大功率水冷变频器在电铲中的设计应用

呼木吉力吐，闵 杰，徐 明

应用研究

大功率水冷变频器在电铲中的设计应用

呼木吉力吐1，闵 杰2，徐 明2

（1.国能准能集团有限责任公司科学技术研究院，内蒙古 鄂尔多斯 010300；2. 武汉长海高新技术有限公司，武汉 430064）

大型电铲采用西门子6SE70系列风冷变频器，主要配件已经停产，存在技术落后、故障高、散热效率低、噪音大等问题。本文提出了一种大功率国产水冷变频器，重点展开了水冷变频器模块化设计方法及水冷设备的设计流程，提升了变频器防护等级，并在电铲上得到了实际应用，使用效果良好，推动了国产水冷变频器在矿山领域的应用。

变频器 水冷散热 电铲

0 引言

变频器作为露天矿山中大型矿用电铲主要电气驱动设备，其性能和维护周期直接影响电铲生产效率，进而影响矿山的整体经济效益。某电铲采用西门子6SE70系列风冷变频器，其主要配件在2011年已经停产，2020年全部停售，影响了电铲正常使用，为此需要开发一套新的大功率变频器进行升级替代，延长电铲使用寿命。

目前电铲大功率变频器常用西门子S120系列变频器或ABB的ACS800变频器，均为国外风冷变频器。由于电铲工作在户外，粉尘较多，风冷变频器存在进出风口导致柜体防护等级低，粉尘容易进入柜体引发故障。为减少变频器维护工作、提高电铲作业率，本文变频器采用水冷散热方式，可以提高散热效率及防护等级、减少粉尘进入及变频器体积、降低功率器件温度，提高设备使用寿命。

1 变频器整体设计

从能量变换角度看，变频器的输入为驱动主变压器，输出控制对象为提升、推压、回转、行走等工作机构执行电动机，是一个多传动控制对象，各电动机主要参数如表1所示。

结合国内外电铲变频器现状[1-3]，本文采用基于IGBT的AFE整流+多传动四象限变频驱动装置，包括AFE整流回馈装置、各执行电动机逆变驱动、制动装置、控制单元等主要部分，用于电铲提升、回转、推压、行走等执行电动机的驱动及控制，具备AFE整流和有源逆变、共直流母线、多传动等特点。同时，为减少备件数量，功率模块采用模块化设计，各整流、逆变功率组件器件及结构上一致，具备互换性，通过烧写不同的程序实现整流、逆变功能。

表1 各电动机主要参数

根据表1充分考虑短时过载能力，综合考虑寿命、可靠性等因素，确定单个功率模块额定功率为1200 kW，拓扑结构如图1所示。相应配置如下：每台提升电机由2个功率模块驱动；推压电机由1个功率模块驱动；两回转电机机械上是通过齿轮机构耦合在一起，根据参数匹配，可采用1个功率模块同时驱动两台回转电动机；两台行走电机分别由1个功率模块驱动；整流采用2个功率模块并联组成整流回馈装置，分别经LCL滤波柜接主变压器的副边绕组，实现变频驱动系统的整流/回馈双向交-直变换；每个功率模块直流侧配熔断器，进行过流保护；直流侧配有制动单元，实现直流母线过压保护和短时能量泄放。

图1 变频器拓扑结构

2 功率模块设计

功率模块是变频器的核心设备，主回路采用两电平三相逆变桥，由电容滤波板、支撑电容、IGBT、电压传感器、电流传感器等组成，如图2所示。电容滤波板主要抑制共模干扰，提高电磁抗干扰能力。

图2 功率模块主回路

从表1可见，电动机额定电压为690 V，则功率模块直流母线电压设为1000 V。考虑电机制动回馈电网时电压瞬时波动、线路杂散电感压降等，IGBT击穿电压选1700 V。同时对比表1各电机功率，可见功率模块带2台回转电机时瞬时功率最大，取电机功率因数为0.85，对应瞬时线电流为：

则IGBT电流可取1.5max，为1671 A。考虑IGBT成本、体积及损耗，每相选用3个IGBT模块FF600R17ME4并联，该IGBT集电极额定电流600 A，体积小，满足使用要求。

