大功率水冷變頻器在電鏟中的設(shè)計應(yīng)用

呼木吉力吐，閔 杰，徐 明

應(yīng)用研究

大功率水冷變頻器在電鏟中的設(shè)計應(yīng)用

呼木吉力吐1，閔 杰2，徐 明2

（1.國能準能集團有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2. 武漢長海高新技術(shù)有限公司，武漢 430064）

大型電鏟采用西門子6SE70系列風(fēng)冷變頻器，主要配件已經(jīng)停產(chǎn)，存在技術(shù)落后、故障高、散熱效率低、噪音大等問題。本文提出了一種大功率國產(chǎn)水冷變頻器，重點展開了水冷變頻器模塊化設(shè)計方法及水冷設(shè)備的設(shè)計流程，提升了變頻器防護等級，并在電鏟上得到了實際應(yīng)用，使用效果良好，推動了國產(chǎn)水冷變頻器在礦山領(lǐng)域的應(yīng)用。

變頻器 水冷散熱 電鏟

0 引言

變頻器作為露天礦山中大型礦用電鏟主要電氣驅(qū)動設(shè)備，其性能和維護周期直接影響電鏟生產(chǎn)效率，進而影響礦山的整體經(jīng)濟效益。某電鏟采用西門子6SE70系列風(fēng)冷變頻器，其主要配件在2011年已經(jīng)停產(chǎn)，2020年全部停售，影響了電鏟正常使用，為此需要開發(fā)一套新的大功率變頻器進行升級替代，延長電鏟使用壽命。

目前電鏟大功率變頻器常用西門子S120系列變頻器或ABB的ACS800變頻器，均為國外風(fēng)冷變頻器。由于電鏟工作在戶外，粉塵較多，風(fēng)冷變頻器存在進出風(fēng)口導(dǎo)致柜體防護等級低，粉塵容易進入柜體引發(fā)故障。為減少變頻器維護工作、提高電鏟作業(yè)率，本文變頻器采用水冷散熱方式，可以提高散熱效率及防護等級、減少粉塵進入及變頻器體積、降低功率器件溫度，提高設(shè)備使用壽命。

1 變頻器整體設(shè)計

從能量變換角度看，變頻器的輸入為驅(qū)動主變壓器，輸出控制對象為提升、推壓、回轉(zhuǎn)、行走等工作機構(gòu)執(zhí)行電動機，是一個多傳動控制對象，各電動機主要參數(shù)如表1所示。

結(jié)合國內(nèi)外電鏟變頻器現(xiàn)狀[1-3]，本文采用基于IGBT的AFE整流+多傳動四象限變頻驅(qū)動裝置，包括AFE整流回饋裝置、各執(zhí)行電動機逆變驅(qū)動、制動裝置、控制單元等主要部分，用于電鏟提升、回轉(zhuǎn)、推壓、行走等執(zhí)行電動機的驅(qū)動及控制，具備AFE整流和有源逆變、共直流母線、多傳動等特點。同時，為減少備件數(shù)量，功率模塊采用模塊化設(shè)計，各整流、逆變功率組件器件及結(jié)構(gòu)上一致，具備互換性，通過燒寫不同的程序?qū)崿F(xiàn)整流、逆變功能。

表1 各電動機主要參數(shù)

根據(jù)表1充分考慮短時過載能力，綜合考慮壽命、可靠性等因素，確定單個功率模塊額定功率為1200 kW，拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。相應(yīng)配置如下：每臺提升電機由2個功率模塊驅(qū)動；推壓電機由1個功率模塊驅(qū)動；兩回轉(zhuǎn)電機機械上是通過齒輪機構(gòu)耦合在一起，根據(jù)參數(shù)匹配，可采用1個功率模塊同時驅(qū)動兩臺回轉(zhuǎn)電動機；兩臺行走電機分別由1個功率模塊驅(qū)動；整流采用2個功率模塊并聯(lián)組成整流回饋裝置，分別經(jīng)LCL濾波柜接主變壓器的副邊繞組，實現(xiàn)變頻驅(qū)動系統(tǒng)的整流/回饋雙向交-直變換；每個功率模塊直流側(cè)配熔斷器，進行過流保護；直流側(cè)配有制動單元，實現(xiàn)直流母線過壓保護和短時能量泄放。

圖1 變頻器拓撲結(jié)構(gòu)

2 功率模塊設(shè)計

功率模塊是變頻器的核心設(shè)備，主回路采用兩電平三相逆變橋，由電容濾波板、支撐電容、IGBT、電壓傳感器、電流傳感器等組成，如圖2所示。電容濾波板主要抑制共模干擾，提高電磁抗干擾能力。

圖2 功率模塊主回路

從表1可見，電動機額定電壓為690 V，則功率模塊直流母線電壓設(shè)為1000 V?？紤]電機制動回饋電網(wǎng)時電壓瞬時波動、線路雜散電感壓降等，IGBT擊穿電壓選1700 V。同時對比表1各電機功率，可見功率模塊帶2臺回轉(zhuǎn)電機時瞬時功率最大，取電機功率因數(shù)為0.85，對應(yīng)瞬時線電流為：

則IGBT電流可取1.5max，為1671 A?？紤]IGBT成本、體積及損耗，每相選用3個IGBT模塊FF600R17ME4并聯(lián)，該IGBT集電極額定電流600 A，體積小，滿足使用要求。

