礦用高壓組合變頻器的設(shè)計

（大同煤礦集團機電裝備天晟電氣有限公司，山西 大同 037305）

1 研究目的

1）近年來，煤礦綜采工作面大功率刮板輸送機主要由雙速電機和進口CST或TTT等可控液力偶合器調(diào)速系統(tǒng)拖動。雙速電機拖動仍產(chǎn)生較大的機械沖擊和電氣沖擊，經(jīng)常造成起動失敗、斷鏈等事故，安全性較差；而CST和TTT等可控液力偶合器調(diào)速系統(tǒng)又需要進口，價格高，運行費用高，維修困難。

電氣傳動技術(shù)尤其是高壓變頻調(diào)速技術(shù)不斷成熟和發(fā)展，在大容量傳動場所得到越來越廣泛的應(yīng)用。根據(jù)我國煤炭工業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，目前礦山(尤其是國有大型礦井)綜采工作面大多數(shù)以3300V作為井下供電系統(tǒng)的主導(dǎo)電壓，煤礦用戶和制造商都高度關(guān)注，希望將高壓變頻技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下，解決大型刮板輸送機目前存在的各種問題，實現(xiàn)智能無級調(diào)速，重載軟啟動，減少機械沖擊，保障刮板機可靠穩(wěn)定運行，為進一步實現(xiàn)智能無人化綜采工作面奠定基礎(chǔ)。

2）煤礦綜采工作面大功率刮板或皮帶輸送機往往由2～3臺電機共同驅(qū)動，控制各臺電機的開關(guān)需要進行通訊實現(xiàn)功率平衡。礦用高壓變頻器的體積大，不僅需要移相變壓器供電，還需要外部供冷卻水對功率器件進行散熱。整部刮板機的變頻控制開關(guān)及配套的變壓器和水冷裝置設(shè)備數(shù)量會多達6～9臺，占用串車多，電纜多，水冷管路復(fù)雜，不利于維護。本項目研究的變頻器為2～3回路的礦用高壓組合變頻器，電壓等級3300V，最大功率3×1600 kW，有效簡化多驅(qū)刮板或多驅(qū)皮帶機的電氣驅(qū)動控制系統(tǒng)。

2 整機設(shè)計方案

2.1 主電路設(shè)計

高壓組合變頻器主電路為交直交電壓型三電平逆變結(jié)構(gòu)，由整流部分、中間預(yù)充電直流部分、三電平逆變回路組成，其中逆變部分有三個回路，并聯(lián)在直流母線正負極之間，由對應(yīng)的逆變控制單元控制，三個輸出回路可以分別控制3個三相鼠籠式電機。高壓組合變頻器主電路見圖1。

圖1 高壓組合變頻器主電路

（1）整流部分：供電電源為兩個副邊繞組之間存在30℃的相位差的移相變壓器，一個副邊繞組為星形接法，另一個副邊繞組為角形接法。通過兩個無熔斷器的三相橋式串聯(lián)疊加整流，直流母線電壓為兩個整流橋的疊加電壓，兩個整流橋均流過全部直流電流，一個交流周期內(nèi)，整流輸出2組共12個直流脈波，相位的相差將產(chǎn)生的5，7，17，19.....次諧波互相抵消，注入電網(wǎng)的只有12k±1次諧波，使電源輸入側(cè)諧波大為減少；整臺設(shè)備的功率因數(shù)由普通三相六脈整流的78%提高至95%[1]。

（2）中間預(yù)充電直流部分：采用兩個完全相同的自恢復(fù)薄膜電解電容串聯(lián)組成，濾波和進一步消除12k±1次諧波，串聯(lián)電容中間點引出一條線與逆變電路中的鉗位二極管相接，共同組成三電平逆變。主回路通電瞬間，濾波電容器的充電電流很大可能損壞整流模塊，因此設(shè)計直流部分設(shè)計了預(yù)充電回路，主回路通電前，先通過由輔助電源供電的充電回路給直流母線上的電容充電，充電回路將充電電流限制到允許范圍以內(nèi)，當直流母線電壓達到80%以上母線電壓時，充電回路斷開，主回路開始供電[2]。

