1000kW矿用隔爆兼本质安全型交流变频器

2015-04-17韩丽民

机械工程师 2015年5期

韩丽民

（大同煤矿集团机电装备制造有限公司中央机厂，山西大同 237001）

0 引言

随着煤炭资源的高产能开采，大功率采、掘、运设备不断增加，其电压等级也逐步升高。目前矿井综采工作面大多数以1 140 V作为供电系统的主导电压,设备也由单机拖动改为多机驱动，单机容量已达1 000 kW，起动方式有调压软起动器、液力耦合器、双速电机。这些方式起动力矩小，当设备处于重载下（胶带机、刮板机突然断电出现压煤时）不能将设备起动，不能对多驱设备进行功率平衡调节，不能实现恒压供液，采用变频技术将有效解决大功率胶带输送机、刮板输送机、乳化液泵等设备的重载软起动、调速、功率平衡、恒压供液等问题。为此，大同煤矿集团机电装备中央机厂对国内煤矿带式输送机、刮板输送机、乳化油泵等设备使用状况、现存问题进行调研，经过综合分析论证,决定研制1 000 kW/1 140 V矿用隔爆兼本安型变频器，用于带式输送机、刮板输送机、乳化油泵等设备的变频调速控制。该变频器具有起动转矩大、调速性能好、控制功能齐全、性价比适中，对确保矿井安全生产，提高机械设备使用寿命，提高矿井生产自动化水平，节能降耗，推动煤炭行业技术进步具有极其重要的意义。

1 研究内容和技术难点

本项目的主要研究内容包括：隔爆外壳的设计、主回路设计（包括输入滤波器、整流单元、逆变单元、光线分配单元），以及与主回路相关的辅助功能（包括欠压保护、先导、漏电闭锁等功能），同时需要解决散热、EMC等问题。从调速装置方案、调速装置主电路设计、控制策略、保护电路设计、本安关键电路设计、防爆系统设计、软启动功能设计、防爆功能和系统监控与通讯系统设计等9个方面着手，采用ABB直接转矩控制技术和英飞凌的高压大容量IGBT技术及CONCEPT驱动技术，研制出1 140 V/1 000 kW防爆调速装置，适用于煤矿井下带式输送机、刮板输送机、乳化液泵等设备的变频调速装置，实现节能和自动化运行，满足现代化矿井大型设备的需要。实现大功率隔爆变频器的设计目标，要重点解决如下技术难点：

1）功率器件散热方式：开放式水冷、宽水道曲路设计增加了导率，有效地防止了水道堵塞。水垢主要是钙盐和镁盐，它们随温度升高溶解度降低，冷却水水温控制不超过50℃，结垢量将大大降低，针对煤矿普通用水，可保证5年不堵塞。

2）直接转矩控制：ABB公司的直接转矩控制技术，已经在青岛天信电气有限公司低压和中压变频器产品中得到了充分的认证和应用，具有良好的低速大转矩特性。

3）整流电路。采用六脉波整流，降低了器件功率，有效降低了对电网的干扰。

4）LCL滤波器的设计。LC参数的选择考虑对EMI的抑制，保证各项指标符合国标要求。

5）整机散热方式。整机的发热主要来自IGBT和功率电抗器，IGBT产生的热量被循环水带走，而电抗器在隔爆箱体内热量不能及时散走，故将电抗器安装在独立隔爆壳体内，使其产生的热量不影响变频器主机的正常运行。

6）功率器件及驱动。功率器件选用英飞凌公司1200A/3300V IGBT，驱动选择CONCEPT公司产品，设计开发转换单元，将Infineon大功率模块驱动技术与ABB变频控制技术进行完美结合。

2 应用情况及创新点

2.1 应用情况

1 000 kW/1 140 V大功率防爆变频器以其突出的最大起动转矩和调速范围大、调速精度高、节能效果好、运行可靠、维护方便等优势，将广泛应用于煤矿井下带式输送机、刮板输送机、乳化液泵等设备,实现大转矩零速启动、恒压供液、功率平衡；同时，通过标准的现场总线通讯链，将设备运行状态和参数实时传输给地面调度系统，并可通过地面调度系统进行起停车操作、参数设定、生产运行统计等，大大提高了自动化的水平；同时采用变频器后减少了设备的机械磨损和冲击，减少了维修费用和工时，延长使用寿命，降低了生产成本，具有广阔的推广应用前景，必将带来显著的经济、社会效益。煤矿井下带式输送机、刮板输送机、乳化液泵等设备采用变频调速后的经济效益主要体现在以下几个方面：1）采用变频调速装置后功率因数可达0.95以上，降低了无功功耗；2）采用变频调速装置后，电机与减速器之间可直接联接，去掉液力耦合器后传递效率可提高5%～10%；3）多电机驱动设备（带式输送机、刮板输送机）采用变频调速装置后，变频器具有动态脱并机功能，可根据负荷量状况进行脱机和并机控制，实现节能；4）采用变频调速装置对乳化液泵实行恒压供液控制，解决了压力波动和管路冲击问题，减少了高压管件的损耗，更重要的是实现了安全可靠的经济运行，避免了泵站电机空载运行造成的电能损耗。

2.2 主要技术特点

1）采用ABB公司原装控制主板，其控制功能达到ABB公司ACS800系列变频器的全部功能；2）采用ABB公司DTC直接转矩控制技术，可实现零速满转矩起动，最大起动转矩不低于220%的电机额定转矩，而其他厂家产品最大不超过200%；3）选用英飞凌1 200 A/3 300 V IGBT作为逆变功率元件，具有2倍以上的安全系数，变频器可在120%过载状态下长时间运行，因此可按电机功率选择同功率变频器，而其他厂家产品必须按高于电机功率一个功率段选择变频器；4）变频器输出电缆允许长度550 m，而其他厂家产品最大不超过50 m，因此本公司产品可应用在胶带及刮板输送机上，实现输送机的变频软起和调速运行；5）可组成长距离（5 km以内）多点多台变频器的联台控制系统，实现多机程序控制和功率平衡调节；6）具有动态脱并机功能，多机驱动一台胶带输送机，将某台从机设为备投机，胶带输送机起动运转后，主机根据负荷量状况（根据电机电流计算）进行脱机和并机控制，实现节能；7）具有低速运行验带功能，以便对胶带进行检查；8）具有过载、短路、过电压、欠电压、缺相、过热、漏电、接地、电动机超温等保护功能；9）配有10.4 in彩色液晶显示屏，可显示系统图形、运行参数、故障信息、历史记录的查询；10）具有强大的软件功能，通过选取不同的应用宏，完成对不同设备的调速控制，并可通过键盘进行应用参数的选择、整定和读取；11）具有对冷却水系统进行调节控制和温度检测功能；12）具有多种上传通讯接口，可与各种通讯协议匹配，可与矿井信息化系统对接，实现远程控制；13）具有数字量控制接口和模拟量检测接口，可对辅助设备进行控制和检测。