直流母線電壓設(shè)為1000 V，瞬時波動可達1100 V，故圖2支撐電容額定電壓選用1200 V的薄膜電容，電容容量可由以下公式計算：

式中，為支撐電容容值，max為直流電壓最大值，min為直流電壓最小值，為變頻器功率，為電容放電時間。假設(shè)直流母線電壓正常波動范圍為5%，則max為1025 V，min為975 V，取1200000 W，開關(guān)頻率取4 kHz，假設(shè)在一個周期內(nèi)充放電時間各一半，則放電時間為0.125 ms，代入式（2），得

3 變頻器水冷設(shè)計

參考文獻[4]，本文采用閉式循環(huán)水冷+風(fēng)水交換器方案，如圖3所示，一次冷卻介質(zhì)為水，二次冷卻介質(zhì)為空氣，主要設(shè)備包括水冷柜和風(fēng)水交換裝置，水冷柜包括冷卻循環(huán)水泵、補水支路、凈化支路、膨脹罐、熱交換器、過濾器、測量裝置等。循環(huán)冷卻水進入變頻器，帶走熱量后經(jīng)熱交換器，將熱量傳遞給外部水風(fēng)換熱器，如此形成閉合回路。

圖3 變頻器水冷系統(tǒng)

圖3中，膨脹罐具有一定的容積和壓力，當冷卻介質(zhì)在長期運轉(zhuǎn)中有少量蒸發(fā)時，其中貯存的冷卻介質(zhì)可即時補充到主回路管道內(nèi)。水箱內(nèi)儲存一定量的冷卻介質(zhì)，當變頻器控制單元檢測到系統(tǒng)缺水時，補水泵可往閉式系統(tǒng)中補水，保證系統(tǒng)壓力和水量的恒定。除水風(fēng)換熱器外，其余設(shè)備均裝在水冷柜中。

考慮電鏟水冷變頻器工作溫度為-20℃～45℃，一次冷卻介質(zhì)采用純凈水+乙二醇配比冷卻液做循環(huán)介質(zhì)，熱量最后由水-風(fēng)熱交換器交換到空氣中。由于內(nèi)循環(huán)水在完全密閉條件下工作，因此工作過程中避免了循環(huán)介質(zhì)的蒸發(fā)損失，不易出現(xiàn)結(jié)垢、長菌及管道腐蝕等現(xiàn)象，減少了水冷系統(tǒng)的維護工作。

水冷系統(tǒng)控制部分通過變頻器控制單元遠程控制水冷系統(tǒng)啟停，并自動監(jiān)測水路的溫度及壓力，出現(xiàn)異常時及時進行報警保護。

4 水冷變頻器在電鏟使用情況

參考原變頻器空間布局，將研制的國產(chǎn)水冷變頻器設(shè)計成了兩排并柜，水冷柜也設(shè)計成兩個，分別給同排的變頻柜冷卻，裝在電鏟上后布局如圖4所示。其中水冷柜與變頻柜安裝在電鏟電氣艙內(nèi)，水風(fēng)換熱裝置外置，通過電氣艙室適應(yīng)性改造，實現(xiàn)更好的密封性，為變頻器提供更加清潔的運行環(huán)境。

變頻器啟動或停機時，其控制單元會自動控制水冷柜的循環(huán)泵啟動或停機，并將兩個水冷柜水路溫度、壓力實時顯示在司機室觸摸屏水冷系統(tǒng)監(jiān)控界面上。同時司機可以監(jiān)控界面手動控制循環(huán)泵工作，或者手動切換循環(huán)泵。

裝有國產(chǎn)水冷變頻器的電鏟在內(nèi)蒙古哈爾烏素露天礦現(xiàn)場已進行了幾個月的運行，運行過程中，網(wǎng)側(cè)保持了設(shè)定的功率因數(shù)，直流母線電壓保持穩(wěn)定，變頻器功率模塊溫度在可控范圍內(nèi)，故障低，各電機能穩(wěn)定運行，滿足現(xiàn)場作業(yè)需求，同時，水冷變頻器充分利用功率模塊短時過載能力，可實現(xiàn)低電壓穿越功能，在電鏟供電電壓瞬時跌落至-30%時不停機。

圖4 變頻器在電鏟上的布局

5 結(jié)束語

本文介紹了水冷變頻器的設(shè)計思路，重點闡述了大功率水冷變頻器應(yīng)用在電鏟上的拓撲結(jié)構(gòu)、主要器件選型、水冷設(shè)計方案，并安裝在電鏟上進行了幾個月的應(yīng)用。根據(jù)國產(chǎn)化水冷變頻器的應(yīng)用結(jié)果，水冷變頻器散熱效率高、密閉性好、可靠性高，能減少變頻器維護成本，可以推廣應(yīng)用到其它類型電鏟或礦山其它設(shè)備上，為礦山領(lǐng)域重大裝備自主可控提供技術(shù)設(shè)備支撐。

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[2] 賈良權(quán). 變頻調(diào)速技術(shù)在電鏟、鉆機設(shè)備中的應(yīng)用解析[J]. 中國機械, 2014(11): 79.

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Design and application of high-power water-cooled frequency converter in electric shovel

Humu Jilitu1, Min Jie2, Xu Ming2

(1. Science and Technology Research Institute of Guoneng Zhunneng Group Co., Ltd, Erdos, Inner 010300, Mongolia, China; 2. Wuhan Great Sea Hi-Tech Co.,LTD., Wuhan 430064, China)

TM341

A

1003-4862（2023）09-0032-03

2023-12-27

呼木吉力吐（1981-），男，高級工程師，本科。研究方向：礦山科技管理。E-mail: 903894463@qq.com