文/陳重儀

光控電力電子器件在高瓦斯礦井的應(yīng)用

文/陳重儀

目前，采用光控全控型電力器件，利用LED或LD光源通過耦合器啟動安全電壓控制無觸點開關(guān)在復(fù)雜條件礦井中的應(yīng)用，可大大降低和避免瓦斯事故，為煤礦井下安全生產(chǎn)提供了先進(jìn)設(shè)備資源。

一、應(yīng)用背景探討

現(xiàn)有隔爆電氣設(shè)備還不能從根本上杜絕二次重燃引起的躥火，從而引發(fā)更大的災(zāi)害。災(zāi)害氣體、煤塵和電氣設(shè)備的使用時刻威脅著礦工的生命安全。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，近幾年國內(nèi)發(fā)生的礦井災(zāi)害近30%是由電氣設(shè)備二次重燃引發(fā)的。因此，電氣設(shè)備也是降低煤礦災(zāi)害的重要物質(zhì)條件。但是目前國內(nèi)對于解決電氣設(shè)備二次重燃尚無有效對策。

二、利用光控全控隔爆

1.可關(guān)斷晶閘管（GateTurn-OffThyristor）

簡稱GTO，亦稱門控晶閘管。其主要特點為，當(dāng)門極加負(fù)向觸發(fā)信號時，晶閘管能自行關(guān)斷。

如果普通晶閘管靠門極正信號觸發(fā)以后，撤掉信號時也能維持連通狀態(tài)。要將它關(guān)斷，必須切斷電源，使其正向電流低于維持電流IH，或者施以反向電壓強(qiáng)迫關(guān)斷。這需要增加換向電路，不僅使得設(shè)備體積和重量增大，而且會大大降低效率，產(chǎn)生噪聲和波形失真。關(guān)斷晶閘管能避免上述缺陷，不僅保留了普通晶閘管耐壓高、電流大的優(yōu)點，又保證能自動關(guān)斷，使用方便，是理想的高壓、大電流開關(guān)器件。

目前，GTO已達(dá)到8000A、12000V的容量，導(dǎo)通6微秒、關(guān)斷30微秒的速度。大功率可關(guān)斷晶閘管已廣泛用于礦山斬波調(diào)速、變頻調(diào)速、逆變電源等領(lǐng)域。尤其是采用光耦合器啟動控制技術(shù)，實現(xiàn)了光電隔離，避免因高壓竄入低壓可能帶來的事故，增加了控制回路安全的可靠性。

將GTO作為井下饋電高壓開關(guān)或高壓電機(jī)的控制設(shè)備，其主要優(yōu)點是徹底消除了二次重燃。就安全性能來講，是目前使用的真空高壓防爆開關(guān)無法比擬的，為高瓦斯礦井安全用電提供了先決條件。

2.絕緣柵雙極晶體管 （Insulated Gate bipolar Transistor）

簡稱IGBT，是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的新型復(fù)合器件。既有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單等特點，又有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點。在電機(jī)控制、中頻和開關(guān)電源以及要求快速、低損耗的領(lǐng)域大受歡迎。

目前，IGBT的生產(chǎn)水平為2500V、1000A，而研制水平可達(dá)4500V、2500A。IGBT的發(fā)展趨勢是高電壓、低損耗，趨向于將控制和數(shù)控邏輯集成于一體，散熱器也引入功率模塊。

IGBT和GTO的相同之處，都是光控全控型電力電子器件，都是無觸點開關(guān)，從原理上杜絕了二次重燃。采用光電耦合器開啟電壓2～6V，導(dǎo)通時間1～2微秒，關(guān)斷時間1～1.5微秒，能實現(xiàn)輸入電流正弦無波，電壓、電流過零切換。IGBT優(yōu)良的技術(shù)性能完全能夠滿足井下低壓電氣設(shè)備控制需要。

三、結(jié)論

綜上所述，GTO和IGBT這兩種光控電力電子器件，若作為煤礦井下的高低壓防爆開關(guān)，或作為高低壓電機(jī)的控制設(shè)備，其原理上是安全的，其基本技術(shù)性能完全滿足高瓦斯或更為復(fù)雜條件礦井安全生產(chǎn)需要。同時，該技術(shù)的應(yīng)用也將使目前笨重的防爆外殼減輕重量，可節(jié)約大量鋼材，也符合國家節(jié)能減排和低碳發(fā)展政策。若將其變?yōu)楝F(xiàn)實并普及開來，全國高突礦井的安全生產(chǎn)將大大向前推進(jìn)，將為建設(shè)和諧礦區(qū)、和諧社會做出較大貢獻(xiàn)。

窯街煤電集團(tuán)）

李元）