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(diào)速設(shè)備，驅(qū)動電動機產(chǎn)生動力。并根據(jù)負(fù)載和工藝要求進(jìn)行調(diào)速，根據(jù)負(fù)載和應(yīng)用場合的不同可以分為不同的變頻器類型。風(fēng)機水泵型，風(fēng)機水泵屬于立方型負(fù)載，一般應(yīng)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(fù)載類型：市政供水泵組、壓風(fēng)機、鼓風(fēng)機、灌溉水泵等。恒轉(zhuǎn)矩型，負(fù)載大小和速度沒有關(guān)系，此類負(fù)載對變頻器要求較高，經(jīng)常需要帶負(fù)載起動所以常用到矢量型變頻器。常見負(fù)載類型：電梯、提升機、機車、輸送帶等。

一、礦用變頻器實質(zhì):礦用變頻器的實質(zhì)與一般通用變頻器在電路構(gòu)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(nèi)即可，所以礦用時有關(guān)的技術(shù)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(shù)要求，以及有關(guān)散熱技術(shù)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(shè)備的帶電部件放在特制的外殼內(nèi)，該外殼具有將殼內(nèi)電氣部件產(chǎn)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(jìn)入殼內(nèi)的爆炸性混合物被殼內(nèi)電氣設(shè)備的火花、電弧引爆時所產(chǎn)生的爆炸壓力，而外殼不被破壞；同時能防止殼內(nèi)爆炸 產(chǎn)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(zhì)安全原理：本安接線腔；本安鍵盤 本質(zhì)安全型電路是指在規(guī)定條件下（包括正常工作和規(guī)定的故障條件下）產(chǎn)生的任 何電火花和熱效應(yīng)均不能點燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)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(gòu)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(dāng)一個空腔里的爆炸性混合物發(fā)生爆炸時，會產(chǎn)生壓力重疊現(xiàn)象，也就是當(dāng)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(rèn)證、防爆本安認(rèn)證、美觀、設(shè)計參數(shù)等。

二、電壓型變頻器與電流型變頻器的區(qū)別；電流型變頻器的直流環(huán)節(jié)采用了電感元件而得名，其優(yōu)點是具有四象限運行能力，能很方便地實現(xiàn)電機的制動功能。缺點是需要對逆變橋進(jìn)行強迫換流，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整較為困難。另外，由于電網(wǎng)側(cè)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(wǎng)會有一定的影響。電壓型變頻器由于在變頻器的直流環(huán)節(jié)采用了電容元件而得名，其特點是不能進(jìn)行四象限運行，當(dāng)負(fù)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(shè)正弦波濾波器。高電流型變頻器它采用GTO，SCR或IGCT元件串聯(lián)的辦法實現(xiàn)直接的高壓變頻，目前電壓可達(dá)10KV。由于直流環(huán)節(jié)使用了電感元件，其對電流不夠敏感，因此不容易發(fā)生 過流故障，逆變器工作也很可靠，保護(hù)性能良好。其輸入側(cè)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(wǎng)的污染和對通信電子設(shè)備的干擾問題。均壓和緩沖電路，技術(shù)復(fù)雜，成本高。由于器件較多，裝置體積大，調(diào)整和維修都比較困難。逆變橋采用強迫換流，發(fā)熱量也比較大，需要解決器件的散熱問題。其優(yōu)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(shù)和較高的輸入輸出諧波，故需要在其輸入輸出側(cè)安裝高壓自愈電容。

三、工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換原則：VT1與VT3不能同時導(dǎo)通，它們是邏輯非的關(guān)系，驅(qū)動信號互補，同理，VT2與VT4也不能同時導(dǎo)通。同時，在開關(guān)管的觸發(fā)控制上必須加上一定的死 區(qū)時間，防止在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時使單個開關(guān)管瞬間承受直流母線電壓而造成損壞；相電位不應(yīng)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(tài)的轉(zhuǎn)換只能在P與O或O與N之間進(jìn)行。這樣避免了一相橋臂四個開關(guān)管同時導(dǎo)通而導(dǎo)致直流母線電壓瞬間短路的可能；當(dāng)采用SVPWM作為控制策略進(jìn)行三相開關(guān)管狀態(tài)變化時，應(yīng)盡量減少 開關(guān)動作，具體來說就是僅使逆變輸出一相進(jìn)行開關(guān)動作，其他兩相狀態(tài)保持不變，這樣有利于減少開關(guān)管的開關(guān)損耗，減少發(fā)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(guān)器件的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，直流母線端的電容間不停的進(jìn)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(yōu)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?。?開關(guān)器件開關(guān)時du/dt為兩電平的1/2；單個開關(guān)器件開關(guān)頻率降低、損耗低； 開關(guān)器件直流側(cè)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(zhì)下降，造成線損增大；使電動機發(fā)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(shù)cosφ減?。皇闺妱訖C振動增大，轉(zhuǎn)速產(chǎn)生抖動，不穩(wěn)定；電機噪聲增加；諧波與電線電容諧振產(chǎn)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(chǎn)生過熱，增加損耗，以致產(chǎn)生電擊穿或熱擊穿。干擾系統(tǒng)正常工作，對電子線路設(shè)備造成不穩(wěn)定工作狀態(tài)。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(shè)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(dǎo)體器件的快速開關(guān)動作，會導(dǎo)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(guān)速度兩方面因素的 影響，在某些情況下，du/dt設(shè)置會超過10000V/us。輸出電壓過中過高 的du/dt可能導(dǎo)致電動機繞組之間局部放電，過早出現(xiàn)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(chǎn)生電磁輻射，影響附近敏感電子設(shè)備的正常工作。更糟糕的是，由于長電纜的波反射效應(yīng)，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(xiàn)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(dāng)電纜超過一 定值時，每個開關(guān)暫態(tài)過程中，電動機側(cè)的電壓就會與反射電壓疊加，達(dá)到兩倍伏值。當(dāng)du/dt為500V/us時，連接電纜的臨界長度約為100m;當(dāng)du/dt為1000V/us時，連接電纜的臨界長度約為50m;當(dāng)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(shè)有輸入缺相、過流、欠壓、過壓、電機過熱、漏電檢測等故障保護(hù)，確?？刂谱冾l器安全運行。當(dāng)出現(xiàn)上述任一故障時，變頻器就進(jìn)入自鎖停機保護(hù)狀態(tài)，顯示屏顯示故障內(nèi)容，當(dāng)故障排除后需復(fù)位（停止鍵）才能重新進(jìn)入待機狀態(tài)，如果故障沒有解除則無法進(jìn)行復(fù)位。下表列出了本變頻器常見 的一些故障現(xiàn)象，并分別給出了相應(yīng)的故障原因分析以及針對性的處理方法，當(dāng)故障發(fā)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(jié)：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(shù)研發(fā)而成，具有啟 動轉(zhuǎn)矩大、啟動電流小、過載能力強、對電網(wǎng)沖擊小等特點，可在多種復(fù)雜工況下驅(qū)動 永磁同步變頻電動機、三相異步電動機長期穩(wěn)定運行。