基于混合級(jí)聯(lián)橋式整流的礦用高壓組合變頻器研究與應(yīng)用

礦用隔爆變頻器已經(jīng)在煤礦井下得到大量應(yīng)用，一般一臺(tái)變頻器帶一個(gè)交流電機(jī)，但是井下刮板機(jī)或皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般為2-3臺(tái)交流電機(jī)。這樣需要2-3臺(tái)變頻器通過通訊組成主從控制系統(tǒng)共同驅(qū)動(dòng)整部皮帶機(jī)或刮板機(jī)，來實(shí)現(xiàn)功率平衡及重載起動(dòng)，系統(tǒng)中的每臺(tái)變頻器都要外接供電、加上隔爆外殼和冷卻系統(tǒng)。若采用該方案存在成本高、占用空間大、功率平衡控制與受通訊線路影響等問題。為解決上述問題，近幾年一些公司針對(duì)煤礦皮帶、刮板機(jī)等場(chǎng)合開發(fā)了組合式變頻器并得到應(yīng)用。組合式變頻器是將多臺(tái)逆變部分整合到一個(gè)防爆變頻器殼體內(nèi)，共用一個(gè)整流模塊及直流母線，可以進(jìn)一步減小體積。

目前市場(chǎng)上的組合式變頻器多采用ABB 公司的ACS800 多傳動(dòng)系統(tǒng)方案或者西門子公司G130、S120模組式系統(tǒng)方案。現(xiàn)有方案大多采用二極管箝位式多電平變換器或者級(jí)聯(lián)式多電平變換器。一般采用工頻移相變壓器提供多路隔離的交流電壓輸出提供給變頻器的整流模塊，同時(shí)通過改進(jìn)連接方式提高功率因數(shù)。但近年來隨著銅材等原材料價(jià)格上漲，導(dǎo)致變壓器成本不斷提升，而且工頻變壓器體積龐大，為井下安裝帶來了不便。如果變頻器整流端采用多電平PWM整流器也可提高功率因數(shù)并取消移相變壓器的使用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。但是由于多電平PWM 整流器采用了大量的全控型電力電子器件，增加開關(guān)損耗，降低了電能變換效率，提高了裝置成本，而且在煤礦很多場(chǎng)合下并不需要變頻器的四象限運(yùn)行。

為了解決目前礦用組合式變頻器存在的上述問題，本項(xiàng)目針對(duì)煤礦井下刮板機(jī)或皮帶輸送系統(tǒng)等應(yīng)用場(chǎng)合，開發(fā)了一套沒有工頻移相變壓器，同時(shí)具有較高功率因數(shù)、體積更小的礦用高壓大功率組合式變頻器，并在煤礦推廣應(yīng)用。

1 主要研究?jī)?nèi)容

（1）混合級(jí)聯(lián)橋式整流器研制

研究由二級(jí)管H 橋整流電路和全控型電力電子器件H橋整流電路構(gòu)成的混合級(jí)聯(lián)橋式整流器。以利用該整流器的輸出與高頻隔離DC-DC 變換器連接作為變頻器的整流單元，取消工頻移相變壓器，降低組合式變頻器的體積和成本。

（2）混合級(jí)聯(lián)橋式整流器的控制策略研究

針對(duì)混合級(jí)聯(lián)橋式整流器，研究兼顧各H橋直流電壓平衡且能夠?qū)崿F(xiàn)整流器單位功率因數(shù)運(yùn)行的控制策略。

（3）組合式變頻器隔爆外殼研制

以降低組合式變頻器隔爆外殼的重量和成本為目標(biāo)，對(duì)多種鋼材綜合性能進(jìn)行分析對(duì)比，選取合適的隔爆外殼材料，并以此設(shè)計(jì)、開發(fā)組合式變頻器隔爆外殼。

