封安波++李俊強++靳寧寧

摘 要：傳統(tǒng)大功率刮板輸送機的驅(qū)動以調(diào)速型液力耦合器為主，可以實現(xiàn)軟啟動，但系統(tǒng)復雜，維護工作量大，維護成本高，且不可以長時間工作在低速模式下。隨著科技的不斷發(fā)展，變頻技術在工業(yè)領域的應用日趨普及，變頻技術應用于煤礦刮板輸送機也日益成熟。變頻技術的引入便于實現(xiàn)礦井自動化控制，實現(xiàn)斷鏈保護停機及電動機功率平衡等，省去了調(diào)速型液力耦合器，采用直接對輪聯(lián)接，提高設備的機械效率。

關鍵詞：防爆變頻器；刮板機；設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.186

1 技術特點

（1）采用先進的三電平交直交變頻方式，結(jié)構(gòu)簡單，效率高。為了保證變頻器高可靠性，主回路采用最新IGBT，電容器采用干式電容（標稱壽命200000小時）。（2）采用三電平主回路拓撲結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生5階輸出線電壓，電流畸變率低、電磁噪聲小、動靜態(tài)性能優(yōu)良，且開關頻率低、損耗小、效率高。（3）能完成速度閉環(huán)、電流閉環(huán)、磁鏈閉環(huán)、速度觀測、矢量控制等功能，實現(xiàn)電機的高性能轉(zhuǎn)矩控制和功率控制，完全滿足刮板輸送機控制系統(tǒng)的工況要求。（4）采用層疊母線進行功率器件連接，具有低阻抗、電磁兼容特性好、可靠性高等特點。

2 變頻器電氣設計方案

（1）總體結(jié)構(gòu)。礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器總體結(jié)構(gòu)包括：12脈波整流單元、直流母線電壓濾波單元、三電平逆變單元、輸出du/dt濾波單元、水冷單元、低壓控制單元。（2）整流器方案。鑒于煤礦井下供電系的所具有的特殊性，且刮板輸送機變頻控制系統(tǒng)不需要將能量回饋電源（根據(jù)技術要求），故整流器采用12脈波二極管整流橋串聯(lián)結(jié)構(gòu)，交流側(cè)連接移相變壓器輸出具有30°相位差的三相交流電壓。此結(jié)構(gòu)不僅把整流電路脈沖數(shù)由6脈波提高到12脈波，而且大幅降低了5次、7次諧波電流對電網(wǎng)的干擾；二極管整流電路在自然換相點換相，系統(tǒng)的功率因數(shù)相對較高，節(jié)約了電能；由于直流母線電容容量較大，可有效減少母線紋波電流含量，進一步降低了整流側(cè)諧波含量。另外，該結(jié)構(gòu)對上、下直流母線電壓平衡的控制具有良好的動態(tài)響應，為三電平逆變器提供平穩(wěn)的電平，提升了變頻器的調(diào)速性能，同時電路結(jié)構(gòu)簡單，具有低成本高可靠性的優(yōu)點。（3）逆變器方案。設計采用成熟可靠的二極管箝位式三電平拓撲做為逆變單元的基本組成形式，其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，采用二極管箝位式三電平拓撲，逆變器輸出電壓du/dt大大降低，等效開關頻率相比于兩電平提高一倍（從功率器件平均開關損耗和輸出電壓畸變率角度），降低了功率器件開關應力，同時減小了對電機的慢性損壞。（4）PWM控制方式：在三電平結(jié)構(gòu)逆變系統(tǒng)中，鑒于三電平SVPWM控制方式比SPWM控制方式具有更高的直流電壓利用率，可有效減小無源器件的尺寸，現(xiàn)已成為變頻器調(diào)制算法的首選。而三電平變頻器自身結(jié)構(gòu)的復雜性導致其SVPWM調(diào)制算法也比兩電平要復雜得多。為了兼顧控制器性能及提高系統(tǒng)的整體運行效率，本系統(tǒng)采用簡化的SVPWM調(diào)制算法。三電平電壓空間矢量可視為由6個兩電平電壓空間矢量構(gòu)成的小六邊形相互疊合而成。對于某一給定的參考電壓矢量，必能選擇一個小六邊形區(qū)域，使之位于其內(nèi)部，因此判斷參考電壓矢量所在的位置只需判定其所處的小六邊形。在判定參考電壓矢量所在的小六邊形之后，經(jīng)過參考電壓矢量進行修正及坐標平移即可將三電平電壓矢量平面簡化為兩電平電壓矢量平面。

