3.3kV矿用组合高压防爆变频器设计探究

吴世均

（上海伟肯实业有限公司，上海201806）

煤矿采掘面驱动刮板机、转载机和破碎机的设备，都要求无极调速、低频大转矩特性，传统的液力偶合器调速系统根本无法满足工况要求。采掘面3.3KV 供电系统早已得到应用,3.3KV 防爆高压变频器应运而生。本文以模块化思路实现高压防爆变频器设计，规避共整流方式的缺点，满足变频器故障不停运，快速维修的要求，为煤矿可靠地实现智能化生产做出一定贡献。

1 项目概况

本项目设计3.3kV 组合防爆高压变频器，包括两组合、三组合两个大的类型，每一个类型包括1250kW 和2000KW 两个功率段的变频器，由于涉及到多种变频器，而同功率的两组合和三组合变频器，物料类型相同，所以变频器主回路采用多个单独主回路拓扑结构，并且对主回路进行划分，形成了5 个功能模块。控制回路也进行划分，形成内控和外控两大模块。相同功率的变频器，就可以直接使用这些功能模块，既减少了设计工作量，又利于提高生产和售后服务效率。

2 整机设计

矿用组合高压防爆变频器主回路采用交直交电压型拓扑，整流拓扑结构采用串联12 脉动整流或者6 脉动三相桥式整流、直流采用模块式薄膜电容、逆变采用一字型三电平拓扑。如图1所示的12 脉动的3.3KV 单台高压防爆变频器主回路拓扑图。在三组合变频器中，含有三台相同的变频器，三台变频器的主回路完全相互隔离，其中任何一台变频器出现故障，可以直接断掉电源，启动备用变频器，或者剩下的变频器投入运行，不影响煤矿的生产。可将图1 的主回路划分为5 个模块：（1）功率输入单元：包括高压继电器、预充电电阻、主真空接触器KM1 和KM2。（2）模组Z+U：包括整流部分、均压电阻和逆变U 相。（3）模组V+W：包括逆变V 相和逆变W 相。（4）储能单元，包括C1-C6 的薄膜电容。（5）功率输出单元，也就是输出电抗器，如图2 所示。

在整机布局中，可以将组合变频器的所有功率输入单元统一放入外控腔，将剩下部分放置在变频腔中，这样组合变频器就由一个外控腔和多个变频腔构成。如图3 所示，是三组合变频器，由一个外控腔和三个变频腔构成。

图1 12 脉动单台3.3KV 高压防爆变频主回路拓扑

图2 单台高压变频器主回路模块划分方案

图3 三组合整机防爆变频器

主回路所有的单元，在单体、两组合、三组合防爆变频器中，同功率段的单元相同，彼此之间相互共用，减少库存和配件种类。变频器逆变侧控制部分，包含变频器主控板、信号板、相应的开关电源、给驱动供电的开关电源等，构成了内控盒，显然一个变频器腔需要一个内控盒。组合变频器中，为了接受外部电控控制、监控组合变频器使用情况、适应现场工况设置多种控制模式，构成以PLC为核心外控盒。这样变频器控制回路就分成外控和内控两大模块，如图3 所示，由一个内控盒，三个外空盒构成。内控盒到模组之间的控制线和光纤、外控盒到内控盒的控制线可以预先设计成快插形式的多芯电缆，由线束厂标准化生产，进一步提高生产效率，杜绝了因导线连接不当造成的故障。

3 设计要点

3.1 电气拓扑结构

综合考虑电阻功率消耗，放电时间等因数，每个均压电阻取值为200KΩ，同时主回路增加放电单元。根据公式(3),放电15 分钟后，母线电压值约为200V，此时由外控PLC 控制投入放电单元，快速放掉剩余电能。C7、C8 是无感薄膜吸收电容，作用是吸收U-T1 至U-T4 四个IGBT 在关断时产生的电压尖峰值。根据

根据文献[2]结论，PWM 变频器输出电压在长电缆中将产生行波反射现象。将严重影响电机和电缆的绝缘。根据文献[3]结论，输出电抗器的直接作用即为延长PWM 电压脉冲上升时间，可以较好解决电机端过压问题。同时电感基本作用是阻碍电流的变化，当变频器发生II 次短路时，能有效减少电流的变化率，防止大电流对IGBT 的冲击。因此在本项目中，统一设计输出电抗器，当电机超过1000 米时，还会增加RC，构成RLC 低通滤波器。

3.2 散热设计

首先要考虑模组V+W 散热设计，在负载2000KW 时，该模组散热量是15kW，综合考虑导热率、耐水压、价格因数和加工难度，最终选择铝板，但铝水冷板水压最高不能超过1MPa，因此要求供水水压范围为0.4～1MPa。通过实测，煤矿井下供水水压范围0.8～3MPa 之间，因此水冷输入端必须安装减压阀和安全阀，井下水质较差，还需安装过滤阀，防止水垢等堵塞水道。

3.3 安全性设计

采掘类负载，电机导线随设备列车伸缩运动，很容易被尖锐物体刮破。因为导线长，变频器发生II 次短路时，变频器保护有延时。所以本项目中，在变频器中线上设置在线绝缘监视仪，实时检测检测整个系统的绝缘值。在3.3KV 系统中，国标规定绝缘电阻小于120KΩ 报漏电故障，通过在线绝缘监视仪实时检测，可以将漏电绝缘提高到10MΩ，大大整个供电系统安全性。

4 实验结果

4.1 模组水冷实验

2000KW 三组合变频器，在额定负载，水流量60LPM，近口水温25℃，模组V+W 的水冷仿真实验，水冷基板最高温度48.8℃，温升23.8℃。通过实际满载温升实验，与仿真结果一致。

4.2 短路试验

W-T1 对中线短路的II 次短路试验波形，CH3 通道是IGBT的集电极电流，CH4 通道是Vce 电压值，分析可知，最大电路电流4.72KA，半母线电压2600V，电压过冲值。

4.3 整机实验

整机实验包括水压实验、爆炸实验、耐潮实验、压频比实验、温升实验、EMC 实验等，均通过了上海防爆站验证，取得了防爆合格证。产品在小保当等多个煤矿得到应用，运行良好。

5 结论

3.3 kV 矿用组合高压防爆变频器，通过合理拓扑划分，可将主回路和控制回路进行模块化设计，使得单体、两组合和三组合变频器可以共用相同模块，简化了设计工作量，提高了生产效率，也方便了煤矿对设备的维护，整机布局合理、性能可靠，满足煤矿对高可靠性、无极调速和低频大转矩的要求。