（3）三電平逆變回路部分：由三個并聯(lián)的逆變單元組成，由于工作電壓（母線電壓4800V）較高，受限于IGBT耐壓等級，IGBT必須串聯(lián)使用，為避免IGBT串聯(lián)在開斷時的動態(tài)均壓問題，降低輸出諧波，采用了鉗位二極管三電平逆變電路。這種逆變電路，當改變逆變回路每相上串聯(lián)的四個IGBT的通斷狀態(tài)時，輸出相會得到三種不同的電壓：上臂電容上端的電壓-Ud，上、下臂電容中間點的電位0，下臂電容下端的電壓+Ud。最終，經(jīng)過三相輸出濾波，電機三相線電壓有5個電平，多級電壓階梯波形減少了du/dt對電動機絕緣的沖擊，減小了對變壓器繞組、電力電纜和其他電力設(shè)備的影響，輸出諧波小，使電動機的電流波形失真度從17%降低為2%左右，更接近于正弦波。

2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計

（1）礦用高壓組合變頻器的控制系統(tǒng)主要由主回路、主控制器、各逆變回路控制單元、直流母線電壓檢測模塊、逆變輸出電流傳感器、顯示器、輸入鍵盤、通訊模塊等組成。主控器通過CAN總線分別與三個逆變控制單元相連，每個逆變單元分別對各自的逆變回路進行信號采集和觸發(fā)，實現(xiàn)三個變頻輸出回路，各回路保持功率、轉(zhuǎn)矩平衡，適合控制多臺電機共同驅(qū)動同一大功率剛性負載。高壓組合變頻器控制系統(tǒng)見圖2。

（2）直接轉(zhuǎn)矩控制方式

直接轉(zhuǎn)矩控制是以轉(zhuǎn)矩為中心來進行磁鏈、轉(zhuǎn)矩的綜合控制。和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制不采用解耦的方式，在算法上不存在旋轉(zhuǎn)坐標變換，簡單地通過檢測的輸入電機的電流和直流母線上、下臂電壓，以及電機的銘牌參數(shù)借助瞬時空間矢量理論計算電動機的磁通和轉(zhuǎn)矩（自適應(yīng)電機模型，該模型每25 微秒產(chǎn)生一組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通的實際值），并根據(jù)與給定值比較所得差值，優(yōu)化脈沖選擇器決定逆變器每只IGBT的最佳開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的直接控制。這種控制方式不易受負載參數(shù)變化影響，可以對負載擾動和瞬時掉電等動態(tài)變化做出快速響應(yīng)，可以獲得更大的起動轉(zhuǎn)矩，多臺聯(lián)動控制轉(zhuǎn)矩平衡響應(yīng)更快，非常適合剛性負載的聯(lián)動控制[3]。

2.3 隔爆殼體的設(shè)計

根據(jù)設(shè)備在煤礦井下的使用場所和器件布局，使用Solidworks三維設(shè)計軟件對殼體反復(fù)進行仿真設(shè)計，最終殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計為長方體結(jié)構(gòu)，由四個腔組成。殼體前側(cè)是四個螺栓緊固門，便于每個回路的獨立維護保養(yǎng)；殼體后側(cè)為四個內(nèi)設(shè)水冷散熱通道裝配門，用于功率器件的安裝及散熱，便于整機裝配及水冷板維護；電源進線和負荷出線采用電纜連接器，可以減小殼體的設(shè)計體積，便于設(shè)備間的連接。

（1）隔爆外殼壁厚設(shè)計[4]

圖2 高壓組合變頻器控制系統(tǒng)

根據(jù)《機械設(shè)計手冊第五版》第一卷，材料力學(xué)計算，最大應(yīng)力點發(fā)生在矩形長邊的中心位置，最大撓度位置發(fā)生在板面中心位置。

板面中心最大彎曲應(yīng)力：

最大撓度：

式中用到的參數(shù)如下：

α、β：矩形的長、寬比值系數(shù)，見表1。

表1 α、β 與矩形的長、寬比值系數(shù)

σ為中心應(yīng)力（最大應(yīng)力）；q為載荷（試驗壓力），MPa；根據(jù)國標，隔爆殼體靜壓試驗壓力為1MPa；a、b為矩形板長、寬度，mm；t為矩形板厚度，mm；E為材料的彈性模量，炭鋼206，GPa；σδ為材料的屈服極限，MPa；隔爆殼體常用Q235和Q460；N為材料安全系數(shù)，炭鋼取1～1.25；隔爆外殼靜壓實驗只需要維持10～12 S，根據(jù)隔爆殼體的設(shè)計經(jīng)驗，實際系數(shù)偏小，這里安全系數(shù)取1。

為了減輕殼體重量，減小隔爆外殼的板材厚度，綜合材料的價格及整機造價，材料選用Q460。根據(jù)第三強度理論，推導(dǎo)出不加加強筋情況下，矩形外殼壁厚可根據(jù)下式得出：

