1000kW礦用隔爆兼本質(zhì)安全型交流變頻器

韓麗民

（大同煤礦集團機電裝備制造有限公司 中央機廠，山西 大同 237001）

0 引言

隨著煤炭資源的高產(chǎn)能開采，大功率采、掘、運設(shè)備不斷增加，其電壓等級也逐步升高。目前礦井綜采工作面大多數(shù)以1 140 V作為供電系統(tǒng)的主導電壓,設(shè)備也由單機拖動改為多機驅(qū)動，單機容量已達1 000 kW，起動方式有調(diào)壓軟起動器、液力耦合器、雙速電機。這些方式起動力矩小，當設(shè)備處于重載下（膠帶機、刮板機突然斷電出現(xiàn)壓煤時）不能將設(shè)備起動，不能對多驅(qū)設(shè)備進行功率平衡調(diào)節(jié)，不能實現(xiàn)恒壓供液，采用變頻技術(shù)將有效解決大功率膠帶輸送機、刮板輸送機、乳化液泵等設(shè)備的重載軟起動、調(diào)速、功率平衡、恒壓供液等問題。為此，大同煤礦集團機電裝備中央機廠對國內(nèi)煤礦帶式輸送機、刮板輸送機、乳化油泵等設(shè)備使用狀況、現(xiàn)存問題進行調(diào)研，經(jīng)過綜合分析論證,決定研制1 000 kW/1 140 V礦用隔爆兼本安型變頻器，用于帶式輸送機、刮板輸送機、乳化油泵等設(shè)備的變頻調(diào)速控制。該變頻器具有起動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速性能好、控制功能齊全、性價比適中，對確保礦井安全生產(chǎn)，提高機械設(shè)備使用壽命，提高礦井生產(chǎn)自動化水平，節(jié)能降耗，推動煤炭行業(yè)技術(shù)進步具有極其重要的意義。

1 研究內(nèi)容和技術(shù)難點

本項目的主要研究內(nèi)容包括：隔爆外殼的設(shè)計、主回路設(shè)計（包括輸入濾波器、整流單元、逆變單元、光線分配單元），以及與主回路相關(guān)的輔助功能（包括欠壓保護、先導、漏電閉鎖等功能），同時需要解決散熱、EMC等問題。從調(diào)速裝置方案、調(diào)速裝置主電路設(shè)計、控制策略、保護電路設(shè)計、本安關(guān)鍵電路設(shè)計、防爆系統(tǒng)設(shè)計、軟啟動功能設(shè)計、防爆功能和系統(tǒng)監(jiān)控與通訊系統(tǒng)設(shè)計等9個方面著手，采用ABB直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)和英飛凌的高壓大容量IGBT技術(shù)及CONCEPT驅(qū)動技術(shù)，研制出1 140 V/1 000 kW防爆調(diào)速裝置，適用于煤礦井下帶式輸送機、刮板輸送機、乳化液泵等設(shè)備的變頻調(diào)速裝置，實現(xiàn)節(jié)能和自動化運行，滿足現(xiàn)代化礦井大型設(shè)備的需要。實現(xiàn)大功率隔爆變頻器的設(shè)計目標，要重點解決如下技術(shù)難點：

1）功率器件散熱方式：開放式水冷、寬水道曲路設(shè)計增加了導率，有效地防止了水道堵塞。水垢主要是鈣鹽和鎂鹽，它們隨溫度升高溶解度降低，冷卻水水溫控制不超過50℃，結(jié)垢量將大大降低，針對煤礦普通用水，可保證5年不堵塞。

2）直接轉(zhuǎn)矩控制：ABB公司的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，已經(jīng)在青島天信電氣有限公司低壓和中壓變頻器產(chǎn)品中得到了充分的認證和應用，具有良好的低速大轉(zhuǎn)矩特性。

3）整流電路。采用六脈波整流，降低了器件功率，有效降低了對電網(wǎng)的干擾。

4）LCL濾波器的設(shè)計。LC參數(shù)的選擇考慮對EMI的抑制，保證各項指標符合國標要求。

5）整機散熱方式。整機的發(fā)熱主要來自IGBT和功率電抗器，IGBT產(chǎn)生的熱量被循環(huán)水帶走，而電抗器在隔爆箱體內(nèi)熱量不能及時散走，故將電抗器安裝在獨立隔爆殼體內(nèi)，使其產(chǎn)生的熱量不影響變頻器主機的正常運行。

6）功率器件及驅(qū)動。功率器件選用英飛凌公司1200A/3300V IGBT，驅(qū)動選擇CONCEPT公司產(chǎn)品，設(shè)計開發(fā)轉(zhuǎn)換單元，將Infineon大功率模塊驅(qū)動技術(shù)與ABB變頻控制技術(shù)進行完美結(jié)合。

