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        低壓防爆變頻器在煤礦的應用研究

        發布時間:2010/1/11

        【摘 要】本文在分析了低壓防爆變頻囂在煤礦中的應用關犍技術基礎上,提出對電壓等級,散熱.電磁兼容等問題的解決方案。
        【關鍵詞】防爆變頻器 散熱 電磁兼容

          梅花井煤礦井下帶式輸送機、刮板輸送機、風機、水泵、絞車的電氣控制廣泛使用隔爆型交流鼠籠電動機,由于控制方式簡單,均為直流控制,對電機和機械傳動裝置造成很大損害。近幾年,盡管可控硅交流降壓調速技術得到了一些應用,但由于交流降壓軟起動自身啟動特性較差,對電網的沖擊大,對移動變電站的容量要求也大,使其使用場合受到一定的限制。
          隨著電氣傳動領域發生重大的技術變革,交流調速技術獲得了飛速發展,變頻控制方式克服了以上問題,并具有良好的調速特性和節能效果。變頻器由最初的變壓變頻(VVVF)調速方案,到目前的矢量、直接轉矩控制方案,使變頻控制不僅具有穩態的控制特性,而且具有良好的動態性能,可以與直流調速系統相媲美,不僅解決了風機,泵類負載的拖動,而且也解決了帶式輸送機、絞車、提升機等低速大扭矩等場合的控制。由于煤礦井下具有爆炸性氣體的特殊環境,通用變頻器不允許直接F井使用,因此,設計研制防爆變頻器非常關鍵。

        1  、關鍵技術思考

          1.1電壓等級
          低壓通用變頻器不論是國產的(包括國內組裝),還是進口的,一般電壓等級為220V、380V,有些廠家如西門子公司生產的變頻器可用于660V。目前我礦煤礦普遍使用的電壓等級為660V、1l40V,隨著煤礦生產能力的不斷提高,生產設備單機功率的不斷增大,防爆變頻器不僅需要大功率,其ll4OV工作電壓尤為需要。
          1.2防爆散熱
          通用變頻器的散熱一般采用風冷或水冷方式。由于防爆要求,變頻器的所有電子器件封于防爆殼體的主腔內,風冷無法實現;水冷需要水循環系統和散熱器,體積大安裝和維護不方便,特別對于煤礦井下的工況環境條件,此種散熱方式不宜使用。因此,防爆變頻器的功率越犬,防爆散熱問題越突出,解決不好,降直接影響變頻器的使用壽命和性能的穩定性。
          1.3電磁兼容性
          變頻器大多運行于惡劣的電磁環境,作為電力電子設備,內部由于功率器件、電子元器件及計算機芯片等組成.易受外界的一些電氣干擾,其輸入側和輸出側的電壓、電流含有不等的高次諧波,投入運行既要防止外界干擾它,又要防止它干擾外界,即所謂的電磁兼容性。防爆變頻器電磁兼容性問題解決的好壞,很大程度取決于變頻器的傳動系統以及外圍設備運行的可靠性。