直流母线电压设为1000 V，瞬时波动可达1100 V，故图2支撑电容额定电压选用1200 V的薄膜电容，电容容量可由以下公式计算：

式中，为支撑电容容值，max为直流电压最大值，min为直流电压最小值，为变频器功率，为电容放电时间。假设直流母线电压正常波动范围为5%，则max为1025 V，min为975 V，取1200000 W，开关频率取4 kHz，假设在一个周期内充放电时间各一半，则放电时间为0.125 ms，代入式（2），得

3 变频器水冷设计

参考文献[4]，本文采用闭式循环水冷+风水交换器方案，如图3所示，一次冷却介质为水，二次冷却介质为空气，主要设备包括水冷柜和风水交换装置，水冷柜包括冷却循环水泵、补水支路、净化支路、膨胀罐、热交换器、过滤器、测量装置等。循环冷却水进入变频器，带走热量后经热交换器，将热量传递给外部水风换热器，如此形成闭合回路。

图3 变频器水冷系统

图3中，膨胀罐具有一定的容积和压力，当冷却介质在长期运转中有少量蒸发时，其中贮存的冷却介质可即时补充到主回路管道内。水箱内储存一定量的冷却介质，当变频器控制单元检测到系统缺水时，补水泵可往闭式系统中补水，保证系统压力和水量的恒定。除水风换热器外，其余设备均装在水冷柜中。

考虑电铲水冷变频器工作温度为-20℃～45℃，一次冷却介质采用纯净水+乙二醇配比冷却液做循环介质，热量最后由水-风热交换器交换到空气中。由于内循环水在完全密闭条件下工作，因此工作过程中避免了循环介质的蒸发损失，不易出现结垢、长菌及管道腐蚀等现象，减少了水冷系统的维护工作。

水冷系统控制部分通过变频器控制单元远程控制水冷系统启停，并自动监测水路的温度及压力，出现异常时及时进行报警保护。

4 水冷变频器在电铲使用情况

参考原变频器空间布局，将研制的国产水冷变频器设计成了两排并柜，水冷柜也设计成两个，分别给同排的变频柜冷却，装在电铲上后布局如图4所示。其中水冷柜与变频柜安装在电铲电气舱内，水风换热装置外置，通过电气舱室适应性改造，实现更好的密封性，为变频器提供更加清洁的运行环境。

变频器启动或停机时，其控制单元会自动控制水冷柜的循环泵启动或停机，并将两个水冷柜水路温度、压力实时显示在司机室触摸屏水冷系统监控界面上。同时司机可以监控界面手动控制循环泵工作，或者手动切换循环泵。

装有国产水冷变频器的电铲在内蒙古哈尔乌素露天矿现场已进行了几个月的运行，运行过程中，网侧保持了设定的功率因数，直流母线电压保持稳定，变频器功率模块温度在可控范围内，故障低，各电机能稳定运行，满足现场作业需求，同时，水冷变频器充分利用功率模块短时过载能力，可实现低电压穿越功能，在电铲供电电压瞬时跌落至-30%时不停机。

图4 变频器在电铲上的布局

5 结束语

本文介绍了水冷变频器的设计思路，重点阐述了大功率水冷变频器应用在电铲上的拓扑结构、主要器件选型、水冷设计方案，并安装在电铲上进行了几个月的应用。根据国产化水冷变频器的应用结果，水冷变频器散热效率高、密闭性好、可靠性高，能减少变频器维护成本，可以推广应用到其它类型电铲或矿山其它设备上，为矿山领域重大装备自主可控提供技术设备支撑。

[1] 迟宇. 国外大型矿用挖掘机综述[J]. 矿业装备, 2017(3): 24-25.

[2] 贾良权. 变频调速技术在电铲、钻机设备中的应用解析[J]. 中国机械, 2014(11): 79.

[3] 师远征. HD2000水冷变频器在电动钻机上的应用[J]. 电气传动自动化, 2019, 41(1): 36-37, 35.

[4] 刘国宏, 杨威. 变频器水冷循环系统在电铲中的设计应用[J]. 船电技术, 2022, 42(4): 13-17.

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，高级工程师，本科。研究方向：矿山科技管理。E-mail: 903894463@qq.com