（4）具有防凝露功能的散熱系統(tǒng)研究

研究綜合利用具有防結(jié)露功能的水冷裝置和智能濕度保護(hù)模塊來有效防止腔壁結(jié)露產(chǎn)生的方案，以降低防爆腔內(nèi)因潮濕環(huán)境導(dǎo)致短路的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步提高組合式變頻器的可靠性。

2 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）開發(fā)了額定電壓3300V、額定功率2×1250kW的礦用高壓組合變頻器。

（2）研制了由二級(jí)管H 橋整流電路和全控型電力電子器件H 橋整流電路構(gòu)成的混合級(jí)聯(lián)橋式整流器，利用該整流器的輸出與高頻隔離DC-DC 變換器連接作為變頻器的整流單元，取消了工頻移相變壓器，降低了組合式變頻器的體積和成本，解決了現(xiàn)有變頻器因體積龐大且笨重造成的難以運(yùn)輸?shù)葐栴}。

（3）針對(duì)混合級(jí)聯(lián)橋式整流器，提出了一種兼顧各H橋直流電壓平衡且能夠?qū)崿F(xiàn)整流器單位功率因數(shù)運(yùn)行的控制策略?；旌霞?jí)聯(lián)橋式電路拓?fù)渑浜舷鄳?yīng)的控制策略不僅可以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，而且可以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的可控運(yùn)行。

（4）選用了Q460 鋼材制作防爆外殼，降低了體積和重量。防爆腔內(nèi)選用了一種防止結(jié)露的水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了組合式變頻器的可靠性。

3 主要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

（1）設(shè)計(jì)了額定電壓3300V、額定功率2×1250kW的礦用高壓組合變頻器；

（2）取消了工頻移相變壓器，每臺(tái)組合變頻器可降低成本超過20萬元；

（3）組合變頻器的功率因數(shù)達(dá)到0.99以上；

（4）采用了Q460 高強(qiáng)度鋼作為隔爆外殼的材料，每臺(tái)組合變頻器可降低成本超過3萬元，重量可減少2噸以上；

（5）有效解決了腔壁結(jié)露的產(chǎn)生，降低了防爆腔內(nèi)因潮濕環(huán)境導(dǎo)致短路的風(fēng)險(xiǎn)；

（6）與采用工頻移相變壓器的變頻器相比，組合變頻器的電氣部分體積可降低1/5。

4 研究成果及應(yīng)用效果

圖1 礦用高壓組合式變頻器樣機(jī)

本項(xiàng)目所開發(fā)的高壓組合式變頻器（見圖1）具有體積小、成本低、效率高和功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，提出的控制策略可以兼顧各H橋直流電壓平衡且能夠?qū)崿F(xiàn)整流器單位功率因數(shù)運(yùn)行。依托本項(xiàng)目發(fā)表SCI檢索的期刊論文1篇，EI檢索的期刊論文3篇，中文核心期刊論文2 篇。獲授權(quán)發(fā)明專利3 項(xiàng)，制定1 項(xiàng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，制造樣機(jī)多臺(tái)。本項(xiàng)目所研制的組合式變頻器自2018年9月開始在同煤浙能麻家梁煤礦進(jìn)行工業(yè)運(yùn)行試驗(yàn)以來，取得了較好的試驗(yàn)效果，給煤礦帶來了較好的經(jīng)濟(jì)效益。由于該組合變頻器具有體積小、成本低、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。之后，陸續(xù)在同煤馬道頭煤礦、同煤同發(fā)東周窯煤礦得到推廣應(yīng)用。本項(xiàng)目不僅可明顯降低使用單位的煤炭生產(chǎn)成本，同時(shí)給本產(chǎn)品的生產(chǎn)單位創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益，得到了用戶的高度肯定。本項(xiàng)目的研究在一定的程度上促進(jìn)了本領(lǐng)域技術(shù)水平的提高，推動(dòng)了煤炭行業(yè)電氣領(lǐng)域的科技進(jìn)步。