大功率水冷變頻器在電鏟中的設計應用

呼木吉力吐，閔 杰，徐 明

應用研究

大功率水冷變頻器在電鏟中的設計應用

呼木吉力吐1，閔 杰2，徐 明2

（1.國能準能集團有限責任公司科學技術研究院，內蒙古 鄂爾多斯 010300；2. 武漢長海高新技術有限公司，武漢 430064）

大型電鏟采用西門子6SE70系列風冷變頻器，主要配件已經停產，存在技術落后、故障高、散熱效率低、噪音大等問題。本文提出了一種大功率國產水冷變頻器，重點展開了水冷變頻器模塊化設計方法及水冷設備的設計流程，提升了變頻器防護等級，并在電鏟上得到了實際應用，使用效果良好，推動了國產水冷變頻器在礦山領域的應用。

變頻器 水冷散熱 電鏟

0 引言

變頻器作為露天礦山中大型礦用電鏟主要電氣驅動設備，其性能和維護周期直接影響電鏟生產效率，進而影響礦山的整體經濟效益。某電鏟采用西門子6SE70系列風冷變頻器，其主要配件在2011年已經停產，2020年全部停售，影響了電鏟正常使用，為此需要開發一套新的大功率變頻器進行升級替代，延長電鏟使用壽命。

目前電鏟大功率變頻器常用西門子S120系列變頻器或ABB的ACS800變頻器，均為國外風冷變頻器。由于電鏟工作在戶外，粉塵較多，風冷變頻器存在進出風口導致柜體防護等級低，粉塵容易進入柜體引發故障。為減少變頻器維護工作、提高電鏟作業率，本文變頻器采用水冷散熱方式，可以提高散熱效率及防護等級、減少粉塵進入及變頻器體積、降低功率器件溫度，提高設備使用壽命。

1 變頻器整體設計

從能量變換角度看，變頻器的輸入為驅動主變壓器，輸出控制對象為提升、推壓、回轉、行走等工作機構執行電動機，是一個多傳動控制對象，各電動機主要參數如表1所示。

結合國內外電鏟變頻器現狀[1-3]，本文采用基于IGBT的AFE整流+多傳動四象限變頻驅動裝置，包括AFE整流回饋裝置、各執行電動機逆變驅動、制動裝置、控制單元等主要部分，用于電鏟提升、回轉、推壓、行走等執行電動機的驅動及控制，具備AFE整流和有源逆變、共直流母線、多傳動等特點。同時，為減少備件數量，功率模塊采用模塊化設計，各整流、逆變功率組件器件及結構上一致，具備互換性，通過燒寫不同的程序實現整流、逆變功能。

表1 各電動機主要參數

根據表1充分考慮短時過載能力，綜合考慮壽命、可靠性等因素，確定單個功率模塊額定功率為1200 kW，拓撲結構如圖1所示。相應配置如下：每臺提升電機由2個功率模塊驅動；推壓電機由1個功率模塊驅動；兩回轉電機機械上是通過齒輪機構耦合在一起，根據參數匹配，可采用1個功率模塊同時驅動兩臺回轉電動機；兩臺行走電機分別由1個功率模塊驅動；整流采用2個功率模塊并聯組成整流回饋裝置，分別經LCL濾波柜接主變壓器的副邊繞組，實現變頻驅動系統的整流/回饋雙向交-直變換；每個功率模塊直流側配熔斷器，進行過流保護；直流側配有制動單元，實現直流母線過壓保護和短時能量泄放。

圖1 變頻器拓撲結構

2 功率模塊設計

功率模塊是變頻器的核心設備，主回路采用兩電平三相逆變橋，由電容濾波板、支撐電容、IGBT、電壓傳感器、電流傳感器等組成，如圖2所示。電容濾波板主要抑制共模干擾，提高電磁抗干擾能力。

圖2 功率模塊主回路

從表1可見，電動機額定電壓為690 V，則功率模塊直流母線電壓設為1000 V。考慮電機制動回饋電網時電壓瞬時波動、線路雜散電感壓降等，IGBT擊穿電壓選1700 V。同時對比表1各電機功率，可見功率模塊帶2臺回轉電機時瞬時功率最大，取電機功率因數為0.85，對應瞬時線電流為：

則IGBT電流可取1.5max，為1671 A。考慮IGBT成本、體積及損耗，每相選用3個IGBT模塊FF600R17ME4并聯，該IGBT集電極額定電流600 A，體積小，滿足使用要求。

