一种大功率防爆变频装置研究

王 玲

（兖州东方机电有限公司，山东 邹城 273500）

兖州东方机电有限公司是高低压成套开关设备、矿用防爆开关设备、自动化监控设备及其系统方案解决的专业化公司，自2006 年开始研制成功矿用防爆变频调速装置以来，生产1140V500kW 及以下功率段的防爆变频调速装置已非常成熟，在全国各地的煤矿企业中得到大规模应用，技术的先进性及可靠性得到全面检验，利用现有变频器技术再加上并联技术，完全可以实现1140V630kW 及以上规格的大功率变频器的成功开发。

1 系统设计

本文研究内容是1140V 变频器的并联技术，确定用两台1140V 315kW 的变频功率单元并联实现1140V 630kW 的拖动功能，从而研发出1140V 630kW 的四象限变频器，在此基础上研发出大功率矿用防爆变频调速装置。

变频单元并联技术的主要难点是确保多台小功率的变频器功率器件同步工作，具体表现为功率器件的触发同步、变频单元的保护整合为一、变频单元的电流平衡、变频单元故障情况下的降载运行。解决方案为：利用同一个主控板控制多台功率单元的触发运行、多台功率单元的电流信号叠加后送主控板进行信号处理、多台功率单元在电抗器等主回路元件的独立性。

运用的关键技术：利用一个主控板控制两台变频单元的统一平衡同步控制、功率单元电流信号的叠加及分别检测、单一功率单元故障情况下确保剩余功率单元的减载无故障运行。

具体的技术路线为：利用一个控制板将控制信号同时发给两个功率单元，控制板程序为1140V 630kW 版本，将两台功率单元看作一台变频器来控制。两台功率单元分别配置独立的电流检测回路，电流信号经过一个电路板整合为一个电流信号供给主控板，作为变频器控制及保护的信号源。

该技术过程中的实施过程为：变频器主控板发出的功率器件控制信号经过一个信号控制扩展板分为两路同步控制信号，分别传送给两路功率单元，确保功率单元的控制同步。变频单元分别配置独立的电抗器、直流母线回路、预充电回路、短路保护回路，保证功率单元可单独运行。每个功率单元采用市场上用量最大的功率器件：CM800-66H，驱动电路为标准的1140V 变频驱动板。变频器散热方式为传统的热管散热器强制风冷方式，由于单个功率单元功率不大，其散热采用现有散热技术完全可以实现，保证了散热可靠性及通用性。

2 基于双机(多机)并联拖动技术的大功率防爆变频装置设计

煤矿井下含有甲烷等混合气体，具有爆炸性。根据使用场所的条件和确定的技术路线，确定研制ZJT 系列矿用隔爆兼本质安全型变频设备。对交流50Hz、额定电压1140V 的供电电网，具有起动电流小、输出力矩大、调速平滑、对电网冲击小、易于实现集控等优点，完美解决异步电动机重载软起软停、无级调速等问题，达到节能和减少机械设备磨损的目的。

该变频调速装置共分5 个箱体组成，分为ZJT-630/1140ZL 整流箱、ZJT-630/1140ZL 整流箱、ZJT-630/1140R1 输入滤波器箱1、ZJT-630/1140R2 输入滤波器箱2、输出滤波器。各部分机构运行原理及指标如下：

2.1 变频器

变频器共分两个箱体，分别是ZJT-630/1140ZL整流箱、ZJT-630/1140 变频箱。

（1）ZJT-630/1140ZL 整流箱

ZJT-630/1140ZL 整流箱作用为：给变频箱内逆变单元提供稳定的直流电源，当能量由电源向电机端流动时，整流箱内整流单元将电源电压整流成直流电压，并对直流电压值进行精确控制，确保直流电压平稳，其电压值为Uac×1.35×1.1；当能量由电机向电源流动时（即电机处于制动状态或发电状态），整流单元将直流母线多余的能量返回电源端，并保证电流相位与电网一致、电流波形为正弦波。

（2）ZJT-630/1140 变频箱

ZJT-630/1140 变频箱作用为：将直流母线电压通过开关控制，输出根据特定频率、电压调制的PWM（脉宽调制波）电压波形，该波形电气性能与特定频率、电压的正弦波一致，从而给电机提供驱动电源。

