一種大功率防爆變頻裝置研究

王 玲

（兗州東方機(jī)電有限公司，山東 鄒城 273500）

兗州東方機(jī)電有限公司是高低壓成套開關(guān)設(shè)備、礦用防爆開關(guān)設(shè)備、自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備及其系統(tǒng)方案解決的專業(yè)化公司，自2006 年開始研制成功礦用防爆變頻調(diào)速裝置以來，生產(chǎn)1140V500kW 及以下功率段的防爆變頻調(diào)速裝置已非常成熟，在全國(guó)各地的煤礦企業(yè)中得到大規(guī)模應(yīng)用，技術(shù)的先進(jìn)性及可靠性得到全面檢驗(yàn)，利用現(xiàn)有變頻器技術(shù)再加上并聯(lián)技術(shù)，完全可以實(shí)現(xiàn)1140V630kW 及以上規(guī)格的大功率變頻器的成功開發(fā)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文研究?jī)?nèi)容是1140V 變頻器的并聯(lián)技術(shù)，確定用兩臺(tái)1140V 315kW 的變頻功率單元并聯(lián)實(shí)現(xiàn)1140V 630kW 的拖動(dòng)功能，從而研發(fā)出1140V 630kW 的四象限變頻器，在此基礎(chǔ)上研發(fā)出大功率礦用防爆變頻調(diào)速裝置。

變頻單元并聯(lián)技術(shù)的主要難點(diǎn)是確保多臺(tái)小功率的變頻器功率器件同步工作，具體表現(xiàn)為功率器件的觸發(fā)同步、變頻單元的保護(hù)整合為一、變頻單元的電流平衡、變頻單元故障情況下的降載運(yùn)行。解決方案為：利用同一個(gè)主控板控制多臺(tái)功率單元的觸發(fā)運(yùn)行、多臺(tái)功率單元的電流信號(hào)疊加后送主控板進(jìn)行信號(hào)處理、多臺(tái)功率單元在電抗器等主回路元件的獨(dú)立性。

運(yùn)用的關(guān)鍵技術(shù)：利用一個(gè)主控板控制兩臺(tái)變頻單元的統(tǒng)一平衡同步控制、功率單元電流信號(hào)的疊加及分別檢測(cè)、單一功率單元故障情況下確保剩余功率單元的減載無(wú)故障運(yùn)行。

具體的技術(shù)路線為：利用一個(gè)控制板將控制信號(hào)同時(shí)發(fā)給兩個(gè)功率單元，控制板程序?yàn)?140V 630kW 版本，將兩臺(tái)功率單元看作一臺(tái)變頻器來控制。兩臺(tái)功率單元分別配置獨(dú)立的電流檢測(cè)回路，電流信號(hào)經(jīng)過一個(gè)電路板整合為一個(gè)電流信號(hào)供給主控板，作為變頻器控制及保護(hù)的信號(hào)源。

該技術(shù)過程中的實(shí)施過程為：變頻器主控板發(fā)出的功率器件控制信號(hào)經(jīng)過一個(gè)信號(hào)控制擴(kuò)展板分為兩路同步控制信號(hào)，分別傳送給兩路功率單元，確保功率單元的控制同步。變頻單元分別配置獨(dú)立的電抗器、直流母線回路、預(yù)充電回路、短路保護(hù)回路，保證功率單元可單獨(dú)運(yùn)行。每個(gè)功率單元采用市場(chǎng)上用量最大的功率器件：CM800-66H，驅(qū)動(dòng)電路為標(biāo)準(zhǔn)的1140V 變頻驅(qū)動(dòng)板。變頻器散熱方式為傳統(tǒng)的熱管散熱器強(qiáng)制風(fēng)冷方式，由于單個(gè)功率單元功率不大，其散熱采用現(xiàn)有散熱技術(shù)完全可以實(shí)現(xiàn)，保證了散熱可靠性及通用性。

2 基于雙機(jī)(多機(jī))并聯(lián)拖動(dòng)技術(shù)的大功率防爆變頻裝置設(shè)計(jì)

