礦用防爆型中高壓變頻器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

楊華松

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.撫順中煤科工檢測(cè)中心有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

隨著煤礦生產(chǎn)領(lǐng)域的發(fā)展，一些大型和中型煤礦生產(chǎn)儀器單機(jī)功率有著大幅度的增加，這樣給礦井帶來(lái)了一定的安全隱患，很容易引發(fā)安全事故?；诖?，為了減少安全事故的發(fā)生，確保各項(xiàng)生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)出了防爆型高壓變頻器，并且將其應(yīng)用到其中，這樣不僅可以對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，還起到了綜合保護(hù)作用，降低了對(duì)能源的消耗?？偟膩?lái)說(shuō)，防爆型高壓變頻器可以有效減少礦用生產(chǎn)設(shè)備故障的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)良好的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)效益，促使煤礦領(lǐng)域可以安全、穩(wěn)定的發(fā)展。

1 高壓變頻器分析

在防爆型高壓變頻器設(shè)計(jì)之前，要對(duì)高壓變頻器的結(jié)構(gòu)原理以及優(yōu)勢(shì)等相關(guān)內(nèi)容有一定的了解和掌握，可以更加從容地展開防爆型高壓變頻器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的設(shè)計(jì)效果[1]。那么，高壓變頻器的結(jié)構(gòu)原理和優(yōu)勢(shì)具體內(nèi)容如下。

1.1 結(jié)構(gòu)原理

高壓變頻器是以多個(gè)功率單元串聯(lián)多電平輸出高壓為主，其結(jié)構(gòu)為交流電、直流電。交變流電為主，并且是由高壓開關(guān)設(shè)備、移相變壓器、功率單元、控制單元、冷卻設(shè)備等方面組成。其中，高壓開關(guān)設(shè)備在高壓變頻器中，主要是接通斷開的輸入電源以及負(fù)載，切換工頻，滿足高壓變頻器運(yùn)行對(duì)電流的需求；移相變壓器主要是將高壓變頻器中高壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，生成多組低壓，并且針對(duì)各副邊應(yīng)當(dāng)采用延邊三角連接方式；功率單元屬于高壓變頻器的核心，一般都是以多重電路結(jié)構(gòu)為主，并且將其分為三組，每組為一相，每個(gè)單元可以將三相電流進(jìn)行整流儲(chǔ)存，濾波逆變以后，可以輸出單相低壓交流電。由于每組對(duì)各功率單元輸出以后形成高壓，這樣各個(gè)單元可以實(shí)現(xiàn)自檢、自動(dòng)退出功能，以此起到了保護(hù)的作用，避免造成不必要的損失；控制單元在高壓變頻器中，主要是對(duì)主回路起到了檢測(cè)、保護(hù)等作用，并且對(duì)于傳輸、接受的指令以及參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的控制，以此減少異?，F(xiàn)象的產(chǎn)生[2]。另外，控制單元通過(guò)利用光纖，對(duì)每一個(gè)功率單元進(jìn)行整流、逆變控制以及檢測(cè)等，從而實(shí)現(xiàn)電氣隔離。冷卻風(fēng)扇在高壓變頻器中，主要是起到降溫的作用，避免產(chǎn)生高溫運(yùn)行，并且是一般安裝高壓變頻器柜頂，利用往外抽風(fēng)的方式進(jìn)行冷風(fēng)降溫。

1.2 優(yōu)勢(shì)

高壓變頻器憑借自身的優(yōu)勢(shì)，在很多行業(yè)領(lǐng)域中都有著廣泛的使用，所帶來(lái)的效益是非?？捎^的。對(duì)此，下面就對(duì)高壓變頻器的優(yōu)勢(shì)展開了簡(jiǎn)單的研究。

1.為了保證礦用設(shè)備的運(yùn)行效率，提高產(chǎn)量，對(duì)設(shè)備運(yùn)行速率進(jìn)行調(diào)整，但是礦用設(shè)備速度的增加，使得控制難度增加，安全事故極容易發(fā)生。同時(shí)，隨著高壓變頻器的發(fā)展，逐漸加大對(duì)其的應(yīng)用力度，礦用設(shè)備的運(yùn)行速度得以很大的提升，例如：帶式輸送機(jī)、提升機(jī)等，并且在礦用設(shè)備運(yùn)行期間，高壓變頻器可以對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)把控，以此減少異常問(wèn)題的產(chǎn)生。

