極大地限制了防爆變頻器安裝和維護工作的正常進行與順利完成。由此可見，科學、快速、高效、合理地對防爆變頻器進行有效散熱并使熱量快速脫離防爆殼成為防爆變頻器設計與建造的核心。

就現階段而言，一方面，防爆變頻器中的電氣元器件一般被密閉保存在隔爆腔體，根本不能在自然條件下冷卻;另一方面，由于防爆變頻器的外殼裝置體積沉重，因此，在防爆變頻器的外殼裝置中進一步完善并健全水管設備以及散熱裝置必然會進一步加大防爆外殼的體積和重量，并極大地限制了防爆變頻器安裝和維護工作的正常進行與順利完成。在這種條件下，熱管散熱器憑借其優良性能，一躍成為一種防爆變頻器有效散熱并使熱量快速脫離防爆殼的高效方式。隔熱型熱管散熱器可利用工作介質不斷地進行冷凝和汽化操作，進而將各類機械裝置零部件以及防爆變頻器的熱量予以傳導，隔熱型熱管散熱器熱阻可達0.01℃/W，較之于普通散熱器的自然冷卻，隔熱型熱管散熱器的散熱性能是普通散熱器的自然冷卻效果10倍左右。將隔熱型熱管散熱器運用于雙面散熱的電子器件，能夠高效地將防爆腔中的各類機械裝置零部件在實際運作環節中產生的熱量迅速傳至防爆變頻殼體之外，并在散熱片的作用之下使熱量快速散失，以便于防爆變頻器高效快速散熱。防爆型熱管散熱器的主要有3個部分構成：①防爆型散熱管;②防爆型散熱片;③防爆型基板。

對于防爆變頻器而言，運用防爆型熱管散熱器可以將變頻器的各類機械裝置零部件在實際運行過程中產生的熱能、熱量在基板的作用之下，從熱管的這一邊在通道介質中在飽和蒸汽的作用下被傳導到熱管的另一邊，這一邊也就是冷凝段所處的具體位置。在飽和蒸汽的作用之下熱量由熱管一端被傳導至冷凝段，在冷凝段位置進行散熱片的安置工作，并確保散熱片結構完好并能正常發揮其應有的作用。散熱片可以將變頻器的各類機械裝置零部件在實際運行過程中，通過對流或有輻射的熱量傳導形式，將熱量傳導到各類機械裝置零部件以及防爆變頻器的環境空間，在工作介質的飽和蒸汽的作用之下，順利地將氣體轉換為液態，并利用熱管內管芯毛細結構的抽吸回流作用，將飽和蒸汽的作用之下的液體成功地傳輸至熱管蒸發段。需要特別注意的是：在防爆變頻器中安置熱管應該將熱管稍稍上揚，以便于介質液體抽吸回流工序的正常進行并順利完成。

3 防爆變頻器在煤礦應用中的電磁兼容性問題

目前，應用于煤礦生產、制造與生產的各類電力電氣機械裝置明目眾多，且電力電氣設備的電動機啟動過程較為繁復;因此，防爆變頻器特別容易被電磁擾亂，且在實際運用中的防爆變頻器不僅要產生噪聲，而且又必須作為噪聲的收納裝置，必須保證兩者能夠合理兼容，即電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility）。防爆變頻器的電路組成主要由3大部分構成：①整流電路;②逆變電路;③控制電路。

普遍而言，運用脈沖寬度調制技術對防爆變頻器進行調節時，防爆變頻器在實際運作環節出現的高次諧波可以通過傳導耦合、公共阻抗耦合以及電磁耦合這3種耦合方式予以干擾。然而，由于在實際運作環節中耦合通道的差異性，防爆變頻器干擾區主要由共模干擾以及差模干擾構成。其中，一般情況之下，共模干擾是由變流器中的功率開關器件開關引起的du/di經對地雜散電容間的耦合傳播干擾;反之，差模干擾是由功率半導體開關器件開關引起的di/dr經輸入/輸出線間的導體傳播干擾。

現如今，我國對于防爆變頻器電磁兼容性問題方面的研究主要從硬件結構和軟件編程這兩個視角入手進行研究，并且研究程度已經逐漸深入。其中通過硬件結構抗干擾的抗干擾原理是通過減少干擾源對防爆變頻器電磁兼容性產生的影響;并使用特定的方式切斷耦合通道，進而降低系統干擾信號的敏感性。針對這一情況，應該通過濾波、隔離、屏蔽、接地等方式把防爆變頻器的干擾抑制進行嚴格管控。然而，在實際防爆變頻器的實際運作環節中，因為，防爆變頻器的內部腔體內包括主電路以及控制回路;因此，主電路以及控制回路非常容易被限制，在實際應用中存在一定的弊端。由此可見，面對電磁兼容性問題，首先應該找到防爆變頻器出現電磁干擾的因素，即必須從干擾源、中間渠道出發。隨后，仔細分析其原因，從縮減電磁干擾源的干擾強度，阻礙電磁干擾進行中間渠道傳播等角度出發提高防爆變頻裝置的電磁抗干擾度，比如針對防爆變頻器的電路拓撲結構進行科學、合理地改進與完善，優化防爆變頻器的控制措施以及防爆變頻器的驅動電路等。

4 防爆變頻器在煤礦應用中的逆變器轉換效率問題

要想真正解決防爆變頻器的散熱、電磁兼容性問題，并提高逆變器轉換效率，則必須降低逆變器的功率損耗。一方面可以采取低損耗的功率器件;另一方面，可以通過改良、完善防爆變頻器的電路拓撲結構，優化控制策略這兩種方式予以應對。

5 改良防爆變頻器的電路拓撲結構，優化控制策略

一般情況之下，防爆變頻器中的逆變器選取二電平結構，極大地加大了逆變器的功率損耗，降低轉換效率。較之于二電平結構，改變防爆變頻器的電路拓撲結構，可以用三電平結構取代二電平結構，降低逆變器損耗，逆變器損耗的減小也意味著變頻器的散熱問題得到解決。三電平逆變器的絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor）普遍選用模塊化結構作為支撐，其優勢在于：反向阻斷電壓較低、芯片比二電平薄，具有更低的開關損耗和正向壓降，單個橋臂的總損耗比二電平逆變器低六成左右。此外，三電平逆變器可有效減小耐壓水平，使其損耗降低，提高防爆變頻器的電磁兼容性，適用于三電平逆變器的控制策略采用空間矢量脈寬調制技術。三電平逆變器每相輸出狀態有正（P）、零（Z）、負（N）3種狀態，組合形成27種空間電壓矢量，在三電平逆變器中，可以選擇不同的矢量合成方法來實現SVPWM和中點電壓的平衡控制。

6 結束語

綜上所述，在煤礦生產過程中，可通過隔熱型熱管散熱器防爆變頻器可解決變頻器的防爆和散熱問題;通過改變變頻器的電路拓撲結構并優化控制策略等技術手段可解決變頻器的電磁兼容性問題和能耗問題，防爆變頻器，以滿足煤礦生產的現代化要求。

參考文獻

[1] 姚麗晨，張子文，王麟瑞，等.如何有效提高防爆變頻器在煤礦應用中的關鍵技術水平[J].2019，12（3）：111-120.

[2] 王子鑫，王思凱，趙宇露，等.試論新時代下煤礦開采工作如何有效提升環境監測全過程質量管理分析水平的監督責任分析研究[J].2018，2（6）：113-114.