煤礦井下含有甲烷等混合氣體，具有爆炸性。根據(jù)使用場(chǎng)所的條件和確定的技術(shù)路線，確定研制ZJT 系列礦用隔爆兼本質(zhì)安全型變頻設(shè)備。對(duì)交流50Hz、額定電壓1140V 的供電電網(wǎng)，具有起動(dòng)電流小、輸出力矩大、調(diào)速平滑、對(duì)電網(wǎng)沖擊小、易于實(shí)現(xiàn)集控等優(yōu)點(diǎn)，完美解決異步電動(dòng)機(jī)重載軟起軟停、無(wú)級(jí)調(diào)速等問題，達(dá)到節(jié)能和減少機(jī)械設(shè)備磨損的目的。

該變頻調(diào)速裝置共分5 個(gè)箱體組成，分為ZJT-630/1140ZL 整流箱、ZJT-630/1140ZL 整流箱、ZJT-630/1140R1 輸入濾波器箱1、ZJT-630/1140R2 輸入濾波器箱2、輸出濾波器。各部分機(jī)構(gòu)運(yùn)行原理及指標(biāo)如下：

2.1 變頻器

變頻器共分兩個(gè)箱體，分別是ZJT-630/1140ZL整流箱、ZJT-630/1140 變頻箱。

（1）ZJT-630/1140ZL 整流箱

ZJT-630/1140ZL 整流箱作用為：給變頻箱內(nèi)逆變單元提供穩(wěn)定的直流電源，當(dāng)能量由電源向電機(jī)端流動(dòng)時(shí)，整流箱內(nèi)整流單元將電源電壓整流成直流電壓，并對(duì)直流電壓值進(jìn)行精確控制，確保直流電壓平穩(wěn)，其電壓值為Uac×1.35×1.1；當(dāng)能量由電機(jī)向電源流動(dòng)時(shí)（即電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)或發(fā)電狀態(tài)），整流單元將直流母線多余的能量返回電源端，并保證電流相位與電網(wǎng)一致、電流波形為正弦波。

（2）ZJT-630/1140 變頻箱

ZJT-630/1140 變頻箱作用為：將直流母線電壓通過開關(guān)控制，輸出根據(jù)特定頻率、電壓調(diào)制的PWM（脈寬調(diào)制波）電壓波形，該波形電氣性能與特定頻率、電壓的正弦波一致，從而給電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電源。

2.2 輸入濾波器

輸入濾波器共分為兩部分：ZJT-630/1140R1 輸入濾波器箱1、ZJT-630/1140R2 輸入濾波器箱2。

輸入濾波器的主要作用如下：

兩臺(tái)箱體內(nèi)的元件共同組成LCL 濾波電路，將變頻器產(chǎn)生的干擾諧波能量吸收掉，避免變頻器對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染，保證滿足GB/ T 14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；輸入濾波器箱內(nèi)安裝有EMC 濾波器，將150kHz 到1000MHz的騷擾電壓擬制到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB12668.3-2003《調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng) 第3 部分：產(chǎn)品的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)及其特定的試驗(yàn)方法》）以內(nèi)。

2.3 輸出濾波器

該輸出濾波器中內(nèi)裝濾波電抗器，擬制變頻器輸出到電機(jī)的諧波干擾，從而降低電機(jī)噪音，保護(hù)電機(jī)絕緣，保證電機(jī)溫度正常。

通過以上五部分組成的變頻調(diào)速裝置其整體設(shè)計(jì)成效符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，其整體技術(shù)指標(biāo)：

額定電壓：1140V；額定功率：630kW；變頻運(yùn)行方式：四象限運(yùn)行；變頻調(diào)制方式：SPWM 調(diào)制；變頻分單元規(guī)格：1140V 315kW；變頻散熱方式：熱管散熱器強(qiáng)制風(fēng)冷散熱；變頻器過載能力：1.5倍過載一分鐘；變頻器起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：0.5Hz 1.7 倍額定轉(zhuǎn)矩。

3 基于雙機(jī)(多機(jī))并聯(lián)拖動(dòng)技術(shù)的大功率防爆變頻裝置散熱設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，電子元件集成度越來越高，功能也越來越強(qiáng)大，體積越來越小，發(fā)熱量也越來越多。而目前大功率電子模塊常有的散熱方式主要有IGBT 表面公差處理、水冷、翅片冷卻系統(tǒng)和熱管散熱系統(tǒng)。