2.煤礦生產(chǎn)與其他生產(chǎn)領(lǐng)域有著很大程度上的不同，尤其是生產(chǎn)環(huán)境，不僅粉塵污染相對(duì)較大，還存在大量易燃?xì)怏w，存在較大的安全隱患[3]。因此，高壓變頻器在應(yīng)用期間，為了提升其使用壽命，在原有的基礎(chǔ)之上進(jìn)行了改善和研究，形成防爆型高壓變頻器。另外，由于防爆型高壓變頻器的控制相對(duì)較為簡(jiǎn)單，后期維護(hù)也相對(duì)較為便利，所以很適合用于煤礦開采的復(fù)雜環(huán)境中，減少礦用設(shè)備安全故障的產(chǎn)生。

2 防爆型高壓變頻器設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)思路始終貫穿于整個(gè)防爆型高壓變頻器設(shè)計(jì)工作中，具有一定的指導(dǎo)性作用，以此保證防爆型高壓變頻器設(shè)計(jì)效果。防爆型高壓變頻器設(shè)計(jì)思路主要包括以下幾點(diǎn)內(nèi)容。

1.防爆型高壓變頻器設(shè)計(jì)主要結(jié)合現(xiàn)用的高壓變頻器結(jié)構(gòu)以及使用情況，對(duì)防爆型高壓變頻器進(jìn)行升級(jí)和改善，提升其綜合性能，從而保證礦用設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。同時(shí)，防爆型高壓變頻器主要是由PLC 控制器、開關(guān)、熔斷器、濾波器、電抗器、散熱器、機(jī)芯及顯示屏等組成，并且變頻是以轉(zhuǎn)矩控制為主，其應(yīng)用范圍相對(duì)較廣，響應(yīng)速度也相對(duì)較快[4]。另外，將二極管應(yīng)用到其中，主要是因?yàn)槠湫阅茌^為穩(wěn)定性，安裝也相對(duì)較為方便，可以有效提升防爆型高壓變頻器的綜合使用性能。

2.為保證防爆型高壓變頻器內(nèi)部構(gòu)件運(yùn)行的可靠性，在防爆型高壓變頻器設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要利用抗沖擊性強(qiáng)的防爆型外殼，并且為了避免長(zhǎng)期運(yùn)行產(chǎn)生熱量集中引發(fā)異常，需要根據(jù)情況，利用水冷方式進(jìn)行散熱，這樣主要是將其溫度控制在合理的范圍內(nèi)。另外，在防爆型高壓變頻器設(shè)計(jì)的時(shí)候，一定要優(yōu)化設(shè)備的過(guò)載性能，更好地滿足礦用設(shè)備安全、穩(wěn)定生產(chǎn)的需求。

3 防爆型高壓變頻器設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在掌握設(shè)計(jì)思路以后，需要對(duì)煤礦生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行綜合考慮，以此優(yōu)化防爆型高壓變頻器性能[5]。另外，在防爆型高壓變頻器設(shè)計(jì)的時(shí)候，其設(shè)計(jì)內(nèi)容較為復(fù)雜，所以一定要掌握各項(xiàng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，確保其設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，提升設(shè)計(jì)效果。

3.1 硬件和機(jī)芯

硬件和機(jī)芯作為防爆型高壓變頻器設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容，其設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：

1.硬件主要包括主控、接口、現(xiàn)實(shí)版、PLC 控制器及防爆按鈕等方面，其中顯示板主要是利用網(wǎng)線與通信接口進(jìn)行連接，以此實(shí)現(xiàn)良好的通信功能，便于各項(xiàng)工作人員對(duì)實(shí)時(shí)情況的了解。同時(shí)，由于PLC 控制器相對(duì)較為穩(wěn)定，運(yùn)行能力也相對(duì)較強(qiáng)，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候，可以實(shí)現(xiàn)多接口傳輸，這樣可以有效提升防爆型高壓變頻器的綜合性能。

2.機(jī)芯在防爆型高壓變頻器中，屬于核心組件，對(duì)此在設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要利用逆變器變壓實(shí)現(xiàn)高功率輸出，并且為了保證運(yùn)行的穩(wěn)定性，需要以采用功率單元并聯(lián)的方式為主，其實(shí)就是將兩個(gè)小功率逆變器進(jìn)行串聯(lián)，這樣可以有效完成驅(qū)動(dòng)兩個(gè)大功率電機(jī)共同輸出，達(dá)到防爆型高壓變頻器安全、穩(wěn)定運(yùn)行的效果[6]。另外，在機(jī)芯設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要將二極管與逆變器、整流器、接觸器以及充點(diǎn)電阻等進(jìn)行連接，這樣可以有效避免產(chǎn)生電流沖擊的問(wèn)題，減少安全隱患的產(chǎn)生。

