大功率刮板機(jī)防爆變頻器設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

封安波++李俊強(qiáng)++靳寧寧

摘 要：傳統(tǒng)大功率刮板輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)以調(diào)速型液力耦合器為主，可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，但系統(tǒng)復(fù)雜，維護(hù)工作量大，維護(hù)成本高，且不可以長(zhǎng)時(shí)間工作在低速模式下。隨著科技的不斷發(fā)展，變頻技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用日趨普及，變頻技術(shù)應(yīng)用于煤礦刮板輸送機(jī)也日益成熟。變頻技術(shù)的引入便于實(shí)現(xiàn)礦井自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)斷鏈保護(hù)停機(jī)及電動(dòng)機(jī)功率平衡等，省去了調(diào)速型液力耦合器，采用直接對(duì)輪聯(lián)接，提高設(shè)備的機(jī)械效率。

關(guān)鍵詞：防爆變頻器；刮板機(jī)；設(shè)計(jì)

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

1 技術(shù)特點(diǎn)

（1）采用先進(jìn)的三電平交直交變頻方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(biāo)稱壽命200000小時(shí)）。（2）采用三電平主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，產(chǎn)生5階輸出線電壓，電流畸變率低、電磁噪聲小、動(dòng)靜態(tài)性能優(yōu)良，且開關(guān)頻率低、損耗小、效率高。（3）能完成速度閉環(huán)、電流閉環(huán)、磁鏈閉環(huán)、速度觀測(cè)、矢量控制等功能，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高性能轉(zhuǎn)矩控制和功率控制，完全滿足刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)的工況要求。（4）采用層疊母線進(jìn)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(diǎn)。

2 變頻器電氣設(shè)計(jì)方案

（1）總體結(jié)構(gòu)。礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器總體結(jié)構(gòu)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(jī)變頻控制系統(tǒng)不需要將能量回饋電源（根據(jù)技術(shù)要求），故整流器采用12脈波二極管整流橋串聯(lián)結(jié)構(gòu)，交流側(cè)連接移相變壓器輸出具有30°相位差的三相交流電壓。此結(jié)構(gòu)不僅把整流電路脈沖數(shù)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(duì)電網(wǎng)的干擾；二極管整流電路在自然換相點(diǎn)換相，系統(tǒng)的功率因數(shù)相對(duì)較高，節(jié)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(jìn)一步降低了整流側(cè)諧波含量。另外，該結(jié)構(gòu)對(duì)上、下直流母線電壓平衡的控制具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，為三電平逆變器提供平穩(wěn)的電平，提升了變頻器的調(diào)速性能，同時(shí)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有低成本高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。（3）逆變器方案。設(shè)計(jì)采用成熟可靠的二極管箝位式三電平拓?fù)渥鰹槟孀儐卧幕窘M成形式，其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，采用二極管箝位式三電平拓?fù)洌孀兤鬏敵鲭妷篸u/dt大大降低，等效開關(guān)頻率相比于兩電平提高一倍（從功率器件平均開關(guān)損耗和輸出電壓畸變率角度），降低了功率器件開關(guān)應(yīng)力，同時(shí)減小了對(duì)電機(jī)的慢性損壞。（4）PWM控制方式：在三電平結(jié)構(gòu)逆變系統(tǒng)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(xiàn)已成為變頻器調(diào)制算法的首選。而三電平變頻器自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致其SVPWM調(diào)制算法也比兩電平要復(fù)雜得多。為了兼顧控制器性能及提高系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率，本系統(tǒng)采用簡(jiǎn)化的SVPWM調(diào)制算法。三電平電壓空間矢量可視為由6個(gè)兩電平電壓空間矢量構(gòu)成的小六邊形相互疊合而成。對(duì)于某一給定的參考電壓矢量，必能選擇一個(gè)小六邊形區(qū)域，使之位于其內(nèi)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(jīng)過參考電壓矢量進(jìn)行修正及坐標(biāo)平移即可將三電平電壓矢量平面簡(jiǎn)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(nèi)循環(huán)水采用純水+乙二醇做循環(huán)介質(zhì)，元器件損耗經(jīng)過水冷散熱器進(jìn)行熱交換，主循環(huán)泵將置換出的熱量由內(nèi)循環(huán)水通過水-水熱交換器，將熱量交換到外循環(huán)水系統(tǒng)。水循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部壓力、流量可以保持一個(gè)恒定的運(yùn)行狀態(tài)，內(nèi)部增加一個(gè)水風(fēng)交換器，可對(duì)輸出電抗器、電阻等內(nèi)部元器件進(jìn)行水冷散熱，為系統(tǒng)提供良好的運(yùn)行環(huán)境；由于內(nèi)水管路不與大氣相接觸，并且水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)有相應(yīng)去離子系統(tǒng)，可以去除冷卻介質(zhì)內(nèi)的游離電子、優(yōu)化水質(zhì)，有效的預(yù)防管道與設(shè)備結(jié)垢、腐蝕、電離等現(xiàn)象的發(fā)生，以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。本裝置由水-水熱交換器（水冷部分）、主循環(huán)水泵、膨脹水罐、補(bǔ)水裝置、去離子系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)等組成組成。

4 機(jī)芯結(jié)構(gòu)方案

變頻器機(jī)芯整體由一套整流機(jī)芯、三套逆變機(jī)芯、一套水冷機(jī)芯等結(jié)構(gòu)體組成，分別進(jìn)行機(jī)芯模塊化設(shè)計(jì)，機(jī)芯組件可實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)的完整電氣功能。水冷采用水-水交換方式，該系統(tǒng)經(jīng)過本公司礦井提升機(jī)項(xiàng)目產(chǎn)品驗(yàn)證，在可靠性，可維護(hù)性，應(yīng)用性能方面有足夠的保障和安全裕量。設(shè)計(jì)完成機(jī)芯整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，布局相對(duì)完善合理。優(yōu)化功率單元結(jié)構(gòu)，去掉功率單元絕緣外殼結(jié)構(gòu)，為配合對(duì)接公差，配套直流母線設(shè)計(jì)成單層疊裝方式（對(duì)接方式考慮快速接頭等其他待選方案）；機(jī)芯整體增加水風(fēng)散熱器，用于LC濾波電抗器、電容散熱及變頻器內(nèi)部熱循環(huán)；整流母線不同功率等級(jí)結(jié)構(gòu)兼容設(shè)計(jì)。

5 隔爆殼體方案

整體結(jié)構(gòu)采用直筒式方案，柜體兩側(cè)開門，側(cè)門上進(jìn)出線采用快速電纜連接器方式，同時(shí)在柜門上根據(jù)電氣要求設(shè)計(jì)相應(yīng)操作端口；變頻器機(jī)芯機(jī)芯安裝固定在移動(dòng)小車上，通過延伸導(dǎo)軌從一側(cè)整體推入隔爆殼體安裝。

6 結(jié)束語

變頻器已然成為電力傳動(dòng)領(lǐng)域的生力軍，已被運(yùn)用到煤礦的各種傳動(dòng)機(jī)械中，而傳統(tǒng)大功率刮板輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)以調(diào)速型液力耦合器為主，因此亟需國(guó)內(nèi)企業(yè)推出相應(yīng)產(chǎn)品來滿足這部分市場(chǎng)需求。

參考文獻(xiàn)：

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