        2、 技術對策

          2.1功率器件的選擇
          決定變頻器電壓等級的主要因素是主回路逆變電路的功率器件,主要是解決660V和1140V的電壓等級的功率器件問題。在低壓交流電動機的傳動控制中,應用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT和智能模塊IPM,后兩種是目前通用變頻器中最廣泛使用的主流功率器件。特別是IGBT,其集射電壓Vce<3V,頻率可達20kHz,內含的集射級間超高速二極管Trr可達l50ns,現在,采用溝道型柵級技術、非穿通技術大幅降低集電極一發射極間飽和電壓的第四代IGBT已問世,它的開關器件發熱減少,曾占主回路發熱50%~70%的器件發熱降低了3O% ,同時它是高載波控制,使輸出電流波形有明顯改善,驅動功率、體積都較以前減少,應用此種功率器件,使得防爆變頻器的性能有了很大提高,現國外已有耐壓5000V、電流達1200A的IGBT,可以適用于煤礦井下1l40V的系統。因此,只要認真對相關的驅動控制電路進行技術攻關,就能解決防爆變頻器的電壓等級問題。
          2.2防爆散熱的解決
          煤礦的防爆產品中達功率器件的散熱是一大難題,一般變頻器的功耗為其容量的4%~5%,其中逆變部分約占5O%,整流及直流回路約占40%,控制及保護電路約占10%左右。因此,需要解決如何將逆變、整流回路高發熱器件的熱量迅速有效地通過防爆殼體散發出去,保證功率器件地正常工作溫度,而散熱器則是一種較為實用合理的技術途徑。
          熱管是一種極好的人工構件,它利用“變相”傳熱的原理,與金屬、鋁等實體材料和天然傳熱方式完全不同。其有效導熱性是銅、鋁等有色金屬的成百、上千倍。熱管散熱器就是利用熱管技術對散熱器進行改進而制作出來的新品,對于雙面散熱的分立電力電子器件,風冷的全銅或全鋁散熱器的熱阻只能達到0.04℃/w ,而熱管散熱器的熱阻可達0.0l℃/w。在自然對流冷卻條件下,熱管散熱器比實體散熱器的性能可提高1O倍以上。熱管散熱器可采用自冷的方式,無需風扇,沒用噪音,免維修,安全可靠。采用水一銅熱管散熱器(以水為介質,銅為管殼材料),其蒸發段以壓裝方式裝入銅材制或的基座,基座平面目定功率器件,冷凝段壓裝鋁質散熱片,形成熱管散熱器可有效地將功率器件在防爆腔體積聚地熱量傳導到殼體外并通過散熱片快速散發,從而解決了較大功率防爆變頻器地散熱問題。
          2.3電磁兼容性
          變頻器地輸入部分為整流電路,輸出部分為逆變電路,它們都是由起開關作用的非線性元件組成,在開斷電路的過程中,都要產生高次諧波,由于功率較大,對系統其他設備干擾性較強,其干擾途徑主要為傳導、電磁輻射及感應耦合。為防止干擾,可從硬件和軟件兩個方面人手,硬件抗干擾的原則就是要抑制和消除干擾源,切斷干擾的耦合通道和降低系統干擾信號的敏感性。因此,可以采取隔離、濾波、屏蔽、接地等措施,將干擾抑制在相關標準允許的范圍內。
          2.3.1串接電抗器或安裝諧波濾波器
          在電源輸入端串接合適的電抗器或安裝LC型諧波濾波器,以吸收諧波和增大電源或負載阻抗達到抑制諧波的目的。
          2.3.2接地分開
          通過共用的接地線傳播干擾是干擾傳播的最普遍的方式。將動力線的接地與控制線的接地分開是切斷這一途徑的根本方法,即將動力裝置的接地端子接到該裝置的金屬外殼上。
          2.3.3布線分離
          信號線靠近由干擾源的導線時,干擾會被誘導到信號線上,使信號線上的信號受到干擾,布線分離對消除這種干擾行之有效。把動力電纜、控制電纜以及信號電纜分開走線,在有限的空間內保持一定間隔,盡量增大干擾與受干擾電路間的距離。模擬量、低電平、高電平信號采用屏蔽雙絞線連接并單獨占用走線槽。控制電纜最好與其主回路線以垂直方式走線。
          2.3.4采用變壓器隔離
          采用隔離變壓器將電源與控制回路隔離,隔離變壓器可應用具有隔離層的隔離變壓器。
          2.3.5屏蔽
          將計算機控制單 元予以屏蔽,IGBT的驅動單元和控制單元之間使用光纖進行信號傳遞。

        3 、結語

          通過分析研究,礦用低壓防爆變頻器的整體結構需要重新設計,在保證變頻器性能的前提下,豐要解決防爆散熱、電磁兼容性等關鍵技術。
        目前額定電壓1140V、額定功率220KvA及以F的防爆變頻器在煤礦井下風機、帶式輸送機、絞車的控制系統中已得到廣泛的應用,隨著生產設備單機功率的不斷增人,需要研制更大功率的礦用防爆變頻器。

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