直流母線電壓設為1000 V，瞬時波動可達1100 V，故圖2支撐電容額定電壓選用1200 V的薄膜電容，電容容量可由以下公式計算：

式中，為支撐電容容值，max為直流電壓最大值，min為直流電壓最小值，為變頻器功率，為電容放電時間。假設直流母線電壓正常波動范圍為5%，則max為1025 V，min為975 V，取1200000 W，開關頻率取4 kHz，假設在一個周期內充放電時間各一半，則放電時間為0.125 ms，代入式（2），得

3 變頻器水冷設計

參考文獻[4]，本文采用閉式循環水冷+風水交換器方案，如圖3所示，一次冷卻介質為水，二次冷卻介質為空氣，主要設備包括水冷柜和風水交換裝置，水冷柜包括冷卻循環水泵、補水支路、凈化支路、膨脹罐、熱交換器、過濾器、測量裝置等。循環冷卻水進入變頻器，帶走熱量后經熱交換器，將熱量傳遞給外部水風換熱器，如此形成閉合回路。

圖3 變頻器水冷系統

圖3中，膨脹罐具有一定的容積和壓力，當冷卻介質在長期運轉中有少量蒸發時，其中貯存的冷卻介質可即時補充到主回路管道內。水箱內儲存一定量的冷卻介質，當變頻器控制單元檢測到系統缺水時，補水泵可往閉式系統中補水，保證系統壓力和水量的恒定。除水風換熱器外，其余設備均裝在水冷柜中。

考慮電鏟水冷變頻器工作溫度為-20℃～45℃，一次冷卻介質采用純凈水+乙二醇配比冷卻液做循環介質，熱量最后由水-風熱交換器交換到空氣中。由于內循環水在完全密閉條件下工作，因此工作過程中避免了循環介質的蒸發損失，不易出現結垢、長菌及管道腐蝕等現象，減少了水冷系統的維護工作。

水冷系統控制部分通過變頻器控制單元遠程控制水冷系統啟停，并自動監測水路的溫度及壓力，出現異常時及時進行報警保護。

4 水冷變頻器在電鏟使用情況

參考原變頻器空間布局，將研制的國產水冷變頻器設計成了兩排并柜，水冷柜也設計成兩個，分別給同排的變頻柜冷卻，裝在電鏟上后布局如圖4所示。其中水冷柜與變頻柜安裝在電鏟電氣艙內，水風換熱裝置外置，通過電氣艙室適應性改造，實現更好的密封性，為變頻器提供更加清潔的運行環境。

變頻器啟動或停機時，其控制單元會自動控制水冷柜的循環泵啟動或停機，并將兩個水冷柜水路溫度、壓力實時顯示在司機室觸摸屏水冷系統監控界面上。同時司機可以監控界面手動控制循環泵工作，或者手動切換循環泵。

裝有國產水冷變頻器的電鏟在內蒙古哈爾烏素露天礦現場已進行了幾個月的運行，運行過程中，網側保持了設定的功率因數，直流母線電壓保持穩定，變頻器功率模塊溫度在可控范圍內，故障低，各電機能穩定運行，滿足現場作業需求，同時，水冷變頻器充分利用功率模塊短時過載能力，可實現低電壓穿越功能，在電鏟供電電壓瞬時跌落至-30%時不停機。

圖4 變頻器在電鏟上的布局

5 結束語

本文介紹了水冷變頻器的設計思路，重點闡述了大功率水冷變頻器應用在電鏟上的拓撲結構、主要器件選型、水冷設計方案，并安裝在電鏟上進行了幾個月的應用。根據國產化水冷變頻器的應用結果，水冷變頻器散熱效率高、密閉性好、可靠性高，能減少變頻器維護成本，可以推廣應用到其它類型電鏟或礦山其它設備上，為礦山領域重大裝備自主可控提供技術設備支撐。

[1] 遲宇. 國外大型礦用挖掘機綜述[J]. 礦業裝備, 2017(3): 24-25.

[2] 賈良權. 變頻調速技術在電鏟、鉆機設備中的應用解析[J]. 中國機械, 2014(11): 79.

[3] 師遠征. HD2000水冷變頻器在電動鉆機上的應用[J]. 電氣傳動自動化, 2019, 41(1): 36-37, 35.

[4] 劉國宏, 楊威. 變頻器水冷循環系統在電鏟中的設計應用[J]. 船電技術, 2022, 42(4): 13-17.

Design and application of high-power water-cooled frequency converter in electric shovel

Humu Jilitu1, Min Jie2, Xu Ming2

(1. Science and Technology Research Institute of Guoneng Zhunneng Group Co., Ltd, Erdos, Inner 010300, Mongolia, China; 2. Wuhan Great Sea Hi-Tech Co.,LTD., Wuhan 430064, China)

TM341

A

1003-4862（2023）09-0032-03

2023-12-27

呼木吉力吐（1981-），男，高級工程師，本科。研究方向：礦山科技管理。E-mail: 903894463@qq.com