3 散熱方案

裝置采用水-水交換方式，內(nèi)循環(huán)水采用純水+乙二醇做循環(huán)介質(zhì)，元器件損耗經(jīng)過水冷散熱器進行熱交換，主循環(huán)泵將置換出的熱量由內(nèi)循環(huán)水通過水-水熱交換器，將熱量交換到外循環(huán)水系統(tǒng)。水循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部壓力、流量可以保持一個恒定的運行狀態(tài)，內(nèi)部增加一個水風交換器，可對輸出電抗器、電阻等內(nèi)部元器件進行水冷散熱，為系統(tǒng)提供良好的運行環(huán)境；由于內(nèi)水管路不與大氣相接觸，并且水循環(huán)系統(tǒng)設有相應去離子系統(tǒng)，可以去除冷卻介質(zhì)內(nèi)的游離電子、優(yōu)化水質(zhì)，有效的預防管道與設備結(jié)垢、腐蝕、電離等現(xiàn)象的發(fā)生，以保證系統(tǒng)的安全運行。本裝置由水-水熱交換器（水冷部分）、主循環(huán)水泵、膨脹水罐、補水裝置、去離子系統(tǒng)及監(jiān)測控制系統(tǒng)等組成組成。

4 機芯結(jié)構(gòu)方案

變頻器機芯整體由一套整流機芯、三套逆變機芯、一套水冷機芯等結(jié)構(gòu)體組成，分別進行機芯模塊化設計，機芯組件可實現(xiàn)其相應的完整電氣功能。水冷采用水-水交換方式，該系統(tǒng)經(jīng)過本公司礦井提升機項目產(chǎn)品驗證，在可靠性，可維護性，應用性能方面有足夠的保障和安全裕量。設計完成機芯整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，布局相對完善合理。優(yōu)化功率單元結(jié)構(gòu)，去掉功率單元絕緣外殼結(jié)構(gòu)，為配合對接公差，配套直流母線設計成單層疊裝方式（對接方式考慮快速接頭等其他待選方案）；機芯整體增加水風散熱器，用于LC濾波電抗器、電容散熱及變頻器內(nèi)部熱循環(huán)；整流母線不同功率等級結(jié)構(gòu)兼容設計。

5 隔爆殼體方案

整體結(jié)構(gòu)采用直筒式方案，柜體兩側(cè)開門，側(cè)門上進出線采用快速電纜連接器方式，同時在柜門上根據(jù)電氣要求設計相應操作端口；變頻器機芯機芯安裝固定在移動小車上，通過延伸導軌從一側(cè)整體推入隔爆殼體安裝。

6 結(jié)束語

變頻器已然成為電力傳動領域的生力軍，已被運用到煤礦的各種傳動機械中，而傳統(tǒng)大功率刮板輸送機的驅(qū)動以調(diào)速型液力耦合器為主，因此亟需國內(nèi)企業(yè)推出相應產(chǎn)品來滿足這部分市場需求。

參考文獻：

[1]張智永.礦井提升機電控系統(tǒng)的研究與設計[D].安徽理工大學，2015.

[2]上海華菱電站成套設備有限公司.一種中壓變頻雙控制器冗余裝置：中國，CN201320595246.9[P].2014-3-12.