绞车用整体抽屉式低压防爆变频器的研究

2013-04-27曹权勇孙崇君蔡爽贺东利

电气开关 2013年4期

曹权勇，孙崇君，蔡爽，贺东利

(沈阳防爆电器制造有限公司，辽宁沈阳 110141)

1 引言

随着电气传动领域发生重大的技术变革，交流调速技术获得了飞速发展，变频器由初期的变压变频(VVVF)调速方案，到目前的矢量、直接转矩控制方案，使变频控制不仅具有稳态的控制特性，而且具有良好的动态性能，可以与直流调速系统相媲美。因此我国煤矿井下绞车电控系统也正在由传统的转子串电阻调速改为变频调速。

2 防爆变频器国内技术现状

由于煤矿井下具有爆炸性气体的特殊环境，通用变频器不允许直接下井使用，因此，目前通用的办法是将通用变频器外壳去掉，安装防爆变频器特殊散热方式和结构将变频器内部元件拆解后安装在防爆外壳内。该方式需要对变频器进行拆分后重新安装，导致在拆解和安装过程中极易损坏变频器元件，影响变频器性能，同时安装时零散摆放也影响美观。因此，设计一款整体式专用于安装在防爆壳体内的变频器整体抽屉式机芯成为当务之急。

3 整体抽屉式变频器技术

3.1 散热技术

散热是防爆变频器遇到最大的难题。在变频器内部:逆变模块是发热最多的器件，据专家诂计:它约占整个变频器所有散热量的一半;整流模块也是发热相当多的，它所发的热量约占整个变频器的45%;而剩下的5%则是电解电容、充电电阻、均压电阻以及印制板上的发热元件等所发生的热量。

图1 采用水－铜热管散热器示意图

热管(如图1)是一种传热性极好的人工构件，它利用“相变”传热的原理与金属铜、铝等实体材料和天然传热方式完全不同。其有效导热性是铜、铝等有色金属的成百上千倍。常用的热管由三部分组成:主体为一根封闭的金属管，内部有少量工作介质和毛细结构，管内的空气及其他杂物必须排除在外。热管工作时利用了三种物理学原理:(1)在真空状态下，液体的沸点降低;(2)同种物质的汽化潜热比显热高得多;(3)多孔毛细结构对液体的抽吸力可使液体流动。与热源靠近的一段(蒸发段)内的液体吸热而蒸发，蒸汽携带汽化潜热经空腔流向另一段(冷凝段)，汽体经管壁与外界冷媒体换热放出潜热而完成了传热任务，冷凝成液体，经毛细结构的抽吸或重力回流到蒸发段进入下一个工作循环。

热管散热器就是利用热管技术对散热器进行改进而制作出来的新品。对于双面散热的分立电力电子器件，风冷的全铜或全铝散热器的热阻只能达到0.04℃/W。而这种热管散热器的热阻达到0.01℃/W。在自然对流冷却条件下，热管散热器比实体散热器的性能可提高10倍以上。热管散热器可以采用自冷的方式，无需风扇，没有噪音，免维修，安全可靠。

防爆变频器的散热就采用这种热管散热器，将功率器件安装在散热器的蒸发段，同时密封在防爆壳内，热量就通过蒸发段传到冷凝段而散发出去。

3.2 抽屉式变频器机芯

采用基板外置热管散热器对发热量较大的功率器件进行散热情况下，如果简单的把通用变频器外壳拆除，然后整体安装在防爆壳体内，功率器件无法固定在散热片上，同时因变频器尺寸干涉等问题也不适用这种方法。所以目前国内很多防爆变频器厂家均是将通用变频器元件拆解后在防爆壳体内重新布置安装。但在二次分解安装过程中，限于装配条件的有限性，极易对变频器性能造成不良影响。且较多的元件安装在壳体内部，在出现故障需要更换元件时，因防爆壳体空间狭小，操作很不方便。因此，我们需要研究一种变频器安装结构，即将所有变频器元件固定在一个框架结构的可以入抽屉一样从防爆壳体内抽出、推入的整体变频器结构。所有变频器元件在壳体外部安装完毕，形成一个整体式变频器机芯，然后将整体机型通过轨道推入防爆壳体，将机芯与热管散热器片固定在一起。在需要维修更换元件时，再将整体机芯拉出壳体。实现装配，检修快捷化操作。

3.3 安装小车

安装小车是该变频器机芯的主体支撑结构，是金属焊接结构，绝大数的变频器元件都需要安装在该小车上，主要包括功率模块、电解电容、驱动板、控制板、开关电源、均压电阻、吸收电容、电流互感器、电抗器、滤波器、熔断器等。

安装小车四角安装有轨道轮，支撑整个安装架，可以在防爆壳体内的轨道上自由推拉。

4 装配关键技术

4.1 装配准备工作

在组装前，除了准备好需要用到的工具，例如:十字螺钉刀(头部带有磁性的最好)或者电动螺钉刀外，最主要的是对人体的放电处理。由于IGBT模块为MOSFET结构，IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般达到20～30V。因此因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。因此在使用模块时，尽量不要用手触摸驱动端子部分，当必须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后，再触摸。

4.2 安装功率模块(IGBT)

IGBT模块安装在小车的最内层，以便与防爆壳体背部的散热器基板接触固定，同时每组IGBT模块都固定在安装小车上的安装基板上。安装或更换IGBT模块时，应十分重视IGBT模块与基板、基板与散热片的接触面状态和拧紧程度。为了减少接触热阻，需要在IGBT模块与基板、基板与散热片间涂抹导热硅脂。图1所示是IGBT模块实物安装图。

图2 功率模块(IGBT)

4.3 安全性能方面

这种模块化抽屉式防爆机芯结构因结构较为紧凑，元件之间距离较近，因此必须保证相关防爆电器设备标准要求的电气间隙和爬电距离。防止元件之间以及元件接线端子与安装架之间距离过近，发生击穿漏电现象。

图3 机芯实物图

5 可行性分折

防爆变频器机芯的电气设计原理、工艺构造都严格按通用变频器的设计思路而得来，所以在电气技术上是成熟的。在机械结构方面，借鉴了我国目前防爆开关大量应用的抽屉式芯架结构，该结构也经历了多年的实践检验，证明技术上也安全可靠的。基于上述原因，设计一款基于热管散热技术的整体抽屉式低压防爆变频器是完全可行的。防爆变频器整体实物如图4所示。