2.2 输入滤波器

输入滤波器共分为两部分：ZJT-630/1140R1 输入滤波器箱1、ZJT-630/1140R2 输入滤波器箱2。

输入滤波器的主要作用如下：

两台箱体内的元件共同组成LCL 滤波电路，将变频器产生的干扰谐波能量吸收掉，避免变频器对电网造成谐波污染，保证满足GB/ T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》等国家标准；输入滤波器箱内安装有EMC 滤波器，将150kHz 到1000MHz的骚扰电压拟制到国家标准（GB12668.3-2003《调速电气传动系统 第3 部分：产品的电磁兼容性标准及其特定的试验方法》）以内。

2.3 输出滤波器

该输出滤波器中内装滤波电抗器，拟制变频器输出到电机的谐波干扰，从而降低电机噪音，保护电机绝缘，保证电机温度正常。

通过以上五部分组成的变频调速装置其整体设计成效符合设计指标，其整体技术指标：

额定电压：1140V；额定功率：630kW；变频运行方式：四象限运行；变频调制方式：SPWM 调制；变频分单元规格：1140V 315kW；变频散热方式：热管散热器强制风冷散热；变频器过载能力：1.5倍过载一分钟；变频器起动转矩：0.5Hz 1.7 倍额定转矩。

3 基于双机(多机)并联拖动技术的大功率防爆变频装置散热设计

随着现代科技的发展，电子元件集成度越来越高，功能也越来越强大，体积越来越小，发热量也越来越多。而目前大功率电子模块常有的散热方式主要有IGBT 表面公差处理、水冷、翅片冷却系统和热管散热系统。

本文研究内容采用水冷和热管散热相结合的方式进行设计，通过温度控制防止凝露的发生，解决了大功率元器件的散热问题。一般情况下，装置通过热管自然风冷或强制风冷散热，当温度检测装置检测到温度升高到预定值，热管散热能力不足时，温度控制器将进水口的电磁阀缓慢打开，水量随着电磁阀的缓慢打开会不断增大，水通过热的交换方式不断被加热，大量的热量被水带走。导热基板在冷水和热管双重作用下，温度不断下降，使电子元器件的温度保持在正常工作温度中。当温度低于预定值时，温度控制器将电磁阀缓慢关闭，仅用热管工作。由于电磁阀缓慢打开/关闭，不会引起内部温度的急剧变化，加上内部风扇的作用，促进了箱体内部空气的流动，防止了气体的凝结，避免了凝露的产生。水冷和热管散热既满足了大功率设备的散热要求，又弥补了热管散热和水冷散热各自的缺点，实现了优势互补。

4 防爆送审和电气性能试验

变频调速装置进行了严格的性能试验，包括：特性曲线、输出电压、各项电机保护、温升、制动特性曲线、制动温升、EMC（射频和传导）检测等。测量结果表明，变频调速装置特性曲线近乎完美，V/F 曲线近乎直线；输出电压高于输入电压的97%，保证了输出力矩；电机保护功能齐全；工作温升也在标准要求之内。变频调速装置进行了回馈制动试验，试验过程中先将直流加载机启动，此时加载机拖动交流电机转动；再启动变频调速装置，设定其速度低于加载机，则变频调速装置处于制动状态。调节加载机输出力矩到额定力矩，根据各个速度点测量的电压电流绘制出特性曲线。测量结果显示，各个频率下，变频调速装置都可稳定地输出制动力矩，并将能量回馈电网。国家采煤机械质量监督检验中心委托上海电科所对变频调速装置进行了EMC 检测。试验包括射频干扰和传导干扰两部分，在满载情况对变频调速装置进行测量，其结果符合相应国标要求。其他部件的性能试验与出厂试验完全一致，详情请参考检验报告。

5 结语

基于双机(多机)并联拖动技术的大功率防爆变频装置的研究建立和投入使用，可以完善现有的大功率防爆变频系统，能够解决现有防爆变频系统因一些固有因素而造成的一些问题，能为企业在防爆变频上提供更多的选择，保障生产的顺利进行，提高劳动生产效率，增强企业的竞争力。总之，基于双机(多机)并联拖动技术的大功率防爆变频装置的研制成功，实现了技术的创新，科技含量高，性能先进，可靠性高，不仅可应用于煤矿井下旧绞车电控系统的现代化改造及新增绞车电控系统，其技术也可应用于煤矿所有1140V 大功率交流电机的驱动系统。该系统的推广应用必将提高煤矿生产的安全性及生产效率，提高矿井现代化水平，降低煤矿生产成本，产生极大的社会效益及经济效益。