3.3kV礦用組合高壓防爆變頻器設計探究

吳世均

（上海偉肯實業(yè)有限公司，上海201806）

煤礦采掘面驅動刮板機、轉載機和破碎機的設備，都要求無極調速、低頻大轉矩特性，傳統(tǒng)的液力偶合器調速系統(tǒng)根本無法滿足工況要求。采掘面3.3KV 供電系統(tǒng)早已得到應用,3.3KV 防爆高壓變頻器應運而生。本文以模塊化思路實現(xiàn)高壓防爆變頻器設計，規(guī)避共整流方式的缺點，滿足變頻器故障不停運，快速維修的要求，為煤礦可靠地實現(xiàn)智能化生產做出一定貢獻。

1 項目概況

本項目設計3.3kV 組合防爆高壓變頻器，包括兩組合、三組合兩個大的類型，每一個類型包括1250kW 和2000KW 兩個功率段的變頻器，由于涉及到多種變頻器，而同功率的兩組合和三組合變頻器，物料類型相同，所以變頻器主回路采用多個單獨主回路拓撲結構，并且對主回路進行劃分，形成了5 個功能模塊?？刂苹芈芬策M行劃分，形成內控和外控兩大模塊。相同功率的變頻器，就可以直接使用這些功能模塊，既減少了設計工作量，又利于提高生產和售后服務效率。

2 整機設計

礦用組合高壓防爆變頻器主回路采用交直交電壓型拓撲，整流拓撲結構采用串聯(lián)12 脈動整流或者6 脈動三相橋式整流、直流采用模塊式薄膜電容、逆變采用一字型三電平拓撲。如圖1所示的12 脈動的3.3KV 單臺高壓防爆變頻器主回路拓撲圖。在三組合變頻器中，含有三臺相同的變頻器，三臺變頻器的主回路完全相互隔離，其中任何一臺變頻器出現(xiàn)故障，可以直接斷掉電源，啟動備用變頻器，或者剩下的變頻器投入運行，不影響煤礦的生產。可將圖1 的主回路劃分為5 個模塊：（1）功率輸入單元：包括高壓繼電器、預充電電阻、主真空接觸器KM1 和KM2。（2）模組Z+U：包括整流部分、均壓電阻和逆變U 相。（3）模組V+W：包括逆變V 相和逆變W 相。（4）儲能單元，包括C1-C6 的薄膜電容。（5）功率輸出單元，也就是輸出電抗器，如圖2 所示。

在整機布局中，可以將組合變頻器的所有功率輸入單元統(tǒng)一放入外控腔，將剩下部分放置在變頻腔中，這樣組合變頻器就由一個外控腔和多個變頻腔構成。如圖3 所示，是三組合變頻器，由一個外控腔和三個變頻腔構成。

圖1 12 脈動單臺3.3KV 高壓防爆變頻主回路拓撲

圖2 單臺高壓變頻器主回路模塊劃分方案

圖3 三組合整機防爆變頻器

主回路所有的單元，在單體、兩組合、三組合防爆變頻器中，同功率段的單元相同，彼此之間相互共用，減少庫存和配件種類。變頻器逆變側控制部分，包含變頻器主控板、信號板、相應的開關電源、給驅動供電的開關電源等，構成了內控盒，顯然一個變頻器腔需要一個內控盒。組合變頻器中，為了接受外部電控控制、監(jiān)控組合變頻器使用情況、適應現(xiàn)場工況設置多種控制模式，構成以PLC為核心外控盒。這樣變頻器控制回路就分成外控和內控兩大模塊，如圖3 所示，由一個內控盒，三個外空盒構成。內控盒到模組之間的控制線和光纖、外控盒到內控盒的控制線可以預先設計成快插形式的多芯電纜，由線束廠標準化生產，進一步提高生產效率，杜絕了因導線連接不當造成的故障。

3 設計要點

3.1 電氣拓撲結構

綜合考慮電阻功率消耗，放電時間等因數(shù)，每個均壓電阻取值為200KΩ，同時主回路增加放電單元。根據(jù)公式(3),放電15 分鐘后，母線電壓值約為200V，此時由外控PLC 控制投入放電單元，快速放掉剩余電能。C7、C8 是無感薄膜吸收電容，作用是吸收U-T1 至U-T4 四個IGBT 在關斷時產生的電壓尖峰值。根據(jù)

根據(jù)文獻[2]結論，PWM 變頻器輸出電壓在長電纜中將產生行波反射現(xiàn)象。將嚴重影響電機和電纜的絕緣。根據(jù)文獻[3]結論，輸出電抗器的直接作用即為延長PWM 電壓脈沖上升時間，可以較好解決電機端過壓問題。同時電感基本作用是阻礙電流的變化，當變頻器發(fā)生II 次短路時，能有效減少電流的變化率，防止大電流對IGBT 的沖擊。因此在本項目中，統(tǒng)一設計輸出電抗器，當電機超過1000 米時，還會增加RC，構成RLC 低通濾波器。

3.2 散熱設計

首先要考慮模組V+W 散熱設計，在負載2000KW 時，該模組散熱量是15kW，綜合考慮導熱率、耐水壓、價格因數(shù)和加工難度，最終選擇鋁板，但鋁水冷板水壓最高不能超過1MPa，因此要求供水水壓范圍為0.4～1MPa。通過實測，煤礦井下供水水壓范圍0.8～3MPa 之間，因此水冷輸入端必須安裝減壓閥和安全閥，井下水質較差，還需安裝過濾閥，防止水垢等堵塞水道。

3.3 安全性設計

采掘類負載，電機導線隨設備列車伸縮運動，很容易被尖銳物體刮破。因為導線長，變頻器發(fā)生II 次短路時，變頻器保護有延時。所以本項目中，在變頻器中線上設置在線絕緣監(jiān)視儀，實時檢測檢測整個系統(tǒng)的絕緣值。在3.3KV 系統(tǒng)中，國標規(guī)定絕緣電阻小于120KΩ 報漏電故障，通過在線絕緣監(jiān)視儀實時檢測，可以將漏電絕緣提高到10MΩ，大大整個供電系統(tǒng)安全性。

4 實驗結果

4.1 模組水冷實驗

2000KW 三組合變頻器，在額定負載，水流量60LPM，近口水溫25℃，模組V+W 的水冷仿真實驗，水冷基板最高溫度48.8℃，溫升23.8℃。通過實際滿載溫升實驗，與仿真結果一致。

4.2 短路試驗

W-T1 對中線短路的II 次短路試驗波形，CH3 通道是IGBT的集電極電流，CH4 通道是Vce 電壓值，分析可知，最大電路電流4.72KA，半母線電壓2600V，電壓過沖值。

4.3 整機實驗

整機實驗包括水壓實驗、爆炸實驗、耐潮實驗、壓頻比實驗、溫升實驗、EMC 實驗等，均通過了上海防爆站驗證，取得了防爆合格證。產品在小保當?shù)榷鄠€煤礦得到應用，運行良好。

5 結論

3.3 kV 礦用組合高壓防爆變頻器，通過合理拓撲劃分，可將主回路和控制回路進行模塊化設計，使得單體、兩組合和三組合變頻器可以共用相同模塊，簡化了設計工作量，提高了生產效率，也方便了煤礦對設備的維護，整機布局合理、性能可靠，滿足煤礦對高可靠性、無極調速和低頻大轉矩的要求。