2 應用情況及創(chuàng)新點

2.1 應用情況

1 000 kW/1 140 V大功率防爆變頻器以其突出的最大起動轉(zhuǎn)矩和調(diào)速范圍大、調(diào)速精度高、節(jié)能效果好、運行可靠、維護方便等優(yōu)勢，將廣泛應用于煤礦井下帶式輸送機、刮板輸送機、乳化液泵等設(shè)備,實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩零速啟動、恒壓供液、功率平衡；同時，通過標準的現(xiàn)場總線通訊鏈，將設(shè)備運行狀態(tài)和參數(shù)實時傳輸給地面調(diào)度系統(tǒng)，并可通過地面調(diào)度系統(tǒng)進行起停車操作、參數(shù)設(shè)定、生產(chǎn)運行統(tǒng)計等，大大提高了自動化的水平；同時采用變頻器后減少了設(shè)備的機械磨損和沖擊，減少了維修費用和工時，延長使用壽命，降低了生產(chǎn)成本，具有廣闊的推廣應用前景，必將帶來顯著的經(jīng)濟、社會效益。煤礦井下帶式輸送機、刮板輸送機、乳化液泵等設(shè)備采用變頻調(diào)速后的經(jīng)濟效益主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1）采用變頻調(diào)速裝置后功率因數(shù)可達0.95以上，降低了無功功耗；2）采用變頻調(diào)速裝置后，電機與減速器之間可直接聯(lián)接，去掉液力耦合器后傳遞效率可提高5%～10%；3）多電機驅(qū)動設(shè)備（帶式輸送機、刮板輸送機）采用變頻調(diào)速裝置后，變頻器具有動態(tài)脫并機功能，可根據(jù)負荷量狀況進行脫機和并機控制，實現(xiàn)節(jié)能；4）采用變頻調(diào)速裝置對乳化液泵實行恒壓供液控制，解決了壓力波動和管路沖擊問題，減少了高壓管件的損耗，更重要的是實現(xiàn)了安全可靠的經(jīng)濟運行，避免了泵站電機空載運行造成的電能損耗。

2.2 主要技術(shù)特點

1）采用ABB公司原裝控制主板，其控制功能達到ABB公司ACS800系列變頻器的全部功能；2）采用ABB公司DTC直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，可實現(xiàn)零速滿轉(zhuǎn)矩起動，最大起動轉(zhuǎn)矩不低于220%的電機額定轉(zhuǎn)矩，而其他廠家產(chǎn)品最大不超過200%；3）選用英飛凌1 200 A/3 300 V IGBT作為逆變功率元件，具有2倍以上的安全系數(shù)，變頻器可在120%過載狀態(tài)下長時間運行，因此可按電機功率選擇同功率變頻器，而其他廠家產(chǎn)品必須按高于電機功率一個功率段選擇變頻器；4）變頻器輸出電纜允許長度550 m，而其他廠家產(chǎn)品最大不超過50 m，因此本公司產(chǎn)品可應用在膠帶及刮板輸送機上，實現(xiàn)輸送機的變頻軟起和調(diào)速運行；5）可組成長距離（5 km以內(nèi)）多點多臺變頻器的聯(lián)臺控制系統(tǒng)，實現(xiàn)多機程序控制和功率平衡調(diào)節(jié)；6）具有動態(tài)脫并機功能，多機驅(qū)動一臺膠帶輸送機，將某臺從機設(shè)為備投機，膠帶輸送機起動運轉(zhuǎn)后，主機根據(jù)負荷量狀況（根據(jù)電機電流計算）進行脫機和并機控制，實現(xiàn)節(jié)能；7）具有低速運行驗帶功能，以便對膠帶進行檢查；8）具有過載、短路、過電壓、欠電壓、缺相、過熱、漏電、接地、電動機超溫等保護功能；9）配有10.4 in彩色液晶顯示屏，可顯示系統(tǒng)圖形、運行參數(shù)、故障信息、歷史記錄的查詢；10）具有強大的軟件功能，通過選取不同的應用宏，完成對不同設(shè)備的調(diào)速控制，并可通過鍵盤進行應用參數(shù)的選擇、整定和讀?。?1）具有對冷卻水系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)控制和溫度檢測功能；12）具有多種上傳通訊接口，可與各種通訊協(xié)議匹配，可與礦井信息化系統(tǒng)對接，實現(xiàn)遠程控制；13）具有數(shù)字量控制接口和模擬量檢測接口，可對輔助設(shè)備進行控制和檢測。

3結(jié)語

變頻調(diào)速是近年來迅速發(fā)展且應用勢頭良好的交流電機調(diào)速方法,變頻調(diào)速裝置的核心是變頻器,其結(jié)構(gòu)和種類很多,但功能基本一致。變頻調(diào)速是今后交流電機調(diào)速電控裝置發(fā)展的主要方向。

［1］ 龐寶良,邱錦川,韓菊娣.交流變頻器在煤礦井下應用的現(xiàn)狀及其前景［J］.煤炭科學技術(shù)，2003（10）：54-56.

［2］ 祝龍記，張旭立.防爆變頻器在煤礦應用中的關(guān)鍵技術(shù)［J］.工礦自動化，2012（2）：19-22.

［3］ 石兆元.礦用隔爆型智能軟起動器的研究［D］.阜新：遼寧工程技術(shù)大學，2007.