矿用防爆变频器关键技术解决途径探析

【摘 要】在煤矿使用变频调速己成为当前矿用设备调速的趋势，但防爆变频器仍然存在着电压等级、散热、电磁兼容性、逆变器转换效率等相关问题， 防爆变频器的电压等级应首选660 V、1140 V两个电压等级， 可以运用热管散热技术来实现防爆变频器的散热状况， 还可以运用改变变频器的电路拓扑结构，以及改进控制策略等主要技术手段，来有效解决防爆变频器的电磁兼容性问题和高能耗的缺点，从而最终实现防爆变频器在煤矿生产中的功能。

【关键词】防爆变频器；电磁兼容性；三电平逆变器；隔爆技术

变频调速是一种高效率、高性能的调速方式，采用异步电动机（或同步机），使其在整个工作范围内保持在正常的小转差率下运转，实现无级平滑调速，静止变频器的容量可以从零点几到上万千瓦，能满足各种生产机械的要求。随着电力电子技术和微电子控制技术的不断发展， 变频器在工业、民用等生产领域的应用已非常普遍，在煤矿使用变频调速己成为当前矿用设备调速的趋势。但是因为煤矿井下的电气设备存在于含有瓦斯和煤尘等爆炸性气体环境中，煤矿井下的电气设备必须采用矿用防爆型， 大部分所采用防爆变频器启动， 但是防爆变频器在井下使用过程中遇到了诸多技术问题， 如电压等级问题、散热问题、电磁兼容性问题、逆变器转换效率问题等，这些都亟待进行研究和解决，以实现煤矿生产安全。

1 电压等级选择

由于煤矿的特殊环境， 煤矿井下采用的供电电压等级为660 V 和1140 V。随着煤矿生产能力的不断提高， 生产设备单机功率的不断增大， 有些大型煤矿综采工作面或掘进工作面供电电压等级已也提高到3.3kV、6kV、10kV 等。但660V/ 1140V 电压等级还是井下供电系统的主导电压， 如煤矿井下的带式输送机、刮板输送机、局部通风机、给煤机及水泵等设备都采用该电压等级供电。对这些设备的电气控制系统进行变频改造 ，则防爆变频器的电压等级应首选660V、1140V两个电压等级， 最好能有同样适用于这两种电压等级的防爆变频器。

2 功率器件的散热

煤矿井下使用防爆变频器最大的难题是功率器件的散热问题。由于防爆变频器的所有电气元器件均密封于隔爆腔体里， 无法实现自然风冷， 水冷需要水循环系统和散热器。防爆外壳的体积本身就很笨重， 安装水管和散热器会进一步加大防爆外壳的体积和重量， 使防爆变频器的安装和维护十分不方便。如何将防爆变频器的散热量迅速有效地转移至防爆壳体外，是设计防爆变频器的关键。

目前， 采用热管散热器是一种有效的散热途径 。隔爆型热管散热器由热管、散热片及基板等组成，功率器件安装在基板的隔爆腔内的一面， 基板的另一面连接热管。基板是连接功率器件和热管受热的散热体部分， 散热片是连接热管冷却段的散热体部分， 热管是传输热量的元件。功率器件的发热量通过基板由热管的一端即通过工作介质的饱和蒸汽传输至热管的另一端即冷凝段。在冷凝段安装有散热片， 散热片将功率器件产生的热量通过对流和辐射传至周围环境空间， 工作介质的饱和蒸汽凝结成液体， 依靠热管内管芯毛细结构的抽吸作用回流至热管的蒸发段。安装时热管微微上斜有利于介质液体的回流。

隔爆型热管散热器是通过工作介质不断地冷凝和汽化来传递功率器件的热量， 其热阻可以达到0.01bC/ W， 在自然冷却条件下， 热管散热器比实体散热器的性能提高10倍以上。对于双面散热的电力电子器件， 热管散热器可有效地将功率器件在防爆腔体内积聚的热量传导到壳体外， 并通过散热片快速散发， 从而有效地解决了防爆变频器的散热问题。

3 电磁兼容性问题

煤矿井下的电气设备种类繁多、密度大、电动机启动频繁， 防爆变频器易受外界的电磁干扰；而且防爆变频器的输入及输出侧电压、电流含有高次谐波，投入运行后， 防爆变频器既是噪声发射源， 又是噪声接收器， 所以必须提高防爆变频器的电磁兼容性（EMC） 。通常可以从硬件结构和软件编程2个方面入手。硬件抗干扰就是要抑制和减少干扰源， 切断干扰的耦合通道和降低系统干扰信号的敏感性， 可以采取滤波、隔离、屏蔽、接地等措施将干扰抑制在相关标准允许的范围之内。

对于防爆变频器， 由于其主电路及控制回路都密封在防爆腔体内， 受空间和电气元器件密度的限制， 上述措施的应用有较大的局限性。因此， 必须找出产生电磁干扰的根本原因， 即从电磁干扰源、电磁干扰传播途径等方面着手， 降低干扰源的强度、切断传播途径和提高设备的抗扰度。可通过改变防爆变频器的电路拓扑结构、改进控制策略和优化逆变器驱动电路等技术手段解决防爆变频器的电磁兼容性问题。

4 逆变器的转换效率

要解决防爆变频器的散热问题和电磁兼容性问题， 提高逆变器的转换效率， 必须降低逆变器的功率损耗。除了选用低损耗的功率器件外， 最有效的方法还是应该从改变防爆变频器的电路拓扑结构、优化控制策略着手。

防爆变频器中的逆变器一般采用二电平结构，考虑井下供电为1140V电压等级， IGBT的耐压应大于3000V。高压功率器件的开关频率会比低压等级器件低、开关时间长， 串联而成， 这样可以使IGBT的耐压水平降低一半， 由于损耗较低以及输出电压在3个电平间切换， 使输出电压波形更接近正弦波， 谐波失真更小，更符合电磁兼容性的要求。逆变器损耗的减小也意味着变频器的散热问题得到解决。关于改进控制策略，通用的控制策略是采用空间矢量脉宽调制（SVPWM） 技术。SVPWM 技术在大范围的调制比内具有控制结构简单、计算机编程方便、直流母线电压利用率高等优点， 所以在三电平逆变器的控制中得到广泛应用。

5 结语

总之，在煤矿生产中采用防爆变频器，采用隔爆兼本质安全型技术和热管散热技术， 可解决变频器的防爆和散热问题， 使防爆变频器具有性能高、功能强、噪音低等特点； 通过改变变频器的电路拓扑结构、改进控制策略等技术手段， 降低IGBT 的耐压，抑制输出谐波分量， 可解决变频器的电磁兼容性问题和能耗问题， 使防爆变频器可以完全满足煤矿生产的现代化要求。

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