本文研究?jī)?nèi)容采用水冷和熱管散熱相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過溫度控制防止凝露的發(fā)生，解決了大功率元器件的散熱問題。一般情況下，裝置通過熱管自然風(fēng)冷或強(qiáng)制風(fēng)冷散熱，當(dāng)溫度檢測(cè)裝置檢測(cè)到溫度升高到預(yù)定值，熱管散熱能力不足時(shí)，溫度控制器將進(jìn)水口的電磁閥緩慢打開，水量隨著電磁閥的緩慢打開會(huì)不斷增大，水通過熱的交換方式不斷被加熱，大量的熱量被水帶走。導(dǎo)熱基板在冷水和熱管雙重作用下，溫度不斷下降，使電子元器件的溫度保持在正常工作溫度中。當(dāng)溫度低于預(yù)定值時(shí)，溫度控制器將電磁閥緩慢關(guān)閉，僅用熱管工作。由于電磁閥緩慢打開/關(guān)閉，不會(huì)引起內(nèi)部溫度的急劇變化，加上內(nèi)部風(fēng)扇的作用，促進(jìn)了箱體內(nèi)部空氣的流動(dòng)，防止了氣體的凝結(jié)，避免了凝露的產(chǎn)生。水冷和熱管散熱既滿足了大功率設(shè)備的散熱要求，又彌補(bǔ)了熱管散熱和水冷散熱各自的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

4 防爆送審和電氣性能試驗(yàn)

變頻調(diào)速裝置進(jìn)行了嚴(yán)格的性能試驗(yàn)，包括：特性曲線、輸出電壓、各項(xiàng)電機(jī)保護(hù)、溫升、制動(dòng)特性曲線、制動(dòng)溫升、EMC（射頻和傳導(dǎo)）檢測(cè)等。測(cè)量結(jié)果表明，變頻調(diào)速裝置特性曲線近乎完美，V/F 曲線近乎直線；輸出電壓高于輸入電壓的97%，保證了輸出力矩；電機(jī)保護(hù)功能齊全；工作溫升也在標(biāo)準(zhǔn)要求之內(nèi)。變頻調(diào)速裝置進(jìn)行了回饋制動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中先將直流加載機(jī)啟動(dòng)，此時(shí)加載機(jī)拖動(dòng)交流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；再啟動(dòng)變頻調(diào)速裝置，設(shè)定其速度低于加載機(jī)，則變頻調(diào)速裝置處于制動(dòng)狀態(tài)。調(diào)節(jié)加載機(jī)輸出力矩到額定力矩，根據(jù)各個(gè)速度點(diǎn)測(cè)量的電壓電流繪制出特性曲線。測(cè)量結(jié)果顯示，各個(gè)頻率下，變頻調(diào)速裝置都可穩(wěn)定地輸出制動(dòng)力矩，并將能量回饋電網(wǎng)。國(guó)家采煤機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心委托上海電科所對(duì)變頻調(diào)速裝置進(jìn)行了EMC 檢測(cè)。試驗(yàn)包括射頻干擾和傳導(dǎo)干擾兩部分，在滿載情況對(duì)變頻調(diào)速裝置進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果符合相應(yīng)國(guó)標(biāo)要求。其他部件的性能試驗(yàn)與出廠試驗(yàn)完全一致，詳情請(qǐng)參考檢驗(yàn)報(bào)告。

5 結(jié)語(yǔ)

基于雙機(jī)(多機(jī))并聯(lián)拖動(dòng)技術(shù)的大功率防爆變頻裝置的研究建立和投入使用，可以完善現(xiàn)有的大功率防爆變頻系統(tǒng)，能夠解決現(xiàn)有防爆變頻系統(tǒng)因一些固有因素而造成的一些問題，能為企業(yè)在防爆變頻上提供更多的選擇，保障生產(chǎn)的順利進(jìn)行，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力?？傊?，基于雙機(jī)(多機(jī))并聯(lián)拖動(dòng)技術(shù)的大功率防爆變頻裝置的研制成功，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的創(chuàng)新，科技含量高，性能先進(jìn)，可靠性高，不僅可應(yīng)用于煤礦井下舊絞車電控系統(tǒng)的現(xiàn)代化改造及新增絞車電控系統(tǒng)，其技術(shù)也可應(yīng)用于煤礦所有1140V 大功率交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用必將提高煤礦生產(chǎn)的安全性及生產(chǎn)效率，提高礦井現(xiàn)代化水平，降低煤礦生產(chǎn)成本，產(chǎn)生極大的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。