3.2 電氣設(shè)計(jì)

電氣設(shè)計(jì)對(duì)于防爆型高壓變頻器穩(wěn)定運(yùn)行來(lái)說(shuō)，起到了至關(guān)重要的作用，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，變頻器的額定功率和電壓一般為630kW、140V，但是還需要根據(jù)實(shí)際情況展開設(shè)定，避免給防爆型高壓變頻器運(yùn)行造成異常。同時(shí)，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要利用整流電源和逆變單元共同形成主回路，這樣交流電可以由外部真空接觸器進(jìn)入，然后進(jìn)入整流單元形式直流供電。在生成直流供電以后，需要經(jīng)過(guò)逆變單元通過(guò)利用功率器件形成適應(yīng)頻率，從而完成電動(dòng)機(jī)的供電，確保防爆型高壓變頻器運(yùn)行的穩(wěn)定性。另外，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，考慮到節(jié)能效果，將晶閘管所組成的整流單元和逆變單元應(yīng)用到其中，這樣不僅可以降低對(duì)能源的消耗，也可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)速，減少異常情況的產(chǎn)生。

3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，可以選擇用直接轉(zhuǎn)矩對(duì)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制，并且根據(jù)其原理，驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)矩通常不是利用電流控制和磁等量間接實(shí)現(xiàn)的，而是利用轉(zhuǎn)矩直接進(jìn)行控制，這樣可以有效提升驅(qū)動(dòng)電路的性能。同時(shí)，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要利用電動(dòng)機(jī)定子坐標(biāo)系，直接生成電動(dòng)機(jī)受控?cái)?shù)學(xué)模型，這樣可以得出電動(dòng)機(jī)鉆轉(zhuǎn)矩和磁鏈，并且在利用磁通給定轉(zhuǎn)矩的結(jié)果以及矩值，這樣可以有效控制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)進(jìn)行，將其控制在合理的范圍內(nèi)[7]。另外，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，可以利用脈寬調(diào)值信號(hào)，對(duì)開關(guān)信號(hào)進(jìn)行控制，這樣可以對(duì)轉(zhuǎn)矩輸出結(jié)果進(jìn)行完善，提升良好的設(shè)計(jì)效果。

3.4 散熱設(shè)計(jì)

一般情況下，常見(jiàn)的防爆型高壓變頻器散熱方式主要包括：制風(fēng)冷散熱、熱管散熱、自然散熱及水冷散熱等，并且熱管散熱方式的運(yùn)行成本相對(duì)較高，配套性材料在散期間很容易產(chǎn)生失效的現(xiàn)象，影響最終的散熱效果。水冷散熱方式在應(yīng)用的時(shí)候，需要配置配套的散熱器和水循環(huán)系統(tǒng)，但是設(shè)備體積相對(duì)較大，且后期安裝和維護(hù)的難度也相對(duì)較大。防爆型高壓變頻器在長(zhǎng)期運(yùn)行期間，由于所使用的晶閘管功率相對(duì)較大，并且殼體為防爆設(shè)計(jì)，這樣熱量的排出就會(huì)相對(duì)較為困難，防爆型高壓變頻器處于高溫的運(yùn)行狀態(tài)，勢(shì)必啟動(dòng)保護(hù)停機(jī)功能，嚴(yán)重影響煤礦生產(chǎn)[8]。對(duì)此，在防爆型高壓變頻器散熱設(shè)計(jì)的時(shí)候，為了降低對(duì)能源的消耗，實(shí)現(xiàn)良好的散熱效果，可以利用強(qiáng)制冷風(fēng)散熱裝置，這樣可以有效釋放晶閘管內(nèi)部元器件的熱量，避免防爆型高壓變頻器處于高溫的運(yùn)行狀態(tài)。

3.5 防爆殼設(shè)計(jì)