隔爆外殼為長方體結(jié)構(gòu)，腔體上的主要用到的矩形板材有三種規(guī)格：

頂板和底板：長×寬：1460 mm×1160 mm，經(jīng)計算，設(shè)計板厚不小于33.5 mm；

前板和后板：長×寬：1230 mm×1140 mm，經(jīng)計算，設(shè)計板厚不小于29.5 mm；

前后面的8個門：長×寬：1140 mm×820 mm，經(jīng)計算，設(shè)計板厚不小于25.3 mm；

考慮原材料統(tǒng)一，門板使用26 mm厚鋼板，主體結(jié)構(gòu)和水冷板使用32 mm厚鋼，腔體的頂板和底板計算厚度33.5 mm，使用32 mm鋼板需要板上均布加強筋等強焊接。

殼體焊接完成后，用精加工的空殼體進行，壓力為1.0MPa達到規(guī)定壓力后維持10～12 S，殼無結(jié)構(gòu)損壞或可能影響隔爆性能的永久變形為試驗合格。

（2）隔爆性能設(shè)計

隔爆性能就是外殼內(nèi)爆炸性混合物爆炸時噴出的火焰，不會引起殼外可燃性混合物爆炸的性能。隔爆接合面的最小寬度和最大間隔按GB 3836.2-2010中表1的規(guī)定設(shè)計；接合面的粗糙度按GB 3836.2-2010中5.2.2“接合面表面平均粗糙度Ra不超過6.3μm”的規(guī)定設(shè)計；其余涉及防爆性能的設(shè)計參照GB 3836.1、2、4-2010中規(guī)定的要求。

3 工業(yè)性實驗

3.1 概述

同煤同忻礦8102工作面，工作面走向長度2100m，可采長度1760m，凈面長256m，煤層平均厚度3.47m，設(shè)計運量2000 t/h。刮板輸送機高壓組合變頻電氣控制系統(tǒng)由1臺礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓組合變頻器（BPJV-3×1600/3.3）、1臺礦用隔爆型移動變電站（KBSGZY-4500）、3臺1200 kW礦用隔爆型電機組成。高壓變頻器與移動變電站之間的電纜長度＜30m，采用4條150 mm2礦用電纜連接；高壓變頻器采用3條120 mm2礦用電纜分別與3臺電機連接；工作面靜壓水經(jīng)過過濾裝置直接高壓組合變頻器水冷板進行散熱；變頻器的運行狀態(tài)及控制通過總線形式傳給上位機。工業(yè)性實驗設(shè)備現(xiàn)場布局見圖3。

圖3 工業(yè)性實驗設(shè)備現(xiàn)場布局

3.2 主要試驗項目及效果

（1）重載啟動

高壓組合變頻器帶刮板輸送機后，靠變頻器啟動前可以預(yù)勵磁的特性，保證重載啟動時，啟動轉(zhuǎn)矩大于220%電機額定轉(zhuǎn)矩。高壓變頻啟動加速過程時間可調(diào)，保證了設(shè)備的平滑啟動，減少對刮板鏈條的機械沖擊。

（2）節(jié)能效果明顯

高壓組合變頻器應(yīng)用于刮板輸送機系統(tǒng)，減少了電動機的無功功率，電機的功率因數(shù)提高到0.95以上，刮板輸送機在采煤量少的時候可工作于低頻狀態(tài)，總節(jié)能效果不小于15%。

（3）電磁兼容

使用BPJV-3×1600/3.3礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓組合變頻器，運行3個月，工作面推進283m，完成產(chǎn)量197萬噸。與工作面其他設(shè)備兼容性好，未引起電磁干擾等情況。

（4）與CST相比對機械的保護

高壓組合變頻器啟動時最大電流不大于電機額定電流的150%，對電機有明顯的保護功能。高壓組合變頻器啟動、運行平穩(wěn)，能有效減小對鏈條、刮板的磨損，延長設(shè)備壽命；實驗期間與CST系統(tǒng)相比，亂板輸送機故障率下降15%。

4 結(jié)語

礦用高壓組合變頻器，采用12脈沖整流、三電平逆變技術(shù)：具有起動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速性能好，有效抑制諧波含量，切實解決了刮板輸送機重載起動和斷鏈兩大難題，提高刮板輸送機的壽命，優(yōu)化了多驅(qū)刮板運輸機的電氣控制系統(tǒng)，減少了設(shè)備的使用數(shù)量，設(shè)計合理，性能可靠，滿足生產(chǎn)和安全使用需求。