防爆型高壓變頻器設(shè)計(jì)內(nèi)容諸多，防爆殼設(shè)計(jì)屬于一項(xiàng)不可忽略的內(nèi)容，做好該方面可以有效提升防爆型高壓變頻器的綜合性能，并且起到良好的保護(hù)作用。在防爆殼設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先需要利用三維軟件和有限仿真軟件進(jìn)行模型構(gòu)建，這樣便于分析防爆性能；其次，需要遵循從左到右展開設(shè)計(jì)，主要表現(xiàn)為：變壓器腔、功率單元腔、水冷系統(tǒng)腔、控制單元腔，并且需要以一體化設(shè)計(jì)為主，以此形成一個(gè)總的防爆殼，這樣還可以有效解決各腔體搜引發(fā)的電纜連接問(wèn)題，也可減小設(shè)備體積，便于礦井內(nèi)生產(chǎn)使用需求。另外，在防爆殼設(shè)計(jì)的時(shí)候，針對(duì)功率單元腔，可以采用公路單元模塊化的方式，主要是在絕緣框架設(shè)計(jì)單元抽出式結(jié)構(gòu)，這樣每個(gè)單元都可以單獨(dú)進(jìn)行拆卸，為后期檢修和維護(hù)提供了相對(duì)便利的條件，降低成本。

3.6 濾波設(shè)計(jì)

由于防爆型高壓變頻器的運(yùn)行環(huán)境相對(duì)較為特殊，所以晶閘管功率相對(duì)較大，并且在避免以及整流處理以后，輸出的波形的標(biāo)準(zhǔn)正弦波特點(diǎn)失效，轉(zhuǎn)變成電磁諧波特點(diǎn)，這樣很容易引發(fā)電磁輻射的產(chǎn)生[9]。對(duì)此，在濾波設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要根據(jù)情況將抗干擾裝置應(yīng)用到其中，并且在電源和變頻器之間設(shè)置降噪聲隔離變壓器，在共模濾波器和正弦波濾波器安裝變頻器電源側(cè)和電動(dòng)機(jī)側(cè)，這樣不僅能有效隔離電磁的干擾，抑制電流跳變，還可以降低能耗，使變頻器的功率得以提升，提升防爆型高壓變頻器的綜合性能。

4 應(yīng)用檢測(cè)

防爆型高壓變頻器設(shè)計(jì)完成以后，需要在正式使用之前進(jìn)行測(cè)試，主要是分析控制功能、信號(hào)傳輸功能、過(guò)電壓過(guò)電流保護(hù)功能等方面。同時(shí)，防爆型高壓變頻器的應(yīng)用測(cè)試時(shí)間是設(shè)定為半年，其具體分析內(nèi)容如下。

4.1 檢測(cè)內(nèi)容

1.為了確保防爆型高壓變頻器運(yùn)行的穩(wěn)定性，需要分析其接收到命令以后是否能夠有效執(zhí)行電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停止以及轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等控制。同時(shí)，防爆型高壓變頻器應(yīng)用測(cè)試的時(shí)候，需要檢測(cè)是否出現(xiàn)變頻器短路、發(fā)熱等現(xiàn)象，如果有則需要立即解決，避免產(chǎn)生異常。

2.需要分析所發(fā)出的信號(hào)，是否可以快速、準(zhǔn)確地傳輸?shù)浇邮针姍C(jī)中，確保防爆型高壓變頻器運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3.防爆型高壓變頻器在長(zhǎng)期運(yùn)行期間，如有出現(xiàn)過(guò)電流、短路等情況，判斷內(nèi)部是否能及時(shí)斷開接觸器，并且起到良好的保護(hù)作用[10]。

4.2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試可知，防爆型高壓變頻器的穩(wěn)定性以及使用性能，甚至使用壽命都優(yōu)于傳統(tǒng)的高壓變頻器，在具體運(yùn)行中具有良好的調(diào)速性能，可以有效避免安全隱患的產(chǎn)生，為提升煤礦生產(chǎn)效益提供了基礎(chǔ)性保障。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，防爆型高壓變頻器在煤礦生產(chǎn)中占據(jù)著重要的地位，可以有效保證煤礦生產(chǎn)的安全性，提升生產(chǎn)效率。但是，由于煤礦生產(chǎn)環(huán)境較為特殊，所以需要結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)防爆型高壓變頻器進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，從而提升器綜合性能，減少安全隱患的產(chǎn)生，確保其長(zhǎng)期處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，滿足煤礦安全、高效、高質(zhì)生產(chǎn)的需求，實(shí)現(xiàn)良好的煤礦生產(chǎn)效益。